تولید انرژی الکتریکی برای بدن انسان

فراديد

بروزرسانی 1400/04/22 - 20:45

فراديد/ توسعه نانو تکنولوژي جديد توسط يک تيم تحقيقاتي بين‌المللي امکان توليد جريان‌هاي الکتريکي و ولتاژ درون بدن انسان را از طريق فعال سازي اندام‌هاي مختلف با استفاده از نيروي مکانيکي فراهم مي‌کند.اين توسعه شامل يک ماده بيولوژيکي جديد و بسيار قوي، مشابه کلاژن است که غير سمي است و هيچ آسيبي به بافت‌هاي بدن نمي‌رساند.
محققان معتقدند که اين نانو فناوري جديد کاربرد‌هاي بالقوه زيادي در پزشکي دارد، از جمله استخراج انرژي پاک براي کار کردن ضربان ساز‌هاي قلب و ساير دستگاه‌هاي کاشته شده در بدن از طريق حرکات طبيعي بدن، از بين بردن نياز به باتري و جراحي مورد نياز براي جايگزيني آنها.
اين مطالعه توسط پروفسور ايهود گازيت از دانشکده زيست پزشکي و تحقيقات سرطان TAU در دانشکده علوم زندگي George S. Wise، گروه علوم و مهندسي مواد در دانشکده مهندسي Fleischman و مرکز علوم نانو و فناوري نانو، همراه بود با تيم آزمايشگاهي خود، دکتر سانتو برا و دکتر وي جي، انجام شده است. محققان موسسه وايزمن و تعدادي از موسسات تحقيقاتي در ايرلند، چين و استراليا نيز در اين مطالعه شرکت داشته‌اند.
پروفسور گازيت مي‌گويد: «کلاژن شايع‌ترين پروتئين در بدن انسان است که حدود ۳۰ ٪ از کل پروتئين‌هاي موجود در بدن انسان را تشکيل مي‌دهد. اين يک ماده بيولوژيکي با ساختار مارپيچ و انواع خصوصيات فيزيکي مهم مانند قدرت مکانيکي و انعطاف پذيري است که در بسياري از کاربرد‌ها مفيد است. با اين حال، از آنجا که مولکول کلاژن بزرگ و پيچيده است، مدتهاست که محققان به دنبال يک مولکول کمينه گرا، کوتاه و ساده هستند که مبتني بر کلاژن باشد و ويژگي‌هاي مشابهي از خود نشان دهد.»

وي افزود: «حدود يک سال و نيم پيش گروه ما تحقيقي را منتشر کرد که در آن از روش‌هاي نانو فناوري براي مهندسي يک ماده بيولوژيکي جديد استفاده کرديم که مطابق با اين نياز‌ها باشد. اين يک تريپپتيد است - يک مولکول بسيار کوتاه به نام Hyp-Phe-Phe که فقط شامل سه اسيد آمينه است - و قادر بود يک فرايند ساده از خود مونتاژ کند و تشکيل يک ساختار مارپيچي کلاژن مانند بدهد که انعطاف پذير است و داراي استحکام مشابه با فلز تيتانيوم است.»

دکتر گازيت مي‌گويد: «در مطالعه اخير، ما به دنبال بررسي اين موضوع هستيم که آيا ماده جديدي که توليد کرده‌ايم داراي پيزوالکتريک است يا خير؛ ويژگي ديگري که کلاژن را مشخص مي‌کند. پيزوالکتريسيته توانايي يک ماده در توليد جريان‌هاي الکتريکي و ولتاژ در نتيجه اعمال نيروي مکانيکي يا بالعکس براي ايجاد نيروي مکانيکي در نتيجه قرار گرفتن در معرض يک ميدان الکتريکي است.»

محققان ساختار‌هاي نانومتريِ مهندسي شده‌اي را ايجاد کردند و با کمک ابزار پيشرفته نانو فناوري، فشار مکانيکي بر آن‌ها وارد کردند. اين آزمايش نشان داد که اين ماده در نتيجه فشار، جريان الکتريکي و ولتاژ توليد مي‌کند.
علاوه بر اين، در ميان اين ساختار‌هاي کوچک صد‌ها نانومتر، يکي از بالاترين سطوح توانايي‌هاي پيزوالکتريک کشف شده است. مقايسه کنيد با مواد پيزوالکتريکي که معمولاً در بازار امروز يافت مي‌شوند و بيشتر آن‌ها حاوي سرب هستند و براي کاربرد‌هاي پزشکي مناسب نيستند.

به گفته محققان، کشف پيزوالکتريسيته با اين اندازه در يک ماده نانومتري از اهميت بالايي برخوردار است، زيرا اين توانايي مواد مهندسي شده را به عنوان نوعي موتور کوچک براي دستگاه‌هاي بسيار کوچک نشان مي‌دهد. در مرحله بعدي، محققان قصد دارند روش کريستالوگرافي و روش‌هاي مکانيکي کوانتومي محاسباتي (تئوري تابعي تراکم) را به منظور درک عميق از رفتار پيزوالکتريک مواد و در نتيجه امکان مهندسي دقيق کريستال‌ها براي ساخت دستگاه‌هاي زيست پزشکي استفاده کنند.

پروفسور گازيت مي‌گويد: «بيشتر مواد پيزوالکتريک که امروزه از آن‌ها مي‌شناسيم، مواد سمي بر پايه سرب يا پليمر‌ها هستند، به اين معني که سازگار با محيط زيست و بدن انسان نيستند. با اين حال، مواد جديد ما کاملاً بيولوژيکي است و براي استفاده در بدن مناسب هستند. به عنوان مثال، دستگاهي که از اين مواد ساخته شده است ممکن است جايگزين باتري شود که براي ايمپلنت‌ها مانند ضربان ساز‌هاي قلب انرژي تأمين مي‌کند. هرچند بايد هر از گاهي تعويض شود. حرکات بدن مانند ضربان قلب، حرکات فک، حرکات روده يا هر حرکت ديگري که به طور منظم در بدن اتفاق مي‌افتد، دستگاه را با برق شارژ مي‌ کند و پيوند را فعال مي‌ سازند.»

تمرکز فعلي گروه تحقيقاتي دکتر گازيت بر روي توليد تجهيزات پزشکي است، اما او تأکيد مي‌ کند که «مواد پيزوالکتريک سازگار با محيط زيست، مانند آنچه ما توليد کرده‌ايم، در طيف گسترده‌اي از مناطق پتانسيل فوق العاده‌اي دارند، زيرا آن‌ ها با استفاده از نيروي مکانيکي که در حال توليد است، انرژي سبز توليد مي‌کنند. به هر حال استفاده مي‌شود به عنوان مثال، اتومبيلي که در خيابان رانندگي مي‌کند مي‌تواند چراغ‌هاي خيابان را روشن کند. اين مواد همچنين ممکن است جايگزين مواد پيزوالکتريک حاوي سرب شوند که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار مي‌ گيرند و نگراني در مورد نشت فلزات سمي به محيط را افزايش مي‌ دهد.»