أثر المتحولين المُنَطَّرين على تطوير الأجهزة الطبية التي يمكن تخطيطها

العلاج في الوقت الحقيقي

وتستجيب المترجمات المصغرة بسرعة للتغييرات الفيزيولوجية بسبب انخفاض مستوى اتصالها بالأنسجة، وهذه السرعة أساسية للزراعة المغلقة (المتحكمة في الإفراط) التي تكيف العلاج تلقائيا، وعلى سبيل المثال، يمكن لمستشعر الضغط المصغر في مضخة مخدرات غير قابلة للزراعة أن يكشف عن انخفاضات الضغط ويزيد فورا من تسليم الأدوية ويضع آليات محلية طبيعية مصغرة.

الابتكارات التكنولوجية التي تؤدي إلى تقلص

وقد جعلت عدة تكنولوجيات متبادلة من واقعها تقليلاً إلى أدنى حد، ففهم هذه الابتكارات يساعد على تفسير سرعة التقدم.

النظم الكهرومغناطيسية الدقيقة

MEMS is the cornerstone technology for miniaturized transducers. Using photolithography and etching techniques derived from the semiconductor industry, MEMS fabricators can create smallميكانيكيal structures on silicon wafers. Common MEMS pressure sensors consist of a little silicon diaphragm that deflects under applied pressure, changing capacitance or resistance.

المواد النانوية والإلكترونيات المرنة

(ب) إن المتحولين التقليديين [المتمركزين مباشرةً] مُتشددين ويمكن أن يسببوا انحرافات ميكانيكية مع أنسجة نابية، وقد تحول الباحثون إلى مواد نانوية مثل نانووبات الكربون والغرافين والنانوويات، وهذه المواد لها خصائص كهربية وميكانيكية استثنائية في النطاق النانوقي، مقترنة بأجهزة فرعية مرنة متعددة الظواهر (مثل، البلورين، وجهاز PDMS، وبوليميت)

الطباعة والتصنيع الدقيق

كما أن تقنيات التصنيع الاصطناعي، بما في ذلك البوليمر من فصين إلى صوتين وتصوير النيوترولي، تتيح الآن إنشاء هياكل للمنتجين الثلاثة الأبعاد ذات حل دون ميكرون، مما يتيح استخدام تكنولوجيات معقدة تُحدّد الحساسية المثلى وتخفض الضوضاء وتحسن الوصلات البينية السوائل، وعلى سبيل المثال، يمكن للصفوف المجهرية ذات الطباعة 3D أن تصل دون ألم إلى السائل المتداخل بين الدونات لرصد احتيا.

السلطة اللاسلكية ونقل البيانات

(ج) أن تكون أجهزة التحويل المصغرة ذات استخدام محدود إذا كانت بحاجة إلى أسلاك للاتصال، كما أن التقدم المحرز في الاتصالات القريبة من الحقول، وبطاقات الطاقة المنخفضة، وأجهزة القياس عن بعد الموجات فوق الصوتية قد مكّنت من الزرع اللاسلكي بالكامل، كما أن بعض المترجمين يتضمّنون تكنولوجيا نقل سلكية، بمعنى أنه يمكن قراءتها بدون بطارية داخلية، مما يقلل حجمها ويزيل الحاجة إلى استبدال البطاريات الجراحية.

الأثر على الأجهزة الطبية المحددة التي يمكن تخطيطها

وقد أدى دمج مترجمين مصغرين إلى ثورة مجموعة واسعة من الأجهزة المزروعة، فيما يلي أمثلة رئيسية.

Cardiac Implants: Pacemakers and Defibrillators

ويستخدم مُعدّو الوتيرة المُحدّدون مُقلّداً للضغط والحركة لتكييف معدل القلب آلياً على مستوى النشاط، ويُزرع مُعدّلون لا يملكون القدرة على الحركة، مثل ميكروكات ميدترونيك ، ويُحدّدون من كبسولة فيتامينات كبيرة ويُزرعون مباشرة في البطاقات الأيمنية الأيمنية عن طريق برمجة الصنعة.

