UMass Amherst พัฒนาตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ดึงพลังงานจากเซลล์หัวใจ
ทีมนักวิจัย UMass Amherst พัฒนาตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ขนาด 7x8 มม. ผสานเซลล์หัวใจมนุษย์เพื่อแปลงแรงหดตัวเป็นไฟฟ้า หวังลดข้อจำกัดแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ฝังร่างกาย
ภาพประกอบจากคลังภาพสต็อก ไม่ใช่ภาพจากเหตุการณ์จริง
- ทีมนักวิจัย UMass Amherst พัฒนาตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์บางและยืดหยุ่นสำหรับดึงพลังงานจากเซลล์หัวใจ
- ตาข่ายต้นแบบมีขนาด 7x8 มิลลิเมตร ประกอบด้วยหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดจิ๋ว 64 หน่วย
- ใช้วัสดุเซรามิก PZT และลวดแพลทินัมบนริบบิ้นพอลิเมอร์เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าจากการขยับตัว
- งานวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances ยังอยู่ในขั้นตอนห้องปฏิบัติการและต้องพัฒนาต่อ
อุปกรณ์การแพทย์ชนิดฝังร่างกายอย่างเครื่องกระตุ้นหัวใจหรืออุปกรณ์กระตุ้นสมองส่วนลึก จำเป็นต้องพึ่งพาแหล่งพลังงานขนาดใหญ่ที่มีความหนาแน่นสูง เช่น แบตเตอรี่ ทว่าแบตเตอรี่เหล่านี้มักมีข้อจำกัดเรื่องการเสื่อมสภาพ ยิ่งหากพยายามลดขนาดหรือเพิ่มความยืดหยุ่น ความจุของพลังงานก็จะลดลงตามไปด้วย ทำให้ผู้ป่วยต้องเข้ารับการผ่าตัดเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยครั้ง
เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมนักวิจัยจาก University of Massachusetts Amherst จึงได้คิดค้นและพัฒนาตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความบางและยืดหยุ่นสูง ซึ่งยอมให้เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจของมนุษย์สามารถเติบโตและแทรกตัวอยู่ภายในได้ แนวคิดนี้มุ่งเน้นการแปลงแรงหดตัวตามธรรมชาติของเนื้อเยื่อให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งอาจช่วยปลดล็อกข้อจำกัดด้านพลังงานของอุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังในร่างกายได้ในอนาคต
ภาพประกอบจากคลังภาพสต็อก ไม่ใช่ภาพจากเหตุการณ์จริง
แทนที่จะติดตั้งอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ชิ้นเดียวติดกับอวัยวะ ทีมวิจัยเลือกใช้แนวทางกระจายหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดจิ๋วจำนวนมากลงในเนื้อเยื่อ โดยเรียกนวัตกรรมนี้ว่า biohybrid mesh harvester หรือตาข่ายเก็บพลังงานที่ผสานวัสดุอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับเซลล์มีชีวิต ตัวตาข่ายต้นแบบถูกออกแบบให้มีขนาด 7 คูณ 8 มิลลิเมตร และบรรจุหน่วยผลิตไฟฟ้าไว้ทั้งหมด 64 หน่วย
