المواد الذكية يمكن أن تحدث ثورة في الأجهزة الطبية الحيوية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Smart materials could revolutionize biomedical devices
(Ashley Belanger -بقلم: أشلي بيلانغر)

ملخص المقالة:

تركز أبحاث البروفيسور رينيه تشاو، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة ستانفورد، على ترجمة قدرات المخلوقات ذات الجسم الرخو إلى روبوتات صغيرة مصنوعة من المواد الذكية، وقادرة على التنقل في الدواخل اللينة والرطبة الملتوية لجسم الإنسان، خصوصا تلك التي يعاني الأطباء للوصول اليها. وتسعى من خلال بحثها واستخدام التقنية الجديدة إلى المساعدة في مواجهة القضايا الصحية الرئيسية، من الوقاية من النوبات القلبية إلى الرعاية بعد الجراحة. وقد أنتجت دراساتها روبوتاتٍ ذكية يمكن نشرها داخل الأوردة لإزالة جلطات الدم، ومادة هلامية ذكية جدا يمكنها محاكاة أنسجة المخ للوصول إلى جذر الاضطرابات العصبية. ومن خلال توجيه بحثها في هذا الاتجاه، فإنها تستعد لتغيير كيفية التعامل مع الرعاية الصحية، بالتعاون مع الباحثين في قسم الطب لاستكشاف كيفية استخدام المواد الذكية التي ابتكرها فريقها في مختبر المواد الذكية اللينة بكلية الهندسة لإنشاء حدود جديدة للأجهزة الطبية الحيوية.

( المقالة )

مهندس ميكانيكي يطور تقنيات لدفع الروبوتات الصغيرة إلى تضاريس جديدة داخل جسم الإنسان.

عندما تنظر البروفيسور رينيه تشاو إلى المخلوقات ذات الجسم الرخو مثل الأخطبوط أو دودة البوصة، تشاهد كيف تتشوه أشكالها عند تحركها. وهي ليست عالمة أحياء، ولكنها مهندسة ميكانيكية، تتخيل كيف ستترجم هذه الوظيفة إلى روبوتات صغيرة قادرة على التنقل في الدواخل الإسفنجية (اللينة والرطبة) الملتوية لجسم الإنسان.

والبروفيسور تشاو محبة للروبوتات منذ فترة طويلة، وتريد إرسالها عبر جدران المعدة الرطبة وإلى الشرايين الضيقة. وإذا كان هناك مكان مظلم ورطب حيث يعاني الأطباء للوصول إليه، فإنها تريد بناء روبوت يمكنه الذهاب إلى هناك. وتسعى المصممة للمواد الذكية، من خلال بحثها إلى مساعدتنا في مواجهة القضايا الصحية الرئيسية، من الوقاية من النوبات القلبية إلى الرعاية بعد الجراحة، باستخدام التقنية الجديدة.

وقد أنتجت بعض الدراسات الحديثة لفريقها روبوتاتٍ ذكية لدرجة أنه يمكن نشرها داخل الأوردة لإزالة جلطات الدم، ومصفوفةَ هيدروجيل (مادة هلامية) ذكية جدا بحيث يمكنها محاكاة أنسجة المخ للوصول إلى جذر الاضطرابات العصبية. ومن خلال توجيه بحثها في هذا الاتجاه، فإنها تستعد لتغيير كيفية تعاملنا مع الرعاية الصحية.

فعند وصولها إلى جامعة ستانفورد كأستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية في الخريف الماضي (2021)، جاءت البروفيسور تشاو إلى الحرم الجامعي خصيصا لكسر هذه الأرضية الجديدة. وأطلقت على الفور تعاونًا متعددًا مع الباحثين في قسم الطب لاستكشاف كيف يمكن استخدام المواد الذكية التي ابتكرها فريقها في مختبر المواد الذكية اللينة بكلية الهندسة لإنشاء حدود جديدة للأجهزة الطبية الحيوية.

وتقول البروفيسور تشاو: “إنها عقلية مختلفة جدا عندما نفكر في تطوير تقنية جديدة ثم تطبيق هذه التقنية على تطبيق طبي حيوي معين”. وتتابع: “نحن لسنا أطباء، ونحن بحاجة إلى معرفة ما ستكون عليه التحديات السريرية الهامة وكيف يمكن أن تكون تقنيتنا مفيدة”.

