وقد أدى التقدم في علم الأعصاب والهندسة الطبية البيولوجية إلى تطوير أجهزة استشعار قابلة للتنافس البيولوجي مصممة للرصد الطويل الأجل لنشاط الدماغ، وتهدف هذه الأجهزة الارتجالية إلى توفير تسجيلات عصبية مستمرة عالية الجودة مع التقليل إلى أدنى حد من الأضرار التي لحقت بالأنسجة والاستجابات المزمنة من المناعة، ولا يزال تحقيق أداء مستقر وموثوق به على مدى أشهر أو سنوات هدفا حاسما لتطبيقات تتراوح بين إدارة الأوبئة وبين الوصلات البينية المتطورة.

الحاجة إلى أجهزة الاستشعار المتوافقة بيولوجيا في رصد زراعة الدماغ

إن زرع الدماغ - الذي يوضع على النسيج العصبي أو داخله - يستخدم لتسجيل الإشارات الكهربائية أو التلقيح أو معالجة العلاجات، كما أن أجهزة الاستشعار التقليدية، التي كثيرا ما تستند إلى مواد صلبة مثل السيليكون أو الفلزات، قد أظهرت قيودا كبيرة، فالخطأ الميكانيكي بين النسيج المكبوت والناعم يؤدي إلى التكاثر والارتطام المزمن.

وتشمل سلسلة التعاقب المناعي التي تولدت عن طريق الزرع التقليدي تفعيل الميكروجيا والستروائيات، وإطلاق الأسطوانات المسببة للإصابة، والتشكيل النهائي لغطاء غليائي كثيف، ويمكن لهذه العملية أن تبدأ في غضون أيام وتزداد سوءا على مدى أسابيع، وتخفف بشدة من حدة الإشارات الميكانيكية، وتزيد من الارتداد، علاوة على ذلك، قد تتعرض الخانات التي تُعدّل في الدماغية الدموية للخس.

المواد الرئيسية التي يمكن تحقيق التوافق البيولوجي

إن اختيار المواد هو حجر الزاوية في تطوير أجهزة الاستشعار المتوافقة بيولوجياً، وقد استطلع الباحثون مجموعة من المواد، حيث يعرض كل منها مبادلات متمايزة بين الأداء الكهربائي والامتثال الميكانيكي وعدم التعرض للإصابة البيولوجية.

المواد السيليكونية والحدود المفروضة عليها

ولا يزال السيليكون هو مجموعة العمل من الوصلات الدقيقة بسبب عمليات الصنع الراسخة والخصائص شبه الموصلية الممتازة، غير أن السيليكون البلوري هو أوامر أكثر تضخما من أنسجة الدماغ (الطريقة التي يستخدمها الشباب - 170 غيغابا ضد - 1-10 كيلوبايا) ويزيد من حدة " النسيج الحساس " الأجنبي.

Polymer Coatings: Parylene and PDMS

ويحسن حساسات التعبئة ببوليمرات إمكانية التطابق البيولوجي بتقديم واجهة أكثر مرونة، وقد يُستخدم على نطاق واسع في دراسات البوليمرات الكيميائية، ودراسات البوليدل المحتوية على مواد الكيمائية العالية، ومقاومة الكيمياء، وقابلية الاختلال في الماء المنخفضة، ويقلل من تكاثر النسيج في النسيج، ويُعتمد في شكل مبيدات طويلة الأجل في أجهزة طبية أخرى.

Hydrogels

وتسمح الهدروجيلات - شبكات البوليمر المتقاطعة التي تحتوي على محتوى مائي مرتفع - بإتاحة فرصة فريدة لتكرار الخصائص الميكانيكية والكيميائية الحيوية للأنسجة الدماغية، وتشمل المحركات الهيدروجينية المتطورة العناصر النشطة كهربائيا مثل نانووبات الكربون أو البوليميرات المسببة للاضطرابات (مثلا، PEDOT:PSS) وتظهر هذه المواد ندرة في الأنسجة التراكمية في الكيمائية، مما يؤدي إلى الحد الأدنى.

Emerging Nanomaterials

وتُدخل المواد النانوية مثل الغرافيني، ونوبات الكربون، وسادس المنبوذات في المنديل الخماسي، خصائص لا يمكن استدامتها في شكل عظمي، مثل الكولود الخامات ذات الصبغة الذرية والمرنة والسلوكية العالية، ويمكن تشغيل سطحها للحد من الامتصاص البروتيني وتشجيع الارتباط العصبي.

استراتيجيات تصميم الأداء الطويل الأجل

وفيما عدا المواد، يحدد التصميم العام لنظام زرع الأعضاء أداءه المزمن، وتشمل الاعتبارات الرئيسية الأبعاد المادية، والامتثال الميكانيكي، ومقاومة التعبئة البيولوجية، والقدرة على الاتصال بالنظم الخارجية دون أن تُربص المريض.

