نظرة على كيفية إحداث الأجهزة النانوية القابلة للارتداء التي يتم ارتداؤها على الجلد باستخدام تكنولوجيا النانو المتطورة ثورة في مجال الرعاية الصحية. اكتشف مستقبل المراقبة في الوقت الفعلي والعلاج الشخصي!
تشرق شمس الصباح من خلال الستائر. تلتقط هاتفك الذكي للتحقق من الوقت وتفتح تطبيق "الصحة". تتحقق من نسبة السكر في الدم وضغط الدم ونبض القلب وتتحقق من أدويتك. هذا الروتين ممكن بفضل التطورات التكنولوجية الحديثة. على وجه الخصوص، قد يؤدي تسويق الأجهزة النانوية القابلة للارتداء التي تلتصق بالجلد قريبًا إلى جعل روتيننا الصباحي أكثر ملاءمة وكفاءة. يمكن توصيل الأجهزة القابلة للارتداء التي يمكنها التقاط وتخزين المعلومات الحيوية بهاتف ذكي أو كمبيوتر لمراقبة وإدارة صحتك في الوقت الفعلي. يجلب التقدم في الهندسة هذه التكنولوجيا من الأفلام إلى العالم الحقيقي أمام أعيننا مباشرة.
الأجهزة القابلة للارتداء ليست مجرد أجهزة إلكترونية يمكن ارتداؤها، بل هي أجهزة متصلة بشكل وثيق بجسم المستخدم وتتواصل معه. بدأت الأبحاث حول الأجهزة القابلة للارتداء في الولايات المتحدة في ستينيات القرن العشرين، ومع بدء التصنيع على محمل الجد في التسعينيات، تطورت تكنولوجيا تطوير الأجهزة للأغراض الطبية بسرعة. في السنوات الأخيرة، كانت هناك مجموعة متنوعة من الطرق لارتدائها. وتشمل هذه الإكسسوارات، والملابس المدمجة، والملتصقة بالجلد، والمزروعة بيولوجيًا. حاليًا، لم يصل الكثير منها إلى مرحلة التسويق التجاري، ولكن بالنظر إلى تطبيقاتها الطبية، فإن الأجهزة النانوية القابلة للارتداء المتصلة بالجلد هي تلك التي تحتاج إلى التسويق التجاري أكثر من غيرها. يمكن ربط الأجهزة النانوية القابلة للارتداء المصنوعة من خلال الجمع بين تقنية النانو وعمليات أشباه الموصلات بالجلد بسهولة مثل الملصق، وهو ما يتمتع بمزايا كبيرة في جمع المعلومات البيومترية واستخدامها، وله تطبيق طبي مهم.
لقد كانت الأجهزة النانوية القابلة للارتداء والتي يمكن ارتداؤها على الجلد قيد التطوير منذ بضع سنوات فقط. ومن الأمثلة الحديثة على ذلك دراسة أجريت عام 2014 والتي طورت رقعة يمكنها تشخيص وعلاج اضطرابات الحركة مثل مرض باركنسون. سيساعدنا هذا البحث على فهم كيفية تصنيع وتطبيق الأجهزة النانوية القابلة للارتداء والتي يمكن ارتداؤها على الجلد. هناك أربعة عناصر رئيسية مطلوبة لتطوير أجهزة نانوية يمكن ارتداؤها وتلتصق بالجلد: مواد مناسبة للربط بالجلد، وأجهزة استشعار للكشف عن اضطرابات الحركة، وذاكرة تعمل بطاقة منخفضة، وسخانات وأجهزة توصيل الأدوية للعلاج.
أولاً، يعد تطوير مادة مرنة مناسبة للبشرة القابلة للتمدد هو الجزء الأكثر أهمية في تطوير الأجهزة النانوية اللاصقة للجلد. بينما تستخدم الأجهزة الإلكترونية التقليدية ركائز صلبة مثل السيليكون أو الزجاج، تستخدم الأجهزة اللاصقة للجلد الأغشية النانوية والجسيمات النانوية. الجسيمات النانوية هي جزيئات صغيرة جدًا يبلغ قطرها حوالي 10-9 أمتار، والأغشية الرقيقة المصنوعة من الجسيمات النانوية رقيقة جدًا وخفيفة. ومن خلال ترتيب الدوائر على شكل زنبرك ونقلها إلى الرقعة، يلتصق الجهاز النانوي بالجلد ويحافظ على أدائه حتى عند تمديده أو ثنيه.
ثانيًا، هناك حاجة إلى جهاز استشعار للكشف عن اضطرابات الحركة. يستخدم هذا المستشعر أغشية السيليكون النانوية، والتي يتم تصنيعها باستخدام طريقة من أعلى إلى أسفل لجعل المواد الأكبر حجمًا أصغر. إن غشاء السيليكون النانوي المستخدم هنا هو نمط بسيط من الأسلاك النانوية، والذي يستخدم الطريقة من أعلى إلى أسفل المستخدمة عادة لصنع أجهزة أشباه الموصلات التقليدية. تتغير مقاومة أغشية السيليكون النانوية اعتمادًا على القوة الخارجية المطبقة عليها، كما أن مقدار التيار الذي يتدفق عبرها يتناسب عكسيًا مع المقاومة. ويمكن استخدام هذه الخاصية لتشخيص اضطرابات الحركة عن طريق قياس الحركات غير الطبيعية.
