Table of Contents

تطور حركة كاردياك: الانتقال إلى أبعد من البطاريات التقليدية

صانعو القلب كانوا حجر الزاوية في الطب القلبي الوعائي لعقود، حيث أول جهاز مُشغّل يعود إلى عام 1958، يعتمدون على البطاريات الليثيوم - اليودينية التي عادة ما تستمر 5 إلى 10 سنوات، ويزيدون من البدائل الجراحية الدورية، وتتحمل عمليات الاستبدال هذه مخاطر مثل العدوى، والنزيف، وتشويش الرصاص، ويسهمون في زيادة تكاليف الرعاية الصحية.

وقد أتاحت التطورات الأخيرة في تكنولوجيات جمع الطاقة إمكانية زرع الطاقة بدون بطاريات ذات حجم كبير أو محدود، ومن خلال تحويل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية أو الكهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية، توفر هذه النظم حلا مستداما يمكن أن يكون خاليا من الصيانة لإدارة الإيقاع القلبي، وتستكشف هذه المادة التكنولوجيات الرئيسية، والفوائد السريرية، والتحديات المستمرة، والاتجاهات المستقبلية لصانعي البطاريات الخالية من البطاريات.

ما هو الصانعون الجازيون المجانيون؟

إن أجهزة التحكم في القلبية التي لا تحتوي على بطارية أولية تقليدية، بل تعتمد على نظم جمع الطاقة التي تلتقط طاقة مائية من الجسم أو من أجهزة الإرسال الخارجية، وتُستخدم الطاقة المحصولة على الفور لتسليم نبضات سريعة أو تخزن في أجهزة خارقة صغيرة أو بطاريات ذات مصب رفيع يمكن شحنها لاستخدامها في وقت لاحق.

إن مفهوم الزرع المزود بالطاقة غير جديد؛ فالأجهزة التجريبية المبكرة في الستينات استكشفت المولدات الفائقة الفطائر، إلا أنها حققت في العقد الماضي تقدما في الأجهزة الإلكترونية المنخفضة الطاقة، وتحول الطاقة بكفاءة، وتدنية المكونات التي تجعل من البطاريات الخالية من البطاريات قابلة للاستمرار، وكثيرا ما تم اختبار نماذج متعددة في نماذج الحيوانات وفي التجارب البشرية المبكرة، مما يدل على أن استمرار التحول من الطاقة المحصولة هو من صنع شيقي.

العناصر الرئيسية لصانع بطاريات خالي من القاذورات

  • Energy harvester] - a transducer that converts body motion, heart contraction, heat, or external electromagnetic fields into electrical energy.
  • Power management circuit] — rectifies, regulates, and stores the harvested energy to meet the power demands of pacing (typically 1 - 10 miW).
  • Supercapacitor or little-film bat] -خزن مؤقت لتوفير طلقات من الطاقة للنبضات المباعدة بين فترات الدوام وتناول فترات تدني توافر الطاقة.
  • Pacing electrode and Sen electronics - تسليم المحاكاة الكهربائية إلى القلب الوميوكتيري واكتشاف نشاط القلب الأصيل.
  • Hermetic encapsulation] - biocompatible and corrosion-resistant housing that protects the tool from body liquids.

لم يوافق بعد على استخدام البطاريات على نطاق واسع، لكن العديد من مجموعات البحث والشركات تتقدم نحو التجارب التنظيمية، أكثر النهج نضجاً يستخدم حصاد الطاقة الفائقة السرعة من طلب القلب نفسه، كما يتبين من أجهزة مثل جهاز القلب ذات الطاقة الكهربائية الذاتية التي أبلغ عنها في عام 2019 .

Energy Harvesting Technologies in Use

ويجري حاليا التحقيق في طرائق متعددة لجمع الطاقة من أجل صانعي البطاريات الخالية من البطاريات، ويعتمد اختيار التكنولوجيا على الموقع المزروع، ومستوى الطاقة اللازم، والنشاط المريض، والموثوقية الطويلة الأجل، ويقلل ذلك من أهم الطرق الواعدة.

Piezoelectric Energy Harvesting

وتولد المواد الكهربية في بيزويليك شحنة كهربائية عندما تُشوه آلياً، وفي سياق جهاز كهرباء، يربط الحصاد بعضلات القلب (أيبيكارديوم) أو يُدمج في مسكن الأجهزة، وتنتج كل نبضة قلب سلالة تبلغ نحو 5 إلى 20 في المائة على الجدار البوليستري، مما يخلق طفرة يمكن تصحيحها وتخزينها.