المرصد المستمر للغاز

وقد حولت تدابير مكافحة الاختلالات الرئوية، ولم تُجر إلا طلقات سريعة إلا في الاختبارات التقليدية للعصيان؛ وتوفر هذه التدابير تدفقاً مستمراً للبيانات، وتستخدم تدابير الحرق الحديثة مُحدثة لتصنيع الصبغة الكهروكيميائية (مجسّس مُحدّد على أساس التكافل) يوضع تحت الجلد.

المنشطون العصبيون وقطع الأنظار

يمكن أن تؤدي عمليات التحفيز العميقة في الدماغ إلى استخدامات " باركينسون " (DBS) في مجال الاتصالات (DBS) إلى 817؛ وتعاطي الأمراض والأوبئة إلى توليد الكهرومغناطيسي الذي يوصل النبض إلى مناطق معينة من الدماغ.

Cochlear Implants and Hearing Aids

وتستخدم الزراعات الكشليلية مجموعة من الكهرباء (المنتجين الميكانيكيين) لتحفيز الأعصاب في مراجعة الحسابات، وقد أتاح التصغير لهذه الصفائف الكهرومغناطيسية أن تكون أكثر مرونة وحزما، وأن تحسن في حل الترددات، كما أن النماذج المتقدمة تتضمن الآن مترجمين فائقيي الفطائر يحولون الضغط الصوتي إلى إشارات كهربائية ذات تشوهات طفيفة، مما يتيح سمعا أفضل في بيئات النكهة.

مضخات المخدرات غير المزروعة

وتعتمد مضخات المخدرات القابلة للبرمجة للألم المزمن أو العلاج الكيميائي على مترجمي الضغط والتدفقات لإلقاء جرعات دقيقة، مما يتيح للمتحولين المصابين بمرض مصغر أن تكون هذه المضخات أصغر، مع تحسين مراقبة التغذية المرتدة، وتستخدم بعض التصميمات جهازا مصغرا يقوده مصمم للنظم البيئية المتعددة، مما يسمح بتسليم المخدرات في مضخات النانيات، مما يقلل من الآثار الجانبية ويطيل العمر مقارنة بالنظم القديمة.

التحديات والحدود

ورغم وعدهم، يواجه المترجمون المصغرون عقبات عديدة يجب التغلب عليها من أجل انتشار التبني السريري.

التكافؤ البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل

وأي مواد أجنبية تزرع في الجسم تحفز استجابة أجنبية من جانب الجسم، بما في ذلك التهاب، والنسيج، والاختناق، والمنتجات المصغرة معرضة بشكل خاص للتكديس لأن حجمها الصغير لا يترك هامشاً للخطأ، ويمكن للاختراق أن يعزل جهاز الاستشعار عن البيئة الفيزيولوجية، ونوعية الإشارة المهينة، ويستكشف الباحثون مواد غير قابلة للتنافس البيولوجي (مثلاً، مادة الفول المي).

الطاقة وتعبئة الطاقة

وفي حين أن العناصر المصغرة تقلل من الطاقة، فإن النظام العام لا يزال يتطلب الطاقة، فالبطاريات كبيرة نسبياً وتحد من درجة التصغير، كما أن جني الطاقة من حرارة الجسم (الكهرباء الحرارية)، أو الحركة (الكهرباء الحيوانية)، أو ردود الفعل الكيميائية الأحيائية (خلايا الوقود الأحيائي) لا تزال غير فعالة على النطاقات الصغيرة اللازمة للزراعة، كما أن تخزين الطاقة المحصولة في أجهزة البحث الصغيرة الحجم هو مجال نشط.

نقل البيانات والأمن

ويتطلب الاتصال اللاسلكي بالمنتجات المصغرة تصميماً لهائياً يناسب بصمة صغيرة مع الحفاظ على نطاق كاف، كما أن الهوائيات العالية التردد (مثلاً، النطاق الترددي 2.4 GHz) تتسم بالكفاءة، ولكن يمكن استيعابها بواسطة أنسجة الجسم، كما يجب حماية الهوائيات القابلة للزراعة من التدخل الكهرومغناطيسي الأدنى.

