غرافين كـ مواد لوضع قرارات مرنة الأجهزة الطبية

مقدمة: وعد غرافين في التصوير الطبي

إن التصوير الطبي هو أحد أهم ركائز التشخيص الحديثة، مما يمكّن العيادات من تصور الهياكل الداخلية واكتشاف الأمراض في المراحل المبكرة، ومع ذلك فإن أجهزة التصوير التقليدية - أي أجهزة الكشف بالأشعة السينية، أو أجهزة التصوير بالرنين المتعدد الوسائط، أو أجهزة التحويل فوق الصوتية - هي أيضاً مواد مرنة ومضنية، ومحدودة الحساسية.

مزيج غرافين الفريد من الممتلكات المادية يجعلها مناسبة بشكل استثنائي لتطبيقات التصوير فهم هذه الممتلكات أمر أساسي لتفهم كيف تترجم إلى أداء الأجهزة

السلوكيات الكهربائية الاستثنائية

ويظهر غرافين ارتفاعاً شديداً في حركة الكهرباء - حيث يبلغ عدد أجهزة الاستنشاق بـ 000 200 سم2/V - في درجة حرارة الغرفة في عينات من البذور، ويترجم ذلك إلى ضوضاء كهربائية منخفضة ونسب عالية من الإشارة إلى الأرقام، وكلتاهما حرجة في الكشف عن إشارات ضعيفة في أجهزة الاستشعار بالأشعة، وفي تطبيقات مثل أجهزة التصوير الضوئي أو أجهزة الاستشعار بالأشعة السينية، يمكن أن تحول قنوات السلوك المغناطيسية التقريبية إلى قنوات الإشعاعية بسرعة.

المرونة والقوى

وعلى الرغم من كونه مجرد ذرة سميكة، فإن الرسم البياني هو واحد من أقوى المواد التي تم قياسها على الإطلاق، حيث يتوفر لدى الشباب نموذج واحد من نوع TPa وقوام متأصل قرب ١٣٠ غيغا.

الشفافية البصرية

ولا تستوعب غرافين سوى نحو 2.3 في المائة من الضوء المرئي والشبه المرتد لكل طبقة، مما يجعلها شفافة تقريباً عبر نطاق واسع من الأطياف، وهذه الملكية قيمة بوجه خاص بالنسبة لنظم التصوير البصري، حيث يجب ألا تعوق المواد المستشعرة الطريق الخفيف، ويمكن إدماج غرابين كعنصر كهربي أو استشعار نشط في أجهزة مثل الازدحام الرجعي، والات البصرية للتصوير الفلوري.

الذروة

إن الغرافيني، بوصفه مادة ثنائية الأبعاد، له سميك فعال لا يتجاوز 0.34 نانوتر وهذا النحيل الشديد يمكن من تقليل حجم أجهزة التصوير، وتقليل الوزن والبصمة، وبالنسبة للتطبيقات القابلة للزراعة أو الارتطام، يعني جهازاً أرق أقل حساسية وأقل خطراً من تهيج الأنسجة، بالإضافة إلى أن المسافة القصيرة بين طبقة الاستشعار ومصدر الإشارة يمكن أن تحسن من الحلول المكانية في بعض الصور.

القدرة على تحقيق الاستقرار الكيميائي والتوافق البيولوجي

فالغرافين غير مصاب كيميائي في ظروف كثيرة ولا يتآكل بسهولة، وهو مفيد للزرع الطويل الأجل أو الاستخدام المتكرر، وفي حين أن الرسم الجيري البكري هو الهيدروفوبيك، فإن التشغيل السطحي يمكن أن يجعله مائيا ومتوافقاً مع البيئة، وقد أظهرت البحوث الجارية أن المواد التي تستند إلى الرسم البياني، عندما تكون متجانسة أو معدلة على الوجه الصحيح، يمكن أن تدعم نسيج الخلايا ونموها دون سمية كبيرة.

تطبيقات الأجهزة الطبية

وقد مك َّنت ممتلكات غرافين من عدة تطبيقات ابتكارية للتصوير تنتقل من مختبرات البحوث إلى نماذج طبية أولية، وفيما يلي بحثنا في المجالات الأكثر واعدة.

أجهزة الاستشعار المرنة للاتصال الموحّد

ويمكن أن تُصنع أجهزة الاستشعار التقليدية للتصوير على مضبوطات الصلصال الصلبة أو الزجاجية، وفي حين أن هذه المواد توفر أداء عاليا، فإنها لا يمكن أن تتوافق مع أسطح الجسم المكشوفة، ويمكن أن تُختلق أجهزة الاستشعار القائمة على التصفيق التي تستخدم في البوليميرات أو PET، مما يؤدي إلى أجهزة تتمسك بلطفا بالجلد أو حتى الأجهزة الداخلية.