وقد أبلغ الباحثون في جامعة واشنطن وغيرهم عن نماذج أولية تولد ما يصل إلى 10 ميكروغرامات من البطاقات القلبية العادية، بما يكفي لتلبية متطلبات المباعدة بين الولادات، وأظهرت دراسة أجريت في عام 2022 وجود جهاز موصل للبطاقات الفائقة الارتدادية يعمل بشكل كامل ويحافظ على المباعدة بين الولادات في نماذج الخنازير لمدة تزيد على شهرين دون طاقة خارجية، وحققت هذه الأداة كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 80 في المائة ولم تعطل وظيفة القلب.

مولدات كهربائية حرارية

وتستغل المولدات الكهربائية الحرارية أثر سيبيك، مما ينتج عنه تطاير من درجة الحرارة بين نواة الجسم )٣٧ درجة مئوية( والبيئة دون المدارية أو الوبائية )٢٣-٣٥ درجة مئوية( وقد يؤدي هذا التدرج وحده إلى توليد مواد متقدمة صغيرة - ٥ درجة مئوية مثل سرعة التسارع في الجسم ودرجة الارتفاع العالية من النسيج.

وقد وصفت دراسة أجريت في عام 2020 في مواد الطاقة المسلَّحة ] مولداً مرناً لبطاقات حرارة السائلة على الجلد الذي ينتج 6 ميكروغرام/كميل2، بما يكفي لتوليد الطاقة الكهربائية، ويعمل الباحثون الآن على تركيبات للأشعة المقطعية التي يمكن أن تُصب مباشرة في القلب، مما يُحدث فرقاً في درجات الحرارة بين السوائل.

التحويل الاسترشادي للطاقة الكهربائية

وتستخدم التصادم المولدات الكهربائية أداة نقل خارجية لخلق حقل مغناطيسي يحفز حالياً على التسلّم داخل الزرع، وهذه التكنولوجيا تستخدم بالفعل في أجهزة الوصل الجاهزة ومراقبات القلب، وفي سياق خال من البطاريات، توفر الوحدة الخارجية (مثلاً، أو جهاز شحن مزود ببطارية صغيرة) قدرة مستمرة أو متقطعة على الزرع عبر مخزن قريب.

وتتمثل الميزة الرئيسية في القدرة على توفير مستويات عالية من الطاقة (المياه) بأمان، وضمان فترات زمنية موثوقة حتى خلال فترات الحكم المرتفع، والجانب السلبي هو ضرورة أن يرتدي المريض أو ينسق بصورة دورية الشاحن الخارجي، مع الحد من الملاءمة، واستخدام النظم الجديدة للتكافل التكييفي للتكييف تلقائياً لحركة المرضى وسوء السلوك، وتحقيق الكفاءة التي تتجاوز 70 في المائة.

Electromagnetic and Motion-Based Harvesters

وبالإضافة إلى أساليب الفطائر والكهرباء الحرارية، تستخدم بعض التصميمات مولدات كهربائية تتكون من مغناطيسية وفولاذية تنقل فيما بينها بسبب حركة الجسم أو انكماش القلب، وتنتج هذه المولدات تيارات أعلى من أجهزة فطيرة الفطائر ولكنها عادة أكثر تضخما وتتطلب تجمعا دقيقا، كما تم استكشاف الحوادث من حركة المصادر الديباغية أثناء التنفس، كما تم استكشافها.

المزايا والأثر السريري لصانعي السلام الذين يستغلون الطاقة

ويتيح التحول إلى تكنولوجيا خالية من البطاريات فوائد تحولية للمرضى والمستوصفين ونظم الرعاية الصحية.

القضاء على جراحات استبدال البطاريات

وبالنسبة للعديد من المرضى، تؤدي الحاجة إلى تغييرات متعددة في البطاريات على مدى حياتهم إلى مخاطر جراحية تراكمية، وزيادة الزيارات إلى المستشفيات، وارتفاع التكاليف، ويمكن نظرياً أن يعمل مسرعو جمع الطاقة إلى أجل غير مسمى، طالما توافرت مصادر الطاقة وما زالت عناصر الأجهزة تعمل، وهذا يعود بالفائدة بوجه خاص على المرضى الأصغر سناً الذين قد يحتاجون إلى عقود من العلاج بالمباعدة بين الولادات، حيث أنهم سيتجنبون حدوث تغييرات متعددة في المولدات.