التصنيع والتكلفة

ومن الصعب إنتاج مترجمين مصغرين ذوي غلة عالية وقابلية للتكرار، إذ يتطلب تركيب نظام الرصد المتعدد الأطراف مرافق للغرفة النظيفة ومعدات متخصصة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكلفة، إذ أن بعض التطبيقات، مثل البرمجيات التشخيصية ذات الاستخدام الواحد، يجب أن تكون تكلفة الوحدة الواحدة منخفضة بما يكفي لجعل الجهاز قابلاً للاستمرار اقتصادياً، كما أن التقدم في التغليف على نطاق الترددات وتجمعات الـ 3 دال يساعد على تخفيض هذه التكاليف.

الاتجاهات المستقبلية

إن مسار المترجمين المصغرين يشير إلى زيادة التكامل والاستخبارات، كما أن هناك عدة اتجاهات ناشئة.

مُنتجات قابلة للتداول

وقد قام باحثون في مؤسسات مثل Northwestern University] بتطوير أجهزة إلكترونية عابرة تُحل بشكل غير مؤذي في الجسم بعد فترة محددة، ويمكن للمنتجين البيوتيين رصد العلاج بعد الجراحة (مثل الضغط، درجة الحرارة، الصحة) ثم تختفي، مما يزيل الحاجة إلى إجراء عملية إزالة ثانية، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للرصد المؤقت في حالات الإصابة.

نظم مستقلة ذاتية مغلقة

وستجمع أجهزة التبريد في المستقبل بين مترجمين مصغرين ومجهزين للتعلم الآلي على متن السفينة من أجل إيجاد مزروعات مستقلة حقيقية، مثلا، يمكن لمضخة إنسولين قابلة للزراعة أن تستخدم مضخة غلوكوز، ومجس نشاط، ومجس هرمونات لحساب الجرعة المطلوبة وتسليمها دون أي مدخلات من المستعملين، وتسمى هذه النظم أحيانا " 820 " ، و " اختبارات البكرياس " .

مترجمون من طراز Nanoscale لعلاج الجينات والخلية

وعلى الحدود، يمكن للمترجمين النانويين (مثل مترجمي النانووب الكربوني الميدانيين) اكتشاف جزيئات واحدة مثل البروتينات أو حمض النواة، ويمكن للأجهزة المزروعة بهذه المحركات رصد العلامات الأحيائية لتكرار السرطان أو رفض الأعضاء مع مراعاة الحساسية، مع وجود أجهزة مدمجة تستخدم فيها أجهزة المستودعات المستخدمة في تعاطي المخدرات، أن توفرها على مستوى الجزيء.

التكامل مع المشابك المُتَبَعَة وشبكة الإنترنت

وسيتواصل مترجمو المواد المصغرة في الزرع بصورة متزايدة مع الأجهزة القابلة للارتداء ومنابر قائمة على الغيوم، مما يتيح الرصد المستمر عن بعد، والتنبيهات في الوقت الحقيقي، ومحللات البيانات الواسعة النطاق لصحة السكان.

خاتمة

ومن خلال تمكين المترجمين المصغرين من التكاثر، فإنهم لم يحسنوا نتائج المرضى، ووسعوا نطاق الظروف المعالجة، وفتحوا الأبواب أمام طرائق علاجية جديدة تماما، ومن خلال أجهزة الاستشعار التي تعمل بالضغط التي تستخدمها وزارة الصحة في أجهزة التسارع التي لا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية، ومن خلال أجهزة الكشف عن الأمراض التي لا تعمل في المستقبل، فإن المواد التي لا تُعالج إلا في المستقبل، تؤدي إلى الحد الأدنى من المواد التي تُستخدم في أجهزة الكشف عن الأمراض.