ในแต่ละหน่วยผลิตไฟฟ้าจะมีลักษณะเป็นริบบิ้นพอลิเมอร์เส้นเล็ก ความกว้างราว 20 ไมโครเมตร ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ ภายในริบบิ้นบรรจุลวดแพลทินัมและแถบวัสดุเซรามิก PZT ที่มีคุณสมบัติพิเศษในการสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อถูกแรงกดหรือแรงงอ ด้วยขนาดที่เล็กและยืดหยุ่นนี้ ทำให้ตาข่ายไม่แข็งทื่อจนรบกวนการทำงานของเซลล์เนื้อเยื่อรอบข้าง
"แนวคิดนี้ต่างจากแบตเตอรี่ เพราะไม่ได้มีแหล่งพลังงานก้อนเดียว แต่ให้เนื้อเยื่อหลายจุดช่วยกันผลิตไฟฟ้า คล้ายกับการทำงานของร่างกายที่ไม่ได้มีโรงไฟฟ้าเพียงแห่งเดียว"
Jun Yao รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ UMass Amherst
สำหรับการทดลองเบื้องต้น ทีมงานได้เพาะเซลล์หัวใจมนุษย์ที่ได้มาจากสเต็มเซลล์ลงบนตาข่ายเป็นเวลา 15 วัน จนกระทั่งเซลล์เติบโตแผ่ขยายเป็นแผ่นเนื้อเยื่อและเริ่มมีการหดตัว ผลปรากฏว่าเมื่อเนื้อเยื่อเกิดการขยับ ตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์สามารถปล่อยสัญญาณไฟฟ้าออกมาได้สอดคล้องตามจังหวะนั้นพอดี
การเปลี่ยนผ่านจากการใช้แบตเตอรี่เคมีแบบดั้งเดิมมาสู่ระบบเก็บพลังงานชีวภาพ (bioenergy harvesting) ถือเป็นก้าวสำคัญของวงการวิศวกรรมชีวการแพทย์ เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปในอุปกรณ์ฝังร่างกายมีความเสี่ยงเรื่องสารเคมีรั่วไหลและมีอายุการใช้งานจำกัด การใช้พลังงานจลน์จากการเคลื่อนไหวของอวัยวะภายใน เช่น การเต้นของหัวใจ จึงเป็นแนวทางที่ยั่งยืนและปลอดภัยกว่าในระยะยาว หากนักวิจัยสามารถแก้ปัญหาเรื่องความทนทานและวัสดุชีวภาพได้สำเร็จ
ในการนำเทคโนโลยีนี้ไปต่อยอดใช้งานจริงนอกห้องปฏิบัติการ Jun Yao ผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัย ได้เสนอแนวทางไว้ 2 รูปแบบ ทางแรกคือการเพาะเนื้อเยื่อสำหรับปลูกถ่ายล่วงหน้า โดยวางตาข่ายไว้ภายในตั้งแต่เริ่มกระบวนการเพาะเลี้ยงก่อนนำไปปลูกถ่าย ส่วนทางเลือกที่สองคือการใช้หุ่นยนต์ผ่าตัดสอดริบบิ้นยืดหยุ่นจำนวนมากเข้าไปในเนื้อเยื่อโดยตรง ซึ่งเขาเรียกว่าป่า 3 มิติของริบบิ้นเก็บพลังงาน เพื่อเพิ่มจำนวนหน่วยผลิตไฟฟ้าให้มากขึ้นโดยไม่ต้องพึ่งพาขนาดของอุปกรณ์ชิ้นเดียว
ถึงแม้ผลงานดังกล่าวจะถูกตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances แล้ว แต่ในปัจจุบันยังเป็นเพียงเครื่องพิสูจน์ว่าเซลล์หัวใจที่เพาะในห้องแล็บสามารถช่วยผลิตไฟฟ้าได้เท่านั้น ยังไม่ใช่เครื่องยืนยันว่าอุปกรณ์พร้อมใช้งานในมนุษย์ นักวิจัยยังต้องเผชิญกับโจทย์ใหญ่อีกหลายประการ เช่น การพิสูจน์การทำงานในเนื้อเยื่อสามมิติภายในร่างกาย การทดสอบความทนทานต่อการขยับซ้ำๆ เป็นเวลาหลายปี การป้องกันการเกิดพังผืด รวมถึงการหาวัสดุอื่นมาทดแทนเซรามิก PZT ที่มีส่วนประกอบของตะกั่วก่อนนำไปใช้จริงต่อไป
ที่มา: Techsauce
พบข้อมูลผิดพลาดในบทความนี้? แจ้งปัญหาบทความนี้
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น