كما أن الاتصال المطابق يعزز راحة المرضى، إذ كثيرا ما يتسبب جهاز الاستشعار الجامد على سطح الجسم المكشوف في نقاط ضغط ويتطلب سلالات أو حساسيات، ويوزع أجهزة الاستشعار المرنة القوة على نحو متساو، مما يجعل الإجراءات أقل إجهادا، ولا سيما بالنسبة للمرضى الأطفال أو المرضى الذين يعانون من حساسية إزاء عدم الارتياح.

مُنتقِبات عالية التوطُّن للتصوير باستخدام الجرعة السفلى

ومن أكثر مزايا الغرافيني إلحاحا قدرتها على العمل كجهاز كشف شديد الحساسية، مما قد يقلل من الإشعاع أو الجرعة الخفيفة المطلوبة لتشكيل صورة، وفي الدراسات السريرية، فإن أجهزة التصوير الضوئي التي تستخدم في الأشعة الغرافينية للضوء المرئي والمرتدب، قد أظهرت مسؤوليات تتجاوز 106 ألف/واو، وأوامر الحجم التي تزيد عن المسح الضوئي للأشعة السيليكونية التقليدية، والتي تجمع بين الكشف عن الأشعة السينية والأشعة المسماوية.

وعلاوة على ذلك، فإن الضوضاء الإلكترونية المنخفضة بطبيعتها، بسبب ارتفاع حركة الناقلات وانخفاض الفرز، تترجم إلى نسب أفضل من التناقض إلى الأرقام، ويمكن للمصابين بالعيادات أن يفرقوا بين الشذوذ الخفيف للأنسجة مثل التكريرات الدقيقة في الثدييات أو الأورام في المراحل المبكرة التي قد تفتقد إلى أجهزة الكشف الأقل حساسية.

أجهزة الرصد المربوطة والمستمرة

فالوزن الخفيف والمرونة والطابع الدائم للغرافيين يجعله مرشحا مثاليا لأجهزة التصوير القابلة للزراعة التي تسمح باستمرار الرصد الصحي خارج البيئات السريرية، مثلا، يمكن إدماج الصور التي تلتقطها صوراً شبه خاضعة للأشعة تحت الحمراء في رقعة ترصد النسيج أو التلقيح أو تدفق الدم في الوقت الحقيقي، ويمكن استخدام هذه الأجهزة في رعاية ثابتة للكشف عن أوجه النقص في عضلات الأشعة أو في الطب الرياضي.

ويمكن أيضاً أن تمتد الصور المرنة إلى رصد الدماغ، وقد استخدم الإلكتروديسات المرنة في أغطية الكهرباء لتوفير إشارة عالية الجودة في شكل مريح وغير متفشي، وفي حين أنه لا يمكن استخدام طريقة تصوير مباشرة، يمكن اعتبار EEG تقنية تصوير وظيفية؛ وقد تؤدي التحسينات في الأداء الكهرومغناطيسي للغرافيين إلى وضع خرائط مكانية أفضل لنشاط الأدمغة في المستقبل.

Multimodal Imaging Probes and Endoscopes

ونظرا لأن الرسم البياني ناشط كهربائيا وبصريا على السواء، فإنه يمكن أن يكون بمثابة منبر للتصوير المتعدد الوسائط يجمع، على سبيل المثال، التصوير البصري والتسجيل الكهربائي داخل جهاز واحد مصغر، ويظهر الأشعة الهضمية الثابتة للغاز في منطقة يمكن أن تكون فيها هذه الصور قابلة للتحول، وتكون الأنهار الحالية تركيبة ثابتة أو شبه ثابتة؛

المزايا على المواد التقليدية

ولا تكتفي غرافين بأداء المواد الموجودة؛ بل إنها تفوق أداءها من عدة جوانب، ولا سيما في سياق التصوير المرن والعالي الاستبانة.

المرونة القصوى والقدرة على التأقلم

فالسليكون، وهو المادة الغالبة للمستشعرات التلقيحية، هو في جوهره من الرشوة، ويشقق السيليكون عندما يتجه إلى التستر على ترتيب المترات، ويمكن أن يتجه غرافين، على النقيض من ذلك، إلى نصف قطرات قليلة دون ضرر هيكلي أو فقدان للأداء الكهربائي، مما يتيح لمزايا الجهاز التي ترتدى عوامل لا يمكن اختراقها بالسيلي، مثل صفائف التصويرية المرنة.