صغر حجم الأجهزة وتحسين إمكانية التناظر البيولوجي

إن إزالة البطارية تتيح زرعا أصغر بكثير، ويمكن جعل مسرعات العجلات غير الماهرة، التي هي أصغر من التقليدية، أكثر تماسكا، كما أن جهازا أصغر يقلل من خطر الإصابة بالجيب والتحات والارتباك، كما أنه يتيح مواقع زرع جديدة، مثل مواقع التوليد مباشرة على المهد أو داخل الخطايا الافتراضية، مما يمكن أن يؤدي إلى تحسين فعالية السلام.

المنافع البيئية والاقتصادية

وتواجه المستشفيات ونظم الرعاية الصحية تكاليف مرتفعة لإجراءات استبدال أجهزة القلب تقدر بمبلغ ٠٠٠ ١٥ دولار - ٠٠٠ ٣٠ دولار لكل عملية جراحية في الولايات المتحدة، وبإلغاء هذه الإجراءات، يمكن أن توفر الأجهزة الخالية من البطاريات بلايين الدولارات سنويا، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تخفيض عدد البطاريات المنفقة يقلل من النفايات الإلكترونية والأعباء البيئية لإنتاج البطاريات والتخلص منها.

السلطة المستمرة والتخصصات الذكية

كما يمكن أن تدعم الأجهزة الخالية من البطاريات السمات المتقدمة مثل الرصد عن بعد، والتسارع المستجيب للمعدلات، والمباعدة بين المواقع المتعددة دون شواغل بشأن نضوب البطاريات، ولأنها قادرة باستمرار على الحفاظ على الاستشعار عن بعد وعلى القياس عن بعد، وتحسين الكشف عن الاضطرابات النفسية والعلاج الأمثل، بل إن بعض التصميمات تتضمن تخزينا للطاقة يسمح للجهاز بمواصلة العمل خلال فترات الحد من الحصاد (مثلا، مثلا).

التحديات التقنية والعيادية

ورغم الوعد، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن يصبح مسرعو البطاريات خالي من البطاريات معيارا للرعاية.

إمدادات الطاقة المتقطعة والمتغيرة

ولا توفر الهيئة البشرية مصدرا ثابتا للطاقة، وتتفاوت حركة القلب مع مستوى النشاط والعمر والمرض؛ وتغيب حركة الجسم أثناء النوم؛ ويمكن أن تنخفض مستويات الطاقة الحرارية في ظروف معينة، وضمان أن يكون الجهاز قادرا على إيصال ناتج المباعدة بين الولادات (حتى أثناء حلقات من الحملات القلبية أو السكتة القلبية) يتطلب إدارة متطورة للطاقة، وتخزينها بقوة، وآليات إبطالها.

التكافؤ البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل

ويجب أن يظل محصولو الطاقة غير المرئية عاملا وغير سمي لسنوات في بيئة الجسم القاسية، وقد تتحلل المواد البيزائية بمرور الوقت بسبب الدهون الميكانيكية أو الدخان السائلي للجسد، وتثير المواد الحرارية التي تحتوي على عناصر نادرة مثل البسكويت أو الدوارة شواغل بشأن السمية إذا ما كان الجهاز يتحاشى، وقد ثبت أن الانقلابات مع مصانعي المد والنسيجات ذات العجلات التقليدية أكثر فعالية

مقايضة القوة والكفاءة

فالقوة التي تستهلكها صانعة واطارات - حتى ولو كانت حديثة ذات مستويات عالية من الطاقة - تتراوح بين ٥ و ٢٠ ميكروواط و ٢٠ ميغاواط حسب معدل المباعدة والملامح، وفي حين أن أحدث المستخلصات يمكن أن تولد هذا المبلغ، فإن كفاءة التحويل )التي تصل في الغالب إلى ٥٠-٨٠ في المائة( والحاجة إلى إعادة تأهيل وتخزين الطاقة الصالحة للاستخدام، فإن العديد من النماذج الأولية لا تزال تحتاج إلى زيادة في مصادر ثانوية.

المحاكمات التنظيمية والجنائية

ومن بين أجهزة الوصل الخالية من البطاريات أجهزة طبية من الدرجة الثالثة يجب أن تخضع لفحص دقيق للسلامة والفعالية، ومن ثم يلزم إجراء دراسات حيوانية طويلة الأجل، ثم إجراء تجارب بشرية لتقييم أداء الأجهزة، والقابلية للتطابق البيولوجي، ومعدل الأحداث الضارة مثل العدوى، أو الفشل في الرصاص، أو التلف في الأنسجة، وحتى الآن، لم تدخل سوى حفنة من نماذج التبديل الخالية من البطاريات في دراسات على مستوى الإنسان.