ثالثًا، يلزم وجود ذاكرة غير متطايرة لتخزين بيانات المرض المقاسة. ومع ذلك، فإن استخدام طاقة عالية في رقعة رقيقة باستخدام الأغشية النانوية ليس مستقرًا، لذا يجب أن تعمل الذاكرة أيضًا بطاقة منخفضة. يتم تصنيع هذا الجزء باستخدام أغشية نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم مصنوعة باستخدام طريقة من أعلى إلى أسفل وجسيمات نانوية من الذهب مصنوعة باستخدام طريقة من أسفل إلى أعلى. في الذاكرة، يجب أن تكون هناك طبقة من جسيمات النانو الذهبية موجودة بين القطبين للاحتفاظ بالشحنة، لذلك من المهم جدًا أن تتشكل جسيمات النانو الذهبية على غشاء ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي لتخزين الشحنة. عندما يكون الجهاز على مقياس النانو، يمكن أن يؤدي تغيير في الحجم بمقدار بضعة نانومتر فقط إلى تغيير خصائصه بشكل كبير، لذا فإن الدقة مطلوبة. تخلق الطرق من أسفل إلى أعلى، على عكس الطرق من أعلى إلى أسفل الموضحة أعلاه، مواد نانوية من عدد صغير من الجزيئات ولديها دقة على المستوى الذري مقارنة بالتقنيات من أعلى إلى أسفل.
أخيرًا، هناك حاجة إلى سخان إلكتروني وجهاز توصيل للدواء للعلاج. عندما يكتشف المستشعر أي خلل في حركة العضلات، يتم تشغيل السخان الكهربائي لزيادة درجة الحرارة. عندما تصل درجة الحرارة إلى درجة حرارة معينة، يتم إعطاء الدواء المخزن في جسيمات النانو السيليكا إلى الجلد بالكمية المطلوبة. يسمح الحجم الصغير للدواء في الجسيمات النانوية باختراق الجلد والقضاء على آلام الحقن، وهو حل مفيد للغاية لأنه من الممكن العلاج في الوقت المناسب فور اكتشاف المستشعر لخلل ما دون الحاجة إلى زيارة المستشفى وتلقي التشخيص من الطبيب.
نظرًا لأن الأشخاص المعاصرين يتعرضون لمختلف أمراض البالغين وأمراضهم، فإن الأجهزة النانوية القابلة للارتداء والمتصلة بالجلد ستكون جهازًا مفيدًا للوقاية من الأمراض وإدارة الصحة بمجرد ربطها بالجلد. وقبل أيام قليلة، أعلن معهد العلوم الأساسية أنه طور "رقعة جلوكوز الدم" التي يمكنها قياس ومراقبة نسبة الجلوكوز في الدم باستخدام جلد إلكتروني من الجرافين يمكن ربطه بالجلد. وبعد الإنجاز الذي تحقق في عام 2014، تم نشر هذا البحث في مجلة Nature Nanotechnology، وهي المجلة المرموقة في العالم، وتم الاعتراف بها كتقنية من شأنها أن تساهم في صناعة إلكترونيات الرعاية الصحية. ونحن نتطلع إلى رؤية الأجهزة النانوية المبتكرة التي يمكن ارتداؤها والتي سيتم إنشاؤها من خلال الجمع بين تكنولوجيا النانو وأشباه الموصلات في المستقبل.
إن مستقبل الأجهزة النانوية القابلة للارتداء لا حدود له. ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الرعاية الصحية والرياضة وإعادة التأهيل والترفيه. في الرياضة، يمكن أن تساعد المراقبة المباشرة للحالة البدنية للرياضيين على تحقيق أقصى قدر من الأداء، بينما في إعادة التأهيل، يمكن تتبع تعافي المرضى بالتفصيل لتوفير علاج أكثر فعالية. وفي مجال الترفيه، يمكن دمجها مع الواقع الافتراضي (VR) لتوفير تجربة أكثر غامرة. كما ترون، فإن الأجهزة النانوية القابلة للارتداء لديها القدرة على إثراء حياتنا.
ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات التي تحتاج إلى معالجة قبل أن يتم تسويق الأجهزة النانوية القابلة للارتداء وتعميمها. بادئ ذي بدء، من المهم تحسين استقرارها ومتانتها. وبما أن الأجهزة سيتم تثبيتها على الجلد لفترة طويلة من الزمن، فيجب أن تكون خالية من تهيج الجلد والآثار الجانبية، وأن تكون متينة بما يكفي لتحمل الأنشطة اليومية. وبالإضافة إلى ذلك، يجب تخفيض تكاليف الإنتاج لجعلها في متناول عدد أكبر من الناس. وهذا يتطلب تطوير تقنيات الإنتاج الضخم وخفض تكاليف المواد.
في الختام، ستلعب الأجهزة النانوية القابلة للارتداء والملتصقة بالجلد دورًا مهمًا في الرعاية الصحية والابتكار الطبي في المستقبل. وهذه التقنيات، القادرة على مراقبة وإدارة المعلومات البيومترية في الوقت الحقيقي، ستمكن من الوقاية من الأمراض، والتشخيص المبكر، والعلاج الشخصي، مما يحسن نوعية حياتنا بشكل كبير. إن التقدم في تكنولوجيا النانو وعمليات أشباه الموصلات يعدنا لمستقبل أكثر صحة وأكثر ملاءمة.