تعزيز الوعي والإنماء الأدنى

فالسليكون الفظيع التقليدي المستخدم في أجهزة الكشف بالأشعة السينية ذات النطاق الشقيق يتسم بانخفاض نسبي في حركة الناقلات )حوالي ١-١٠ سم2/V( ويسمح تنقل غرافين بأن تكون أعلى حجما، مما يؤدي إلى سرعة استخلاص الإشارات وضوضاء أقل، وفي تطبيقات المحاسبة الضوئية، يمكن للغرافيين أن يكشفوا عن صور فردية ذات كفاءة عالية، مما يتيح للأجهزة المستخدمة في الكشف عن الإشعاعات ذات الجودة الواسعة النطاق.

حجم الأجهزة المخفضة وطولها

ونظرا لأن الغرافيني هو سميك ذرة واحدة فقط، فإن طبقة التصويب النشطة يمكن أن تكون رقيقة للغاية، مما يقلل الحجم الإجمالي للجهاز، كما أن الكم والحجم، بالنسبة لنظم التصوير المحمولة، هما معوقات حرجة، كما أن جهاز الكشف عن الأشعة لا يشغل سوى بضع مئات من المقاييس في السميك، مقارنة بعدد المئات من الميكرومترات التي تحتاجها أجهزة الكشف عن البصمات الفضائية (بما في ذلك طبقات الكثين).

التكامل مع المواد والتكنولوجيات الأخرى

ويمكن أن يؤدي توافق غرامين مع مجموعة واسعة من المواد النانوية - مثل النقاط الكميّة، والنانووير، والجسيمات النانوية المعدنية - التي يمكن أن تؤدي إلى إنشاء أجهزة كشف مختلطة ذات خصائص مصممة، ومن ذلك مثلاً أن الغرافيني المستخرج من جرعات الكبريتيد الكمي يمكن أن يكشف عن الضوء المضلل الموجات القصيرة، وهو ما يفيد في الاسترخاء العميق في نفس الوقت.

التحديات والمعوقات أمام التبني السريري

وعلى الرغم من إمكاناته الملحوظة، يواجه الرسم البياني عقبات كبيرة قبل اعتماده في التصوير السريري الروتيني، ويعالج الباحثون والصناعة هذه التحديات بفعالية.

تصنيع رخام عالي الجودة

ولا يزال إنتاج مادة الغرافيين المتسقة والمتكررة على المناطق الكبيرة يشكل عقبة رئيسية، إذ يمكن لأساليب مثل تركيب البخار الكيميائي أن تنتج أفلاماً من الغرافيين على نطاق مائي، ولكنها كثيراً ما تعاني من الحدود المتتالية، والملوّثات التي تحط من الممتلكات الكهربائية، كما أن العيوب التي تتطلب حساسية موحّدة عبر صفيفة كاشفة، يمكن أن تؤدي إلى حدوث تداعبة مميتة.

ضمان التوافق البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل

وبالإضافة إلى ذلك، فإن التصويب في الخلايا يعتبر عموماً منخفض السمية في أنواع عديدة، فإن قابلية التطابق الأحيائي لا تتسم تماماً بالزرع الطويل الأجل، إذ أن الأسطح الغرافية البكرانية هيدروفية ويمكن أن تغذي بروتينات تؤدي إلى استجابات غير محصنة أو كبسولة، كما أن القدرة على التشغيل السطحي - مثل التغليف بالجيل الثنائي الفينيل المتعدد الكلور، أو تحسين الجسيمات الحيوية.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة للتلقيح الطبي

وتجهز المستشفيات ومراكز التصوير بأجهزة المسح الموحدة والإلكترونيات القراء المصممة للكشف عن المواد التقليدية، وكثيرا ما تتطلب أجهزة الاستشعار القائمة على الجرافين أجهزة قراءة وإمدادات كهربائية مصممة حسب الطلب، كما أن تطوير وصلات وصلية قابلة للتعديل مع النظم القائمة أمر حاسم بالنسبة لاعتمادها بصورة فعالة من حيث التكلفة، كما أن الموافقة التنظيمية (مثلا، إزالة المواد الكيميائية 510 (ك) أو وضع علامات على شكل رسوم بيانية جديدة) تتطلب اختبارا دقيقا للموثوقية.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالتكاليف

أما الإنتاج الحالي للغرافيا الكيميائية التراكمية فتشمل درجات حرارة عالية )٨٠٠-١٠٠٠ درجة مئوية( وظروف فراغ تؤدي إلى استهلاك كبير من الطاقة، ولا تزال تكلفة كل سنتيمتر المربع من الغرافيين العالي الجودة أعلى بكثير من تكلفة السيليكون أو غيره من المواد الالكترونية القياسية، كما أنه بالنسبة لأجهزة التصوير ذات الاستخدام غير القابل للتداول أو الوحيد )مثلاً، رقائق التشخيص(، يجب تخفيض التكاليف بصورة كبيرة.