وكان الأطباء في السابق يتصلون بالمهندسين لصنع أجهزة من المواد الموجودة، لكن مختبر البروفيسور تشاو يعكس عملية الاكتشاف من خلال إنشاء مواد ذكية جديدة أولا، ثم التشاور مع الأطباء لمعرفة أين يمكن أن تتناسب هذه المواد بشكل أفضل مع الممارسة الطبية.

ومن خلال العمل معا، يحلم مختبر البروفيسور تشاو وخبراء الطب بأجهزة ذات وظائف أكبر، باحثين عن طرق جديدة لعلاج الأمراض الشائعة وتشخيصها. وكلما زاد عدد المواد التي يطورونها، زاد عدد التطبيقات التي يمكن للأطباء مساعدتهم في العثور عليها، ولأن هذا النهج جديد جدا، فهناك بالفعل مجموعة متنوعة من المواد لاختبارها.

وتقول البروفيسور تشاو: “لدينا الآن الكثير من المواد الجديدة التي يمكن استخدامها في الأنظمة الطبية الحيوية. لقد فتح للتو الكثير من الاحتمالات”.

وقبل عقد من الزمان، نالت البروفيسور تشاو درجة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية من جامعة شيان جياوتونغ الصينية على وجه التحديد لأنها لاحظت أن المجال لمس العديد من الموضوعات المختلفة.  ورأت أنها جسر لاستكشاف جميع التخصصات.

وقد أنهت تعليمها في الولايات المتحدة، وحصلت على درجة الماجستير والدكتوراه في الهندسة الميكانيكية من جامعة براون، وتلت ذلك بالقيام بأبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتقنية. ثم أصبحت أستاذة مساعدة في قسم الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية أوهايو.

وبينما كانت رائدة في مجال البحث في هذا المجال الجديد، ظهر تركيزها الرئيسي في تطوير مواد ذكية يمكن استخدامها للتحكم لاسلكيا في الأجهزة الطبية الحيوية. وللقيام بذلك، تستخدم مواد ناعمة مثل البوليمرات والمواد الهلامية والأقمشة والرغوات والبلورات السائلة وغيرها من أشكال المادة التي يمكن أن تستمد الطاقة من المجالات المغناطيسية أو الحرارة في جسم الإنسان وتستجيب لها. وهذه الروبوتات المستجيبة للمحفزات الأصغر والأقل توغلا، هي بدون محركات ضخمة ولكن مع حركة أكثر قوة وقدرة ملاحية.

ويركز فريق البروفيسور تشاو حاليا على تطوير حركة رشيقة للروبوتات الخاضعة لسيطرة المجالات المغناطيسية للتطبيقات الطبية الحيوية. ومع ذلك، هناك فائدة إضافية للمجال الهندسي الأكبر الذي يأتي من المهندس الميكانيكي الذي يجد مكانتها. ويمكن أن تلهم تصميمات الأجهزة الطبية الحيوية هذه وظائف جديدة للأنظمة خارج العالم الطبي.

وهذا ما حدث العام الماضي عندما نشر فريق البروفيسور تشاو دراسة بحثية في نشرة “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم” (Proceedings of the National Academy of Sciences)، وكشف النقاب عن ذراع روبوتية ذات حركات مستوحاة من الأخطبوط وهيكل قابل للطي مستوحى من الأوريغامي^[١]. والجهاز مصنوع من مواد ذكية تستمد الطاقة من المجالات المغناطيسية لتمديد الأشياء وتحريفها وطيها ومعالجتها في بيئات ذات وصول محدود، مما قد يمهد الطريق لإدخال أكثر راحة للأجهزة الطبية مثل أنابيب التنفس أو القسطرة.

وفي الآونة الأخيرة، اختارت نشرة “وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم” هذه الورقة البحثية كمرشح نهائي لجائزة كوزاريلي^[٢]، احتفالا بأبحاث فريق البروفيسور تشاو لتقديم مساهمات بارزة في هذا المجال.

وتقول البروفيسور تشاو إنه على مرمى التطورات التي حققها فريقها في علوم المواد وتشغيل المحركات مع تصميم الذراع الروبوتية، فإن جزءا من الضجة حول الدراسة كان بسبب التقدم الهيكلي القائم على الأوريغامي. وقد انتبه العديد من الباحثين عبر التخصصات، لأنه إذا اتخذت نفس التصميم وغيرت طريقة التشغيل، فجأة كانت هناك العديد من الفرص للتطبيقات في مجالات أخرى تعتمد على الروبوتات لأداء العمليات أثناء السفر في التضاريس الصعبة.

