Massachusetts Amherst Üniversitesi araştırmacıları, canlı insan kalp hücrelerinin mekanik hareketlerini elektriğe dönüştüren ultra ince ve esnek bir elektronik ağ geliştirdi. Laboratuvar testlerinde sistemin enerji yoğunluğu, geleneksel enerji toplama yöntemlerine kıyasla 10 kattan fazla yüksek çıktı.
Biyohibrit ağ enerji toplayıcısı adı verilen sistem, esnek bir ağ üzerine yerleştirilen çok sayıda küçük piezoelektrik jeneratörden oluşuyor. Canlı hücrelerin ağın içine ve çevresine büyümesine olanak tanıyan yapı, hücrelerin kasılmasıyla birlikte deforme oluyor ve elektrik üretiyor. Araştırmacılar, laboratuvar deneylerinde sistemin etkin enerji yoğunluğunun geleneksel enerji toplama yöntemlerinden 10 kattan fazla yüksek olduğunu belirtiyor.
Tıbbi implantlardan sağlık takip cihazlarına kadar birçok elektronik sistemin ortak sorunu: bataryalara bağımlı olması. Piller cihazlarda yer kaplıyor, ağırlık ve sertlik oluşturuyor ve zamanla şarjı bitiyor. Tıbbi bir implantın pilini değiştirmek için yeniden ameliyat gerekebiliyor. Bu da maliyetleri ve sağlık risklerini artırıyor.
Daha küçük ve ince piller bu tip sorunları azaltsa da depoladığı enerji miktarını da düşürüyor.
Araştırmacılar, bataryalara alternatif oluşturmak için vücudun kendi enerjisinden yararlanan farklı yöntemler üzerinde çalışıyor. Vücut ile çevre arasındaki sıcaklık farkını kullanan termoelektrik jeneratörler ve mekanik hareketleri elektriğe dönüştüren piezoelektrik jeneratörler bunlardan biri.
Piezoelektrik sistemler, vücut sürekli hareket halinde olduğu için özellikle tıbbi implantlarda kullanılmaya elverişli görülüyor. Akciğerlerin genişleyip daralmasından kalbin ritmik atışlarına kadar birçok biyolojik hareket, enerji toplamak için değerlendiriliyor. Belirli piezoelektrik malzemeler sıkıştırıldığında veya gerildiğinde elektrik yükü oluşturuyor. Ortaya çıkan enerji toplanarak elektronik cihazların çalıştırılmasında kullanılıyor.
Hayvanların kalp atışlarıyla çalışan deneysel kalp pilleri de bu yaklaşımın daha önce test edildiği uygulamalar arasında yer alıyor.
Bununla birlikte geleneksel piezoelektrik enerji toplayıcıları genellikle canlı dokunun yüzeyine yerleştirilen bağımsız cihazlardan oluşuyor. Bu yöntem elektronik bileşenlerin mekanik özellikleriyle yumuşak ve esnek biyolojik dokular arasındaki farklılık nedeniyle entegrasyonu zorlaştırabiliyor. Ayrıca cihazların dokuyla teması çoğunlukla yüzeyle sınırlı kalıyor ve hücre hareketleriyle doğrudan etkileşimlerini kısıtlıyor. Jeneratörlerin boyutunu veya sayısını artırmak ise ek hacim ve mekanik kısıtlamalar oluşturabiliyor.
Massachusetts Amherst Üniversitesi ekibi, bu sınırlamaları aşmak için enerji üretiminin canlı dokulara dağıldığı bir yapıdan esinlendi. Araştırmacılar ilk olarak sensörlerde ve aktüatörlerde yaygın olarak kullanılan kurşun zirkonat titanat (PZT) adlı piezoelektrik seramikten küçük şeritler üretti. Mekanik deformasyon karşısında elektrik yükü oluşturan PZT şeritleri, ultra ince ve esnek bir polimer ağın içine yerleştirildi.
Katı yüzeylerden farklı olarak açık ağ yapısı, canlı hücrelerin boşluklardan geçerek büyümesine ve elektronik bileşenlerle etkileşime girmesine imkân tanıyor. Araştırmacılar, geliştirdikleri platforma insan kalp hücreleri yerleştirdi. Hücreler zamanla ağın içine ve çevresine büyüyerek elektronik yapıyla bütünleşti.
Ortaya çıkan biyohibrit yapı, canlı hücrelerle birlikte hareket edip deforme olabiliyor. Kalp hücreleri kasıldığında ağın içine yerleştirilen PZT şeritleri mekanik olarak şekil değiştiriyor ve piezoelektrik etki sonucunda elektrik üretiyor. Böylece enerji, tek bir noktada bulunan büyük bir jeneratör yerine doku boyunca dağıtılmış çok sayıda küçük birim aracılığıyla toplanabiliyor.
Çalışmanın temel yeniliğini de dağıtılmış enerji üretim mimarisi oluşturuyor. Elektronik bileşenlerin doğrudan doku yapısına entegre edilmesi, hücre hareketleriyle daha geniş bir alanda etkileşim kurulmasını sağlıyor. Araştırmacılar, biyolojik dokular ile elektronik bileşenler arasındaki mekanik uyumsuzluğun azaltılmasının biyouyumluluğu da iyileştirebileceğini değerlendiriyor.
Araştırmaya göre sistem, etkin enerji yoğunluğu bakımından geleneksel ve merkezi enerji toplama yaklaşımlarından bir büyüklük mertebesinden fazla daha yüksek performans gösterdi. Başka bir ifadeyle, yeni mimari cihazın etkin hacmine kıyasla elde edilen enerjide 10 kattan fazla artış sağladı.
Teknoloji henüz erken geliştirme aşamasında bulunuyor. Araştırmacılar sistemi şu ana kadar yalnızca laboratuvarda yetiştirilen kalp dokusunda gösterdi. Canlı bir organizmada test edilmesi veya işlevsel bir tıbbi implantı tek başına çalıştırabildiğinin ortaya konulması henüz mümkün olmadı.
Google Play
App Store
11:53
Haberi Paylaş
İLGİLİ HABERLER
YORUM YAZ