مهندسون يكشفون عن أجهزة "قابلة للبلع" للاستشعار الطبي الحيوي

تُستخدم الأجهزة القابلة للابتلاع عادة لدراسة وعلاج الأنسجة في المناطق التي يصعب الوصول إليها من الجسم.

وعادة ما يتم ابتلاع هذه الكبسولات في شكل حبوب، وتنتقل عبر الجهاز الهضمي، وتلتقط الصور أو توصل الدواء.

وفي حين أن أبسط الأجهزة تتحرك بشكل سلبي عبر الأمعاء، فهناك العديد من التطبيقات قد يكون من المفيد للجهاز أن يلتصق بالأنسجة أو الأسطح المرنة الأخرى. وهذا ما شرحته مجلة "سايتك ديلي" العلمية.

وهناك تاريخ غني من الحلول المستوحاة من البيولوجيا لتلبية هذه الحاجة، بدءا من الفيلكرو المستوحى من نبات اللزيق إلى المواد اللاصقة الطبية المستوحاة من الحلزون، لكنّ إنشاء آليات ربط قابلة للعكس عند الطلب يمكن دمجها في أجهزة بمقياس 1 مليمتر للاستشعار والتشخيص الطبي الحيوي لا يزال يشكل تحديا.

وقد استوحي جهد جديد متعدد التخصصات بقيادة روبرت وود، أستاذ الهندسة والعلوم التطبيقية في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS)، وجيمس ويفر، من معهد وايس.

اظهار أخبار متعلقة

وقال ويفر: "تتمتع الأنواع الطفيلية بسمعة مشكوك فيها إلى حد ما لدى عامة الناس بسبب أشكال أجسامها المرعبة في كثير من الأحيان ودورات حياتها غير المألوفة التي تبدو وكأنها خرجت مباشرة من أفلام الخيال العلمي. وعلى الرغم من هذه الحقيقة، فمن المهم أن ندرك أن هذه الأنواع تتكيف بشكل جيد بشكل خاص للرسو في مجموعة واسعة من أنواع الأنسجة المضيفة المختلفة باستخدام مجموعة متنوعة بشكل ملحوظ من أعضاء التعلق الخاصة بالأنواع والأنسجة. تجعل هذه الميزات منها أنظمة نموذجية مثالية لتطوير آليات تثبيت الأنسجة الاصطناعية الخاصة بالتطبيقات الطبية الحيوية".

وأضاف وود: "إن تقليد كل من مورفولوجيا ووظائف هذه الهياكل البيولوجية المعقدة يمثل مشكلة صعبة بشكل لا يصدق، ويتطلب خبرة من مجموعة واسعة من المجالات بما في ذلك الروبوتات، والتصنيع الدقيق، وتصميم الأجهزة الطبية، وعلم الحيوانات اللافقارية".

محاكاة آليات ربط الدودة الشريطية
لمحاكاة عضو التعلق الدائري الشبيه بالخطاف الموجود في العديد من أنواع الديدان الشريطية المعوية كدليل أولي على المفهوم، استخدم الباحثون طريقة تصنيع متعددة المواد وطبقة تلو الأخرى مستوحاة من صناعة لوحات الدوائر المطبوعة.

إحدى السمات التصميمية الرئيسية للآلية هي بنيتها المتماثلة شعاعيا، والتي سمحت بإنشاء نطاق حركة دقيق بيولوجيا من مكونات مسطحة بسيطة.

قال غابرييل ماكويغناز، وهو طالب دراسات عليا زائر من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان، والمؤلف الأول للورقة البحثية: "إن استخدام آليات ربط بسيطة نسبيا يسمح باستخدام عمليات تصنيع الصفائح، والتي توفر العديد من المزايا مقارنة بأساليب التصنيع التقليدية".

وأضاف ماكويغناز: "على سبيل المثال، يمكن تصنيع الأجهزة بشكل مسطح ثم طيها بسرعة وسهولة في أشكالها الهندسية النهائية ثلاثية الأبعاد باستخدام عملية تشبه الكتاب [ذا الصفحات ثلاثية الأبعاد] المنبثقة والتي تتم بشكل آلي إلى حد كبير". وقال مايك كاربيلسون، وهو مهندس كهربائي كبير في SEAS وخبير في سير عمل التصنيع٬ وعلاوة على ذلك، نظرا لوقت التسليم السريع والحجم الصغير للأجهزة المصنعة، يوفر نهج التصنيع هذا طريقة نمذجة أولية منخفضة المخلفات أثناء مراحل البحث والتطوير للجهاز.

اظهار أخبار متعلقة

تصميم الجهاز ووظائفه
يحتوي التصميم النهائي للجهاز على مكونات هيكلية صلبة من الفولاذ المقاوم للصدأ مثبتة بشكل لاصق بمفصلات البوليمر. يبلغ قطر الجهاز بالكامل أقل من 5 ملليمترات عند نشره ويزن 44 ميكروغراما فقط. عندما يتلامس مع سطح الأنسجة، يتم تنشيط آلية تشغيل تتسبب في دوران خطافات التثبيت واختراق الأنسجة الرخوة المجاورة. نظرا لأن كل خطاف يتبع مسارا منحنيا، فإنه يخترق الجلد فقط على الفور على طول مسار الاختراق - تماما مثل خطافات الدودة الشريطية - ما يتسبب في حدوث تلف ضئيل في الأنسجة. وبسبب الحجم الصغير للجهاز ونابض مرن يشكل جزءا منه، يمكن نشر الخطافات في أقل من 1 مللي ثانية.

ويضيف المؤلفون أيضا أنه نظرا للبساطة النسبية وقابلية التكيف لطريقة التصنيع هذه، فإنه يمكن تقليص حجم الأجهزة المصنعة بشكل أكبر للتكرارات المستقبلية.

قالت راشيل زول، مرشحة الدكتوراه في SEAS المتخصصة في تصميم الأجهزة الطبية الحيوية، والمؤلفة الثانية للمقالة: "نحن متحمسون حقا لتطبيق الدروس المستفادة من هذه الدراسات لتوسيع مساحة التصميم بشكل أكبر لتشمل خطط الجسم الطفيلية الأخرى، والأنسجة البيولوجية الأخرى والتطبيقات العلاجية".

قال أرماند كوريس، أستاذ علم الطفيليات في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا، والذي لم يشارك في الدراسة: "أحد أكثر الجوانب المثيرة للاهتمام في هذا الجهد البحثي هو أنه يوفر منصة اختبار تجريبية مطلوبة بشدة لاستكشاف كيفية تأثير تشريح ثبات الالتصاق الطفيلي على علم الأمراض البشرية عند نقطة التعلق. ويمثل هذا جانبا غير مستكشف إلى حد كبير من علم الطفيليات الطبية، وأنا حريص على معرفة إلى أين يقودنا هذا البحث".

وبعيدا عن التطبيقات الطبية الحيوية التي كانت المحور الأساسي للمقالة، يتصور المؤلفون أيضا استخدام هذه التكنولوجيا في تطبيقات غير طبية تتراوح من العلامات اللاصقة القابلة للعكس لمراقبة الحياة البرية، إلى منصات الاستشعار للمواد القائمة على المنسوجات.