التصغير والإلكترونيات المرنة

إن تخفيض البصمات الزرعية هو استراتيجية مباشرة لتخفيف تشرد الأنسجة، إذ أن تقنيات التكاثر المصغر الحديثة تسمح بتناول الديارات الكهربائية دون 10 ميكروغرامات وبسمك الشقوق لعدد قليل من الميكرويين، وتسمح بإضافة أجهزة مرنة متوافقة مع البوليمير أو البلوريات السائلة، وتسمح " نورو بيكسيل " ، وتمث ِّل نظماً متزامنةًاًاًاًاًاًاًا.

الإلكترونيات الثابتة

The brain is not static; it moves due to respiration, cardiac pulsation, and head motion. Stretchable electronics, built on elastic substrates with serpentine interconnects, can accommodate such movement without delamination or fracture. Researchers have developed “mesh electronics” where conductive tracks are configured as wavy leverageons that and contract like springs.

منع التلوث والقاذورات البيولوجية

وتحتوي السوائل البيولوجية على بروتينات وخلايا يمكن أن تلتئم إلى أسطح أجهزة الاستشعار، وتشكل طبقة للتنقيب البيولوجي تزيد من نسبة الإشهار والتدهور إلى مستوى العلل، وتتسبب المعاطف المانعة للكشف عن البولي إيثيلين في الغدد الغليونية، وتعددية الدونات الازويترية، وأجهزة التغليف الهيدروفيلية في خفض إنتاج المواد الخبيثة غير المحددة.

الاتصالات اللاسلكية ونقل الطاقة

ويجب أن يتفادى الرصد الطويل الأجل الأسلاك القاطعة التي تستخدم كممرات للإصابة، وتعتمد النظم الجاهزة تماما على نقل البيانات اللاسلكية، وتستخدم عادة أجهزة التقلب المتحركة القريبة من الحقول، أو القياس عن بعد، أو الموجات فوق الصوتية، ويمكن أن تُسلَّم الطاقة دون هوادة أو تُحصَّل من حركة الجسم؛ وتُعدُّل النظم القائمة على استخدام الطاقة من الأنسجة الخارجية عبئاً جذاباً بوجه خاص بالنسبة إلى الحد الأدنى المستمر.

التحديات في تحقيق التوافق البيولوجي الطويل الأجل

ورغم التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك عقبات أساسية عديدة قبل أن يتم نشر أجهزة الاستشعار المتوافقة بيولوجيا على نطاق واسع في المرضى البشريين.

الاستجابة المحصنة وحملة غلال

وحتى مع أكثر المواد توافقا، فإن درجة من رد الفعل على الجسم الأجنبي أمر لا مفر منه، فالوجود المزمن لجهاز ما يغير البيئة المجهرية المحلية، وقد أظهر إطلاقات مجهرية نشطة للأكسجين الرجعي الذي يمكن أن يحلل البوليمرات وتتبعات المعادن الخ. وعلى مدى أشهر، شكل أشعة غليئية متعددة المستويات يصل إلى 50 مترا سميكة، مما أدى إلى عزل الكهروديس من الأعصاب الصحية.

قابلية الإشارة على مر الزمن

وقد ينجم هذا التدهور عن تحركات خفية في الزرع أو التهاب أو تدنيس الأعصاب القريبة، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث تغيرات في خط الأساس، أو إلى حدوث تغيرات في الازدحام، أو إلى حدوث تغيرات في العزلة، أو إلى فقدان وحدات واحدة يمكن تحديدها، ولكن الإبقاء على عزلة مستمرة على مدى سنوات لا تزال تشكل تحديا كبيرا للغاية في نظم العزل المغلقة التي تكيف معالمات الحفزية القائمة على الحياة الحقيقية.

الإمداد بالطاقة وتفكك الحرارة

وتهبط كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية بدرجة كبيرة مع العمق؛ وبالنسبة للزروعات العميقة في المخ، فإن من الضروري إعادة استخدام المواسير المتوسطة أو الأمواج الصوتية، بالإضافة إلى أن جميع المكونات الإلكترونية تولد الحرارة، بل وترتفع درجة الحرارة الصغيرة فوق درجة حرارة 1-2 درجة مئوية، ويمكن أن تلحق أضرارا بالزئبق العصبية، ويجب إدارة ميزانيات الطاقة بعناية، كما أن أجهزة جمع الطاقة الكهربائية ذات القدرة المنخفضة، والبروتوكولات اللاسلكية ذات الكفاءة في الطاقة هي أساسية.