وفي مختبر البروفيسور تشاو، قد ينصح خبراء الطب بالتصاميم، ولكن التقدم في مجال الهندسة لا يزال يمثل أولوية قصوى. وتقول البروفيسور تشاو: “ما زلنا، كعلماء ومهندسين، نريد التركيز على الأسئلة الأساسية في المجال الهندسي”.

وتقول البروفيسور تشاو إن جامعة ستانفورد هي المكان المثالي لذلك. وتشعر اليوم بأنها جاهزة لإحراز تقدم كبير في الأجهزة الطبية الحيوية بسبب بيئة الحرم الجامعي التعاونية. وتقول تشاو: “كل هذه المواد، لديها تطبيقات في المجال الطبي الحيوي، ولأن جامعة ستانفورد مكان خاص جدا مع مثل هذا القسم الكبير والقوي للطب، نريد الحفاظ على استمرار هذا التعاون لتحقيق أقصى قدر من تأثير تقنيتنا”.

ولا تزال التطبيقات الطبية الحيوية للروبوتات اللينة في مهدها كحقل، وقد اكتسبت الكثير من الاهتمام مؤخرا لأن هذه المواد الذكية لديها الكثير من الإمكانات للتفاعل بنجاح مع جسم الإنسان.

وتتوقع البروفيسور تشاو أن يستمر علوم المواد في دفع الحلول في المجال الطبي الحيوي. وبعد ذلك، يخطط مختبرها للنظر إلى ما وراء التشغيل المغناطيسي وتوسيع ما يمكن أن تفعله روبوتاتها بإضافة مواد سريعة الاستجابة حراريا إلى المزيج. وتقول إنه كلما تواصلت أكثر مع قسم الطب، كلما أصبح مختبرها أكثر إبداعا وكان المزيد من الفرص المتاحة لخلق تطورات كبيرة في كل من مجالات الرعاية الصحية والهندسة.

ومثل روبوتاتها التي تزحف عبر الأوردة ساعية إلى كسر الحواجز التي تحول دون العلاج الفعال، ترى أن كل مناقشة تقترب من حلول هندسية أفضل. وتقول البروفيسور تشاو: “تدريجيا، يساعد هذا النوع من التواصل والتعاون حقا”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://engineering.stanford.edu/magazine/smart-materials-could-revolutionize-biomedical-devices

الهوامش:

[١] اوريغامي {من أوري تعني “الطي”، وكامي تعني “الورق” (تغيرت كامي إلى غامي)} هو فن طي الورق، والذي غالبا ما يرتبط بالثقافة اليابانية. في الاستخدام الحديث، تستخدم كلمة “أوريغامي” كمصطلح شامل لجميع الممارسات القابلة للطي، بغض النظر عن ثقافتها الأصلية. الهدف هو تحويل ورقة مربعة مسطحة من الورق إلى منحوتة نهائية من خلال تقنيات الطي والنحت. ويكيبيديا.

[٢] نيكولاس روبرت كوزاريلي (ولد في جيرسي سيتي، نيو جيرسي في 26 مارس 1938 – وتوفي في 19 مارس 2006) هو عالم كيمياء حيوية في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ورئيس تحرير سابق لوقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. التحق بجامعة برينستون وتخرج بدرجة البكالوريوس في علم الأحياء في عام 1960. بدأ تدريب ما بعد التخرج في كلية الطب بجامعة هارفارد بنصيحة من إي سي سي لين، ونال درجة الدكتوراه في الكيمياء الحيوية في عام 1966. تم تعيينه باحثا لما بعد الدكتوراه مع آرثر كورنبرج. من عام 1968 إلى عام 1982، كان أستاذا في جامعة شيكاغو حيث درس الطوبويزوراسي (هي إنزيمات تحفز التغيرات في الحالة الطوبولوجية للحمض النووي، وتحول الأشكال المريحة والشفافة الفائقة، والأنواع المرتبطة (المرتبة) وغير المرتبطة، والحمض النووي المعقد وغير المعقد). في عام 1982 انضم إلى هيئة التدريس في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. في عام 1995، شغل منصب رئيس تحرير وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم من عام 1995 إلى عام 2006. تولى المنصب لأنه شعر أن المجلة لديها إمكانات كبيرة غير محققة كمنشور علمي. خلال فترة ولايته، وسع هيئة التحرير من 26 إلى أكثر من 140 وأنشأ مسارا ثانيا للسماح للعلماء بتقديم الأوراق البحثية مباشرة.  ويكيبيديا.