ابتكر باحثون في الصين بطارية "ثورية" قابلة للزرع تعمل بالأكسجين الموجود في الجسم، يمكن أن تكون بديلاً للبطاريات التقليدية التي تُستخدم كمصدر طاقة لتشغيل الأجهزة الطبية القابلة للزرع، بحسب دراسة منشورة في دورية Chem.
وأحدثت الأجهزة القابلة للزرع "ثورة" بالفعل في مختلف جوانب الرعاية الصحية، بما في ذلك تشخيص الأمراض وعلاجاتها، وتنظيم ضربات القلب، ومراقبة الصحة، وغيرها.
وقال فريق البحث إن البطاريات الجديدة، التي وصفوها بأنها "مرنة ومتوافقة بيولوجياً"، يمكن أن تساعد أجهزة تنظيم ضربات القلب أو الأجهزة الطبية الأخرى القابلة للزرع، على الاستمرار في العمل لفترة أطول، مشيرين إلى أنها قد تكون رائدة في علاجات السرطان الجديدة.
وتعتمد فعالية تلك الأجهزة إلى حد بعيد على أداء البطاريات القابلة للزرع، والتي تحتاج إلى إظهار توافق حيوي ممتاز، وقدرة كافية على إمداد الجهاز بطاقة مستقرة.
وتُستخدم البطاريات التقليدية مثل "بطاريات الليثيوم أيون، والفضة والزنك" بشكل شائع لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع، ولكنها تواجه قيوداً بسبب كمية المادة النشطة التي يمكن أن تحتويها، ما يؤثر في عمرها الافتراضي.
"مصادر طاقة مستمرة"
وبحسب الدراسة الجديدة، يُمكن أن تقدم الكائنات الحية عدداً كبيراً من المكونات التي قد تكون بمثابة مصادر طاقة مستمرة للبطاريات، مثل الأكسجين المذاب، والجلوكوز، والإنزيمات، والعَرَق.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة شيزينج ليو، وهو متخصص أيضاً في مواد وأجهزة الطاقة بجامعة تيانجين الصينية للتقنية: "إذا تمكنا من الاستفادة من الإمداد المستمر للأكسجين في الجسم، فلن يكون عمر البطارية محدوداً بالمواد الموجودة في البطاريات التقليدية".
ولبناء بطارية آمنة وفعالة، صنع الباحثون أقطابها الكهربائية من سبائك الصوديوم والذهب النانوي، وهي مادة ذات مسام أصغر بآلاف المرات من عرض الشعرة.
ويُعرف الذهب بتوافقه مع الأنظمة الحية، كما أن الصوديوم عنصر أساسي وموجود في جسم الإنسان.
وتخضع الأقطاب الكهربائية لتفاعلات كيميائية مع الأكسجين الموجود في الجسم لإنتاج الكهرباء، ولحماية البطارية من التلف، غلَّفها الباحثون بغلاف بوليمر مسامي ناعم ومرن.
"بديل واعد"
وتُمثّل بطاريات الصوديوم والذهب النانوي بديلاً واعداً، إذ تستخدم الأكسجين كعنصر نشط في الكاثود (وهو القطب السالب في الخلية الكهربائية أو البطارية أو الدائرة الكهربائية)، وغالباً ما تستخدم أنوداً معدنياً.
ويمكن لهذه البطاريات تحقيق كثافات طاقة أعلى بكثير مقارنة بالخيارات التقليدية، ومن المحتمل أن توفر كثافات طاقة أكبر بعدة مرات من بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
وأشارت الدراسة إلى أن وجود الأكسجين في كل مكان بالأنسجة الحية يجعل هذه البطاريات جذابة على نحو خاص للتجديد المستمر لمصادر الطاقة داخل الجسم.
وزرع الباحثون البطاريات تحت الجلد على ظهور العديد من الفئران، لقياس إنتاجها من الكهرباء في فترات زمنية مختلفة.
وبعد أسبوعين، وجدوا أن البطارية يمكن أن تنتج جهداً ثابتاً بين 1.3 فولت و1.4 فولت، مع كثافة طاقة قصوى تبلغ 2.6 ميكروواط، لكل سنتيمتر مربع.
وفي حين أن نماذجهم الأولية لم توفر جهداً كافياً للطاقة للأجهزة الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، إلا أنها حققت نجاحاً للفريق، الذي يقول إن هذا دليل على أنه يمكن استخدام الأكسجين في الجسم كمصدر للطاقة.
كما قام الفريق أيضاً بتقييم التفاعلات الالتهابية والتغيرات الأيضية وتجديد الأنسجة حول البطارية.
وأشار الفريق البحثي إلى أن الفئران لم تظهر أي التهاب من تفاعل البطاريات، ونجحوا في استقلاب منتجات ثانوية ناتجة عن التفاعلات الكيميائية للبطارية، بما في ذلك أيونات الصوديوم والهيدروكسيد ومستويات منخفضة من بيروكسيد الهيدروجين (ماء الأكسجين)، بسهولة في الجسم، كما لم تؤثر في الكلى والكبد.
وشفيت الفئران جيداً بعد عملية الزرع، ونما الشعر على ظهرها بالكامل بعد 4 أسابيع، كما تجددت الأوعية الدموية أيضاً حول البطارية.
وقال شيزينج ليو: "اتضح أنه كان علينا إعطاء الجرح وقتاً ليلتئم، حتى تتجدد الأوعية الدموية حول البطارية وتزودها بالأكسجين، قبل أن توفر البطارية كهرباء مستقرة"، مضيفاً أن "هذا اكتشاف مفاجئ ومثير للاهتمام، لأنه يعني أن البطارية يمكن أن تساعد على مراقبة التئام الجروح".
"تجويع السرطان"
ويخطط الفريق لزيادة إمداد البطارية بالطاقة من خلال استكشاف مواد أكثر كفاءة للأقطاب الكهربائية، وتحسين هيكل البطارية وتصميمها.
ولفت ليو إلى أنه من السهل توسيع نطاق إنتاج البطارية، واختيار مواد فعالة من حيث التكلفة يمكن أن يؤدي إلى خفض السعر بشكل أكبر.
وقد تجد بطارية الفريق أيضاً أغراضاً أخرى تتجاوز تشغيل الأجهزة الطبية، فنظراً لأن الخلايا السرطانية حساسة لمستويات الأكسجين، فإن زرع هذه البطارية المستهلكة للأكسجين حولها قد يساعد على "تجويع السرطان".
وأردف ليو بقوله: "من الممكن أيضاً تحويل طاقة البطارية إلى حرارة لقتل الخلايا السرطانية، وربما تصبح مصدراً جديداً للطاقة إلى العلاجات الحيوية المحتملة".
