نانومولدهای الکتریسیته مالشی؛ نسل بعدی حسگرهای پایش سلامت پوشیدنی

ده‌ها گروه پژوهشی در زمینه نانوتکنولوژی در سراسر جهان بر روی توسعه نانومولدهای الکتریسیته مالشی (TENGs: Triboelectric Nanogenerators) برای برداشت انرژی از ارتعاشات مکانیکی کار می‌کنند. یادداشت اخیر به طور مختصر پیشرفت‌های اخیر در پایش سلامت مبتنی بر TENG را مرور می‌کند.

ده‌ها گروه پژوهشی در زمینه نانوتکنولوژی در سراسر جهان بر روی توسعه نانومولدهای الکتریسیته مالشی (TENGs: Triboelectric Nanogenerators) برای برداشت انرژی از ارتعاشات مکانیکی کار می‌کنند.

علاقه شدید به TENGها ناشی از توانایی آن‌ها برای تبدیل انرژی مکانیکی محیط به الکتریسیته برای برق‌رسانی به دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی، تولید انرژی با استفاده از صدا، شبکه‎های حسگر، حذف آلودگی هوا با فیلترهای هوای نانومولد پیشرفته، دستگاه‎های کاشتنی (implantable) پزشکی و دیگر سیستم‎های کوچک است.

شکل 1. نمودار مختصری از کاربردهای معمول TENG برای پایش سلامت

(منبع: Wiley; ©Springer; © American Chemical Society; © Elsevier©)

 

همانطور که پژوهشگران در کاربردهای متعدد نشان داده‌اند، TENGها برای پایش سلامتی مانند پایش ضربان قلب، تشخیص تنفس و یا نظارت بر راه‎رفتن استفاده می‎شوند. این یادداشت به ترتیب TENGهای پارچه‎ای و غیرپارچه‎ای را به عنوان پایشگران سلامت خود-نیرو (self-powered) پوشش می‌دهد و انواع محرک‌های سلامت شناسایی شده توسط حسگرهای سلامت خود-نیرو مبتنی بر TENG را مورد بحث قرار می‌دهد. این یادداشت همچنین حوزه TENGهای قابل‎کاشت در پایش سلامت را نیز بررسی می‎نماید. در بخش پایانی، نویسندگان درباره طراحی ساختار، مکانیزم سنجش، عملکرد دستگاه و همچنین مزایا و معایب TENGهای قابل‎کاشت در پایش سلامت بحث و گفتگو می‌کنند و چالش‌های موجود و چشم‌انداز آینده TENG در پایش سلامت را ترسیم می‌نمایند.

 

TENGهای پارچه‎ای پایشگر سلامت خود-نیرو

TENGهای پارچه‎ای دارای مزیت‌هایی چون نفوذپذیری خوب هوا، انعطاف‌پذیری و تولید در مقیاس زیاد هستند که آن‌ها را برای کاربردهای پوشیدنی بسیار مناسب می‌سازد. TENGهای پارچه‎ای به عنوان حسگرهای خود-نیرو برای مراقبت‌های بهداشتی مانند تشخیص تنفس و پایش خواب استفاده می‎شود.

TENGهای پارچه‎ای می‌توانند با توجه به ساختار دستگاه، به دو نوع طبقه‌بندی شوند. یک نوع این TENG، پارچه‌ای است که توسط یک یا دو نوع الیاف الکتریسیته مالشی بافته شده‌است. در نوع دیگر، TENG، از دو قطعه تمام پارچه، به عنوان زیر لایه و یا لایه الکتریسیته مالشی استفاده می‌کند.

 

شکل 2. الف) نمودار شماتیک نانومولدهای الکتریسیته مالشی هیبریدی (HNG)، ب) تصاویر SEM پارچه ضد تابش الکترومغناطیس رسانا (منبع: Wiley-VCH Verlag ©)

 

TENGهای پارچه‎ای نه تنها می‎توانند بر روی بدن پوشیده شوند، بلکه می‎توانند با اسباب و وسایل مثل تخت‎خواب نیز ادغام شوند تا وضعیت سلامت انسان را تحت نظر داشته باشند.

 

TENGهای غیرپارچه‎ای پایشگر سلامت خود-نیرو

اکثر پایشگرهای سلامت گزارش‎شده مبتنی بر TENG، غیرپارچه‎ای هستند و عموما روی پوست و یا لباس نصب می‌شوند. برخی از پایشگرهای سلامت مبتنی بر TENG غیرپارچه‎ای خود-نیرو، تنها یک قابلیت حسی دارند، در حالی که برخی دیگر دارای چندین قابلیت هستند. مثل: نظارت بر حرکت ماهیچه یا بدن مثل حرکت مفصل، تمرینات عضلات دو سر بازو و تنفس شکمی، کاربردهای گسترده‌ای در توانبخشی پس از عمل جراحی، ورزش و تناسب اندام دارند. حرکت عضله یا بدن، جابجایی نسبتا زیادی دارد و در نتیجه تشخیص آن برای TENGها نسبتا آسان است.

در مقابل، ضربان قلب و نبض، دامنه نوسان‎ نسبتا کوچکی دارند و این به حسگرهایی نیاز دارد که دارای حساسیت فشار بالا و حد تشخیص پایین باشند تا اطلاعات مربوط به ضربان قلب و نبض به دست آید.

