นักวิจัยพัฒนา "ตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์" บางเฉียบ สามารถผสานเข้ากับเซลล์หัวใจมนุษย์เพื่อเปลี่ยนแรงหดตัวเป็นพลังงานไฟฟ้า ประสิทธิภาพสูงกว่าเทคโนโลยีเดิม 10 เท่า ปูทางสู่อุปกรณ์การแพทย์ฝังในร่างกายที่ไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่อีกต่อไป
ทีมวิจัยสหรัฐฯ ได้คิดค้นนวัตกรรม "ตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ" (Biohybrid Mesh) โครงสร้างยืดหยุ่นบางเฉียบระดับไมครอน ที่สามารถเปลี่ยนแรงหดตัวจากการเต้นของเซลล์หัวใจให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งในการทดลองระดับห้องปฏิบัติการพบว่าสามารถสร้างความหนาแน่นพลังงานได้สูงกว่าเดิมถึง 10 เท่า
เทคโนโลยีที่เป็นหนึ่งเดียวกับเซลล์มนุษย์
โดยทั่วไป เครื่องมือแพทย์ที่ใช้ฝังในร่างกาย เช่น เครื่องกระตุ้นจังหวะการเต้นของหัวใจ (Pacemaker) มักประสบปัญหาเรื่องขนาดและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เมื่อพลังงานหมดลง ผู้ป่วยไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องเข้ารับการผ่าตัดซ้ำเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ใหม่ ซึ่งสร้างความเสี่ยงและภาระทางกายภาพอย่างมาก แม้ที่ผ่านมาจะมีความพยายามในการพัฒนาอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานจากการเคลื่อนไหวของร่างกาย แต่ส่วนใหญ่มักมีขนาดใหญ่ และไม่สามารถทำงานร่วมกับเนื้อเยื่อมนุษย์ได้อย่างกลมกลืน
เทคโนโลยีนี้ถูกออกแบบให้เป็นตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่มีความยืดหยุ่นสูง มีความหนาน้อยกว่าเส้นผมของมนุษย์หลายเท่า ตัวตาข่ายประกอบด้วยเส้นใยพอลิเมอร์นำไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นอย่างประณีต จนทำให้เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจสามารถเจริญเติบโต ยึดเกาะ และยืดหดตัวไปพร้อมกับโครงสร้างตาข่ายได้อย่างเป็นธรรมชาติ โดยไม่เกิดปฏิกิริยาต่อต้าน
อาศัยการหดและคลายตัวของเซลล์หัวใจ
งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ แอมเฮิร์สต์ (University of Massachusetts Amherst) นำโดย ศ.ดร. Jun Yao วิศวกรไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ และ ศ.ดร. Zhengdong Luo นักวิจัยด้านชีววิทยาศาสตร์ ได้เปิดเผยแนวคิดการจ่ายพลังงานให้อุปกรณ์ฝังในร่างกาย โดยให้ตัวอุปกรณ์ผสานเป็นเนื้อเดียวกับเซลล์ เพื่อดักจับพลังงานเชิงกลจากการเคลื่อนไหวของระดับเซลล์โดยตรง การทดลองใช้วิธีเลี้ยงเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจมนุษย์ลงบนตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อเซลล์หัวใจหดตัวและคลายตัวเป็นจังหวะ แรงกลดังกล่าวจะถูกเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าส่งผ่านสายใยนำไฟฟ้าขนาดจิ๋วทันที
ประสิทธิภาพสูงขึ้น 10 เท่า ปลอดภัย และยืดหยุ่นกว่าเดิม
จุดเด่นสำคัญของเทคโนโลยีนี้ คือความหนาแน่นของพลังงานที่ได้จากการทดสอบในห้องทดลอง พบว่าระบบตาข่ายชีวภาพนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าต่อพื้นที่ได้มากกว่าเทคโนโลยีเก็บเกี่ยวพลังงานระดับไมโครแบบเดิมถึง 10 เท่า
ตัวตาข่ายสัมผัสกับเซลล์หัวใจทุกเซลล์ในระดับไมครอน ทำให้ไม่เสียพลังงานไปกับช่องว่างระหว่างเนื้อเยื่อ ยิ่งไปกว่านั้น วัสดุที่ใช้ยังมีความอ่อนนุ่ม นำไฟฟ้าได้ดี และมีความยืดหยุ่นสูง จึงสามารถโค้งงอไปตามการจังหวะการเต้นของหัวใจได้นับล้านครั้งโดยไม่สึกหรอหรือทำให้เซลล์เสียหาย
การรักษาและเซนเซอร์สุขภาพอัจฉริยะ
หากเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาจนสามารถใช้งานในมนุษย์ได้จริง ประโยชน์ที่จะเกิดขึ้นต่อวงการแพทย์และผู้ป่วยจะมีมหาศาล อุปกรณ์ฝังในร่างกายในอนาคตจะมีขนาดเล็กลงมาก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีช่องใส่แบตเตอรี่อีกต่อไป ผู้ป่วยโรคหัวใจที่ต้องใส่เครื่องกระตุ้นจังหวะหัวใจ จะไม่ต้องเสี่ยงผ่าตัดเปลี่ยนแบตเตอรี่ซ้ำทุก ๆ 5–10 ปี
นอกจากนี้ เทคโนโลยียังสามารถต่อยอดไปสู่เซนเซอร์ตรวจวัดสุขภาพไร้สายระยะยาว ที่ฝังไว้ใต้ผิวหนังหรือตามอวัยวะสำคัญ เพื่อตรวจจับค่าน้ำตาล แรงดันเลือด หรือสัญญาณชีพได้ตลอด 24 ชั่วโมง โดยใช้พลังงานจากร่างกายของผู้ป่วยเอง
การเปลี่ยนแรงเต้นของเซลล์หัวใจให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า นับเป็นก้าวสำคัญที่ทลายเส้นแบ่งระหว่าง "ชีววิทยา" และ "อิเล็กทรอนิกส์" ให้เลือนหายไป แม้ปัจจุบันเทคโนโลยีตาข่ายชีวภาพนี้จะยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองในห้องปฏิบัติการและต้องผ่านการทดสอบอีกหลายขั้นตอน แต่แนวคิดนี้ได้จุดประกายความเป็นไปได้ใหม่ ที่ร่างกายของเราจะเป็นผู้ป้อนพลังงานให้แก่อุปกรณ์ทางการแพทย์ เพื่อดูแลรักษาสุขภาพของเราไปได้ตลอดชีวิต
ที่มาของข้อมูล: umass.edu, eurekalert, newatlas
ที่มาของภาพ: University of Massachusetts Amherst
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