الاتجاهات المستقبلية والإمكانيات الناشئة

إن مسار التصوير الطبي القائم على الرسوم البيانية واعد، مع العديد من التطورات المثيرة على الأفق.

الاستخبارات الفنية والتكامل في مجال التعلم

وتولد أجهزة الاستشعار المرنة كميات كبيرة من البيانات، لا سيما عندما تستخدم في الرصد المستمر أو صفائف التصوير العالية الاستبانة، ويمكن أن يؤدي تطهير هذه أجهزة الاستشعار بأجهزة التخدير التابعة للأجهزة الاستطلاعية إلى تقليل الصور في الوقت الحقيقي، وخفض الضوضاء، والكشف الآلي عن الأورام، وعلى سبيل المثال، فإن تركيبة الغرافيا القابلة للارتداء التي تلتقط صورا ذات أشعة سينية منخفضة خلال ساعات العمل يمكن أن تستخدم في التعلم العميق.

محررو الهجينات

وقد أظهرت المواد ذات الصلة بالأشعة السينية العالية والكفاءة الممتازة في تحويل الصور، ولكنها غالبا ما تكون غير مستقرة وتتطلب كبسولات، إذ يمكن أن يؤدي الجمع بين طبقة رقيقة من الميثان وطبقة نقل إلى إنتاج أجهزة كشف ذات حساسية عالية، منخفضة الجرعات، تكون مرنة أيضا، وقد أظهرت أجهزة إثبات الأشعة السينية الحديثة حساسية مماثلة لدرجات الحرارة المتفاوتة التجارية.

3D Graphene Foams and Stretchable Architecture

وفي حين أن الرسم البياني الأحادي هو مرن، فإن له قدرة محدودة على التمدد (بشكل تقريبي 5٪) - ولتحقيق التمدد الحقيقي اللازم للتصوير الضارب على أجزاء الجسم المتحركة، فإن الباحثين يستكشفون الرغاوي الـ 3D أو أفلام الغرافيين الموزعة باللغات الكريغامية، ويمكن أن تستوعب هذه الهياكل سلالات تبلغ 50 في المائة أو أكثر، مع الحفاظ على الربط الكهربائي.

Implantable Flexible Imaging Probes

ومن الأهداف الطويلة الأجل وضع مسبارات للتصوير الغرافيني المجهزة بالكامل لرصد النشاط العصبي المزمن، أو نمو الورم، أو وظيفة الجهاز، ونظراً إلى أن الرسم البياني مستقر ويمكن جعله قابلاً للتنافس البيولوجي، فإنه يمكن أن يشكل الأساس لأجهزة التصوير التي تظل في الجسم منذ أشهر أو سنوات، وأن تنقل البيانات عبر اللاسلكية إلى أجهزة استقبال خارجية، مثلاً، جهازاً للترابط البصري القائم على الغرافيا في مجال التشخيص

التقدم التنظيمي والمحاكمات السريرية

وهناك شركات عديدة تعمل بالفعل على تطوير أجهزة الاستشعار الطبية القائمة على الرسوم البيانية لإجراء اختبارات طبية، فعلى سبيل المثال، وضعت مشاريع " غرافين فلاغ " في أوروبا أجهزة استشعار مرنة من نوع " أو " EEG " ، وهي تخضع حالياً لطرائق التصوير، حيث أن القدرة على التصعيد في التصنيع ستزيد من القدرة على التكديس وتتراكم بيانات القدرة على المنافسة الحيوية، يمكن أن تحظى أجهزة الاستنشاق الطبي الأشعة المحتوي على المرونة التنظيمية في السنوات القادمة.

خاتمة

إن السلوكيات الكهربائية الاستثنائية التي يقوم بها غرافين، والمرونة الميكانيكية، والشفافية البصرية، والضعف الذري، التي يشكلها كمواد تحولية للجيل القادم من أجهزة التصوير الطبي، ومن أجهزة الكشف بالأشعة السينية المتوافقة التي تحد من تعرض المرضى للضوء والإشعاع إلى صور قابلة للارتداء، مما يتيح الرصد المستمر للصحة عن بعد، ويتغلب على العديد من القيود المفروضة على المواد الجامدة التقليدية، ويعرقل الطريق إلى الاعتماد السريري على نحو مطرد

[FLT:] Novoselov et al., “Electric Field in Atomically Thin Carbon Films,”Nature Bonaccorso et al., “Graphene Photonics and Opto