טכנולוגיה חדשה הנמצאת כיום בשלבי פיתוח באוניברסיטת אוהיו צפויה לסלול את הדרך לייצור של מכשירים אלקטרוניים בעלות נמוכה, היכולים לבוא במגע ישיר עם רקמות חיות בגוף האדם.
היישום הראשון שבו טכנולוגיה זו אמורה לבוא לידי ביטוי הוא פיתוח של חיישנים שינטרו ויתריעו, בשלבים מוקדמים מאוד, אם הגוף מגלה סימנים כי הוא עומד לדחות את האיבר שהושתל בו.
מגבלות הסיליקון
פול ברגר, פרופסור לאלקטרוניקה, הנדסת המחשב ופיזיקה באוניברסיטת אוהיו, מסביר כי המכשול העיקרי בדרך לפיתוח חיישנים ברי השתלה נובע מכך שמרבית האמצעים האלקטרוניים הקיימים מבוססים על סיליקון, והאלקטרוליטים שבגוף האדם משבשים את האותות האלקטרוניים במעגלים החשמליים שבסיליקון. מוליכים אחרים, פחות נפוצים, עשויים לעבוד היטב גם בתוך גוף האדם, אך אלה נוטים להיות יקרים יותר ותהליכי הייצור שלהם מורכבים יותר.
"סיליקון הוא חומר זול באופן יחסי, והוא אינו רעיל", מסביר ברגר, "האתגר הוא לגשר על הפער בין הרכיבים האלקטרוניים הזולים, מבוססי הסיליקון, שאותם אנו כבר יודעים כיצד לייצר, לבין המערכת האלקטרו-כימית בגוף האדם".
מעטפת חדשה
במאמר שפורסם בכתב העת Electronics Letters מתארים ברגר ועמיתיו מעטפת מסוג חדש שהם סבורים כי תוכל לגשר על הפער הזה. המעטפת החדשה ממתינה בימים אלה לאישורה כפטנט.
בבדיקות שערכו החוקרים, מעגלים חשמליים מבוססי סיליקון שצופו במעטפת החדשה המשיכו לעבוד גם לאחר ששהו במשך יותר מ-24 שעות בתוך תמיסה שמדמה את הסביבה הכימית בגוף האדם.
הפרויקט החל כאשר ברגר שוחח עם חוקרים במחלקת ההנדסה הביו-רפואית באוניברסיטת אוהיו, שביקשו לפתח חיישן בר-השתלה (insertable sensor) שיהיה מסוגל לזהות נוכחות של חלבונים מסוימים הנחשבים לסימן הראשון שהגוף עומד לדחות את האיבר שהושתל בו. החוקרים השקיעו מאמצים רבים בפיתוח חיישן מעין זה מגליום חנקני (gallium nitride).
"כבר יש לנו חיישנים שמבצעים עבודה נהדרת בזיהוי נוכחות של חלבונים מסוג זה, אך הם עשויים מסיליקון. לאחר המפגש עם החוקרים תהיתי אם אנו יכולים לפתח סוג של מעטפת שתגן על הסיליקון ותאפשר לו לתפקד גם כאשר הוא בא במגע ישיר עם דם, נוזלי גוף, או רקמות חיות", אומר ברגר.
תפקידי האלקטרוליטים
בתוך גוף האדם, אלקטרוליטים כמו נתרן ואשלגן שולטים בעצבים ובשרירים, וממלאים תפקיד חשוב בשמירה על נוזלים (hydration). האלקטרוליטים מבצעים תפקיד זה על ידי העברת מטען חשמלי שלילי או חיובי שמעורר תגובות כימיות חשובות. אולם, אותם מטענים חשמליים יוצרים משיכה בין האלקטרוליטים לבין הסיליקון, שסופג אותם באופן מיידי. ברגע שהאלקטרוליטים נספגים בסיליקון, המטען החשמלי שלהם משפיע על הפעילות האלקטרונית של הסיליקון, ומביא לכך שאי אפשר לסמוך על הקריאות שמספק החיישן.
במסגרת המחקר בחן צוותו של ברגר כיצד ניתן למנוע מהאלקטרוליטים לחדור לתוך הסיליקון באמצעות שכבה של אלומיניום מחומצן (aluminum oxide).
החוקרים שיקעו את החיישנים המצופים בנוזל למשך פרק זמן של עד 24 שעות, הוציאו אותם מהתמיסה ואז העבירו דרכם זרם חשמלי (voltage), במטרה לבדוק אם הם עדיין מתפקדים כראוי. הבדיקות הראו כי הציפוי המחומצן חסם באופן אפקטיבי את האלקטרוליטים שבתמיסה, כך שהחיישנים עדיין פעלו באופן מלא ומשביע רצון.
לזהות חלבונים דוחי השתלה
לאחר השלמת הפיתוח, מכשיר שייוצר באמצעות הטכנולוגיה החדשה יוכל לזהות חלבונים מסוימים שגוף האדם מייצר ברגעים הראשונים בהם הוא מתחיל לדחות את האיבר שהושתל בו. הרופאים יחדירו מחט לגוף המטופל סמוך לאיזור שבו הושתל האיבר. חיישני הסיליקון שעל המחט יזהו את נוכחות החלבונים, והרופאים יידעו להתאים למטופל בדיוק רב את המינון הנדרש של תרופות נגד דחיית איברים מושתלים, בהתאם לתוצאות שיספקו החיישנים.
לדברי ברגר, המחקר מהווה צעד ראשון בדרך לייצור מכשירים אותם יהיה ניתן להשתיל בגוף האדם גם לטווח ארוך.
למרות שהמחקר הנוכחי נוגע לחיישנים מסיליקון המצופים באלומיניום מחומצן, ברגר צופה כי במכשירים אחרים יהיה ניתן לעשות שימוש בציפוי מחומרים נוספים, כמו טיטניום. לדבריו, יהיה ניתן להתאים מעטפות מעין אלה כך שישפרו את הביצועים של החיישנים, או של מכשירים ביו-רפואיים אחרים.
יישומים עתידיים
ברגר נלהב בעיקר מהפוטנציאל הקיים בשימוש במוליכים למחצה פולימריים מצופים למטרות מרחיקות לכת יותר מזיהוי כימיקלים בגוף האדם. הוא מעריך כי קיימת אפשרות שמוליכים למחצה מעין אלה יוכלו בעתיד להחליף עצבים שניזוקו כתוצאה מפציעה או מחלה.
"נוכל להחליף עצב פגוע בנוירון מלאכותי וכך להחזיר איברים לתפקוד באופן מיידי וזאת באמת אפשרות מרתקת במיוחד", הוא אומר.
הצוות של ברגר עובד עם שני חוקרים באוניברסיטת אוהיו – טום רוסול (Rosol), פרופסור לווטרינריה ביו-מדעית (veterinary biosciences), ופיליפ פופוביץ' (Popovich), פרופסור למדעי המוח, כדי לבחון אפשרות זו.
|