الصناعات التحويلية والتنظيمية القابلة للتوسع

فالانتقال من نماذج البحوث إلى الأجهزة المعتمدة سريريا يتطلب عمليات تصنيع قابلة للتكاثر تستوفي معايير الجودة الصارمة، وقد تكون مواد واعدة كثيرة، مثل الهيدروجيلات العرفية أو المركب النانوي، تفتقر إلى سلاسل الإمداد القائمة، وقد تتطلب الهيئات التنظيمية اختبارا واسعا للقابلية للتنافس البيولوجي (ISO 10993) ودراسات طويلة الأجل لبناء الحيوانات، وكثيرا ما تتجاوز التكلفة والإطار الزمني لهذه الموافقات عقدا.

التطبيقات السريرية والتأثيرات

ويمكن أن تفتح أجهزة الاستشعار القابلة للاختراق البيولوجي الباب لرصد مجموعة واسعة من اضطرابات الدماغ، وفي حالة الإصابة بالصدمات الكهربائية المزمنة )الجماعة الأوروبية( يمكن أن تسجل من مناطق قروية كبيرة، واكتشاف أنماط الاختلال التي تؤدي إلى تدخلات مغلقة أو تقديم الأدوية، وفي حالة مرض باركينسون، فإن الحفز العميق للدماغ )DBS( يعاد تصميمه مع التأثيرات الجانبية المتكاملة التي تتيح تكييفها

وإلى جانب الرصد العلاجي، فإن هذه أجهزة الاستشعار هي أدوات لا غنى عنها لبحوث علم الأعصاب، فهي تتيح دراسة نشاط الدماغ أثناء السلوك الطبيعي على مدى فترات زمنية لا يمكن أن تكون مجهزة بالتسجيلات الحادة، ويمكن للباحثين أن يحققوا في البلاستيك العصبي والتعلم وتقدُّم الأمراض العصبية في نماذج الحيوانات المتحركة بحرية، وستؤدي البصيرة المكتسبة إلى صقل البروتوكولات السريرية وتنوير أجهزة الجيل القادم.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

نظم مغلقة وقائمة على التكيف

وسيكون زرع الدماغ النهائي مستقلا تماما: إذ يمكن أن يكون له معنى وتفسير وتستجيب للنشاط العصبي في الوقت الحقيقي، كما أن نظما مغلقة ذات قاعات محاكاة تقوم على علامات بيولوجية مكتشفة موجودة بالفعل في الاختبارات السريرية لمرض مرض الصرع ومرض باركينسون، وستتضمن التصميمات المقبلة التعلم على الآلات لتصنيف الأنماط وتكييف البارامترات دون معدات خارجية.

مواد الصحة الذاتية

ويقوم الباحثون، الذين تلهم الأنسجة البيولوجية، بتطوير بوليمرات التعافي الذاتي التي يمكن أن تصلح المايكروكراكات أو الإنزال الناجم عن اللبس الميكانيكي أو التدهور الانزيمي، وعلى سبيل المثال، فإن السندات المتزامنة الدينامية أو التفاعلات فوق الترامية تسمح بإعادة تشكيل سلاسل البوليمر المكسورة، بينما يمكن للمسدسات ذاتية التلقيم أن تؤدي إلى إطالة عمر الوصلات المرنة والمراحل.

Long-Term in Vivo Testing

ولا يزال معيار الذهب للتحقق من التوافق البيولوجي يزرع في الحيوانات على المدى الطويل ويقلل من شأن الفيزيولوجيا البشرية، ويعرض البدائيات غير الإنسانية أكثر البرامج أهمية، ولكن القيود الأخلاقية والتكاليف تحد من استخدامها، كما أن المينيبيغات والقوارض التي تستخدم نماذج مناعة المعجلة توفر بدائل مفيدة، ومن الضروري الإبلاغ الموحد عن مؤشرات علم النفس، واستقرار الارتفاع، ونوعية الإشارات عبر نقاط الزمن لمقارنة تكنولوجيات الترجمة.

النظر إلى الرأس

إن تطوير أجهزة استشعار قابلة للتنافس البيولوجي لأغراض رصد زرع الدماغ في الأجل الطويل يمضي قدما بسرعة، ففرق متعددة التخصصات تجمع بين علم الأعصاب وعلم المواد والهندسة الكهربائية والتصنيع، تقدم أجهزة من الفضول المختبرية إلى الواقع السريري، وفي حين أن التحديات في مجال القمع المناعي وإدارة الطاقة واستقرار الإشارات، فإن كل تحسن تدريجي يزيد من الأفق الذي يمكن أن يحدثه العلاج.

For further reading on current breakthroughs, see the review by Chen et al. on flexible neural probes [2] and the development of injectable mesh electronics by Liu et al. 3]]. Additionally, the clinical trial registry at ClinicalTrials-gov.