Recent Research and Future Directions

ويتقدم ميدان جمع الطاقة من أجل زرع القلب بسرعة، مدفوعاً بتقدم في علوم المواد، والكهرباء المجهرية، ونقل الطاقة اللاسلكية.

مواد Piezoelectric متقدمة

الباحثون يطورون مواد جديدة في مجال الفطائر تكون ذات كفاءة عالية ومنافسة بيولوجية، وتيتانات الباريوم (BaTiO3) نانويات مدمجة في مصفوفة مرنة متعددة المقاييس تظهر وعداً، كما تظهر نواة الصوديوم الخالية من الرصاص، ويمكن لهذه المواد أن تنتج فولتات تصل إلى 10 V من مشروع " البطاقات الخفية " (21).

نقل السلطة اللاسلكية مع شبكة Ultrawide

ويُنشأ الشحنات المُدخلة بشكل جيد، ولكن الباحثين يستكشفون النطاق الترددي فوق النطاق (UWB) ونقل الطاقة اللاسلكية في منتصف الحقل التي يمكن أن توفر الطاقة بأعماق أكبر مع تقلب تدفئة الأنسجة، وتستخدم هذه التقنيات صفائف مرحلية من الهوائيات الخارجية لتركيز الطاقة الكهرمغنطية على جهاز استقبال صغير داخل الجسم، وقد أظهرت تجربة إثباتية مُنشَرة في عام 2023 أن نظاماً قادراً على توليد الطاقة الكهربائية

التكامل مع تخزين الطاقة

ولمعالجة تداخل القوى، تتضمن تصميمات الجيل القادم البطاريات المصغرة الصلبة أو المكثفات التي يتم إنتاجها من الغرافيني أو نانووبات الكربون، ويمكن لهذه المكونات أن تشحن وتفرغ بسرعة، وأن تتسامح مع آلاف الدورات، وأن تكون رقيقة بما يكفي للارتقاء بجهاز لا الرصاص، وبعض المفاهيم تستخدم المكثف كعازف يخزن الطاقة خلال فترات النشاط العالية ويطلقها أثناء إمدادات منخفضة النشاط.

ألعاب نارية مغلقة

ويمكن للأجهزة الخلوية أن تعدل بارامترات التباعد بين المباعدة بين المباعدة بين المباعدة بين الاستعمالات وإدارة الطاقة استنادا إلى بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، وعلى سبيل المثال، إذا انخفضت حركة القلب أثناء النوم، يمكن للجهاز أن يقلل من معدل المباعدة أو التحول إلى أسلوب استشعار منخفض القدرة، ويمكن استخدام التعلم الآلات للتنبؤ بتوافر الطاقة وتحقيق الكفاءة المثلى في جمعها، وتضع بعض أفرقة البحث حدا أدنى من منطق التحكم التكييفي مباشرة على الناقلل.

الجمع بين تسخير الطاقة والاستشعار الكيميائي الحيوي

فبعد فترة التهدئة، يمكن للمنصات الخالية من البطاريات أن تدمج أجهزة الاستشعار للعلامات البيولوجية مثل البوتاسيوم أو الصنع أو الصحة، مما سيمكن من الرصد المستمر لحالة القلب الأيضية والكشف المبكر عن اختلالات الكيمياء أو الخلل الكهربائي، ولا تزال قوى الطاقة المجمدة تشكل أجهزة الاستشعار والمرسل اللاسلكية، مما يؤدي إلى ظهور مرحلة تشخيصية وعلاجية مستقلة تماما.

خاتمة

إن تسارع استخدام الطاقة في استخدام الطاقة، وتحول الطاقة في مراحل إنتاج الطاقة، وتحولها إلى نظام غير قابل للاستمرار، وإلغاء الاعتماد على البطاريات المحدودة، وقطع هذه الأجهزة على طريق خفض التدخلات الجراحية، وتحسين راحة المرضى، وانخفاض تكاليف الرعاية الصحية، ولئن كانت التحديات الكبيرة لا تزال قائمة في ضمان القدرة الموثوقة في ظل جميع الظروف الفيزيائية، والوفاء بالنموذج التنظيمي - فإن قوة الدفع التي تولدها البحوث والتأشيرات هي تحديات قوية.

For further reading, consult primary literature such as the 2019 prototype in ]Nature] and the 2021 flexible harvester study. Clinicians and researchers interested in the field should follow the work of the [FT7]