TENGها همچنین برای پایش صوت استفاده شده و به عنوان سمعک عمل می‌کنند. پایش صوت نه تنها می‌تواند صداهای گفتاری را در محیط‌های پر سر و صدا بلند کند، بلکه می‌تواند در توان‌بخشی آوایی نیز مهم باشد.

 

شکل 3. نمودار شماتیک یک نانومولد الکتریسیته مالشی مبتنی بر حسگر لاکتات (منبع: Wiley-VCH Verlag ©)

 

گذشته از این، TENGها به عنوان حسگرهای خود-نیرو برای تشخیص مواد شیمیایی مرتبط با مراقبت‌های بهداشتی نظیر کربن دی‌اکسید نیز استفاده می‎شوند. مکانیزم اصلی برای این نوع حسگر شیمیایی مبتنی بر TENG خود-نیرو، شیمیایی بودن آن است که بر عملکرد TENG تاثیر دارد و می‌تواند بین خروجی الکتریکی و غلظت شیمیایی ارتباط برقرار کند.

 

سیستم سنجش خود-نیرو مبتنی بر TENG برای پایش سلامت

در حقیقت TENGهای مورد بحث در بالا، همگی خودشان به صورت خود-نیرو پایش سلامت را انجام می‎دهند، TENGها همچنین می‌توانند به سیستم‌های سنجش خود-نیرو با دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی و حسگرهای سلامتی، برای پایش وضعیت سلامتی مثل ضربان قلب، نبض، دمای بدن، تنفس و غلظت لاکتات تجمیع شوند.

سیستم سنجش سلامت مبتنی بر TENGنه تنها می‎تواند محرک‎های مبتنی بر حرکت را تشخیص ‌دهد بلکه محرک‌هایی که منشاء حرکت مکانیکی ندارند را نیز تشخیص می‎‌دهد، که کاربردهای سنجش سلامت آن‌ها را گسترش می‌دهد.

در حال حاضر راندمان تبدیل انرژی این دستگاه‎ها رضایت‌بخش نیست و باید به منظور حصول اطمینان از عملکرد، پیوسته بهبود یابد. مطالعات پیش از این، چندین رویکرد را نشان داده‌اند که می‌تواند عملکرد  TENGرا افزایش دهد، که شامل استفاده از مواد نرم (soft materials) با سطح نانوساختار، اصلاح سطح مواد دی‌الکتریک و ایجاد قطبش دی‌الکتریک ساخته‌شده است.

 

TENGهای قابل‎کاشت برای پایش سلامت

در سال‌های اخیر دستگاه‌های پزشکی قابل‎کاشت مانند ضربان‎ساز قلب، پایشگر قلب، حسگرهای خون زیرپوستی و یا پمپ‌های دارو، به طور مداوم در حال توسعه هستند. با این حال، آن‌ها همچنان با چالش‌های بزرگی مثل به حداقل رساندن مصرف انرژی و افزایش طول عمر دستگاه مواجه هستند. امید است نانومولدها چنین چالش‌هایی را در راه ارائه خدمات به صورت حسگرهای خود-نیرو و یا فعالیت به عنوان منبع نیروی ایمپلنت‎ها مرتفع نمایند. ضربان قلب همانند نبض در رگ‌های خونی دو نوع رایج از منابع برای TENGهای قابل‎کاشت به منظور تولید خروجی‌های الکتریکی هستند.

 

شکل 4. الف) نمودار شماتیک ساختار TENG قابل‎کاشت، ب) نمودار شماتیک مکانیزم TENG برای پایش سرعت جریان خون (منبع: Elsevier ©)

 

با این وجود، چالش‌های چشمگیری در این زمینه وجود دارد. به غیر از خطرات معمول یک عمل جراحی، TENGهای قابل‎کاشت عموما با یک شکاف گازی (gas gap) میان دو لایه الکتریسیته مالشی تشکیل می‌شوند، بنابراین هنگامی که آن‎ها در بدن قرار می‎گیرند بسته‌بندی دقیق و ایمن، یک الزام اجباری است.

به طور کلی پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند که "TENGها پتانسیل بالایی برای کاربردهای پایش سلامت نشان داده‌اند، اما هنوز چالش‌های بیشماری وجود دارد که باید قبل از صنعتی شدن و تجاری‎سازی مورد توجه قرار گیرد. کارهای آینده ممکن است شامل؛ گسترش بیشتر کاربرد‌های مرتبط با سلامت، بهینه‌سازی ساختار دستگاه، افزایش حساسیت، بهبود توانایی ضد تداخلی، افزایش پایداری و بهبود سازگاری سیستم‌های یکپارچه باشد."

کاربردهای نانوپوششهای سخت و مقاوم در صنایع پزشکی و دارویی

کاربردهای نانوپوششهای سخت و مقاوم در صنایع پزشکی و دارویی

در سالهای اخیر با توجه به پیشرفت چشمگیر فناوری نانوپوشش ها در کشور امید است تا بتوان با بهره گیری از این فناوری مشکات موجود در مواجهه با سایش، فرسایش و ضربه در صنایع پزشکی و مواد غذایی را مرتفع کرد. صنایع پزشکی و مواد غذایی از جمله صنایع فعال در ...