النهج الابتكارية لتوليد أجهزة البكرياس ذات الأداء الإصطناعي من أجل الاستخدام اليومي

تحدي السلطة في تكنولوجيا البول السكري في المرحلة التالية

إن البنكرياس الاصطناعي، الذي يشار إليه في كثير من الأحيان بأنه نظام منفذ لإرسال الأنسولين، يمثل أحد أهم التطورات في إدارة السكري من النوع الأول، وهذه الأجهزة تجمع بين رصد مستمر للغلوكوز، ومضخة من القاذورات، وخوارزمية للمراقبة من أجل تعديل تسليم الأوسجين بصورة تلقائية استنادا إلى قراءات السكر في الوقت الحقيقي، مما يجعل من الصعب على الأفراد الذين يعيشون في حالة السكري أن يخففوا من حدة هذا التحدي التكنولوجي.

وعلى عكس الهواتف الذكية أو الحواسيب المحمولة التي يمكن أن تُشحن أو تُشحن أثناء الليل، يجب أن يعمل البنكرياس الاصطناعي على مدار الساعة، وقد يؤدي فشل الطاقة، حتى ولو كان قصيرا، إلى وقف عملية التسليم أو رصد الجلوكوز، مما يؤدي إلى تقلبات خطيرة في السكر، وهذا الشرط يحوّل مصدر الطاقة من مجرد ملاءمة إلى عنصر أمان حرج، حيث أن هذه النظم تصبح أصغر، وأكثر تواترا، وتدمجا في الحلول المبتكرة.

حلول السلطة الحالية والحدود المفروضة عليها

وتعتمد معظم نظم البنكرياس الصناعية المتاحة تجاريا على البطاريات التي يمكن شحنها من الليثيوم أو من البوليمر، وهذه المصادر للطاقة مفهومة جيدا وتستخدم على نطاق واسع في أجهزة المستهلكين الالكترونية، مما يوفر توازنا معقولا بين كثافة الطاقة والوزن والتكاليف، غير أن عدة قيود أساسية قد ظهرت عندما يتم نشر هذه البطاريات في جهاز طبي يجب أن يعمل باستمرار.

حجم البطاريات ومصنعها

ويمكن أن تقاس البطاريات الليثيومية المناسبة لتوليد الطاقة على حد سواء، ومحرك مضخة، وجهاز لاسلكي بلوتون لنقل البيانات، عادة عدة سنتيمترات، وهذا الكم يفرض قيودا على تصميم الأجهزة، ويجب على المصنعين إما بناء أجهزة أكبر تستوعب بطاريات أكبر أو تقبل فترات أقصر، وبالنسبة للمستعملين، فإن هذا المتاجر يؤثر تأثيرا مباشرا على الراحة، والتقدير، والارتطاء.

Recharging Frequency and User Burden

في الممارسة العملية، العديد من أجهزة البنكرياس الصناعية الحالية تحتاج إلى إعادة شحن كل 12 إلى 24 ساعة، تبعاً لأنماط الاستخدام، قوة الربط بين بلوتون، وتواتر تسليم الأنسولين، اشتراط أن يتذكر المستخدم شحن جهاز طبي كل يوم، والتخطيط حول تلك النافذة، يعيد تقديم شكل من الأعباء المعرفية التي تهدف التكنولوجيا إلى القضاء عليها،

تدهور البطارية عبر الزمن

وقد تفقد البطاريات التي تشحن الليثيوم القدرة على كل دورة من دورات الشحن، وعلى مدى فترة نموذجية من عمر الجهاز تتراوح بين سنتين وأربع سنوات، يمكن أن تتدهور البطارية إلى 70 أو 80 في المائة من قدرتها الأصلية، مما يعني أن تجارب المستعملين تقل تدريجيا في فترات الجرعة، ويمكن التعجيل بهذا التدهور بالتعرض لحرارة الجسم، والتصريفات العميقة المتكررة، والعلاج الحايل المستمر للشحنات النموذجية للأجهزة القابلة للقطع.

الشواغل المتعلقة بالسلامة في نهاية الشحن

وعندما يقترب النضوب من بطارية الليثيوم، يجب أن يحافظ الجهاز على الطاقة بينما يستمر في أداء المهام الحاسمة، وتنفذ نظم كثيرة أساليب منخفضة القدرة تقلل من تواتر أخذ العينات في الحسبان، أو تضعف قدرة نقل البلوتوث، أو تعطل الإنذارات غير الضرورية، وفي حين أن هذه التدابير تمتد فترة الارتداد، فإنها يمكن أن تتدهور الأداء عندما يحتاج المستخدم إلى أكثر الأجهزة تحطيما، أو النوم المتعمد أو عندما يكون السكر غير قابل للتشغيل.

النهج الابتكارية لتوليد أجهزة البكرياس ذات الصبغة الفلكية

وإذ تدرك هذه النهج القيود التي تفرضها البطاريات التقليدية والباحثون والمهندسون، فإنها تتبع عدة استراتيجيات جديدة لتوليد الطاقة الاصطناعية لنظم البنكرياس، وتهدف إلى تقليل أو إزالة الحاجة إلى شحن خارجي، وتقلص حجم الأجهزة، وتحسين الموثوقية للاستخدام اليومي الحقيقي.

1- تسخير الطاقة من الهيئة

تكنولوجيا جمع الطاقة تلتقط طاقة مُقدّمة من جسم المستخدم أو بيئته وتحوّلها إلى طاقة كهربائية، بالنسبة للأجهزة الطبية القابلة للارتداء، أكثر أساليب الحصاد واعدة تعتمد على مصادر متاحة بشكل طبيعي ومستمر.

(ب) يعتمد على مواد تولد شحنة كهربائية عند الإجهاد الميكانيكي، وفي سياق قابل للذوبان، يمكن أن تُحصد حركة المشي أو حركة التسلح أو حتى التوسع في الصدر أثناء التنفس، وقد طور الباحثون أفلاماً مكملة للثديين مرنة يمكن أن تُدمج في مساكن المضخات المصغرة في الأنسولين أو في إطار الترسب.

Thermoelectric energy harvesting] exploits the temperature difference between the skin (rough extending 32wandash;35، البيئة المحيطة؛C) and Thermoelectric birth (TEGs) cancapt produce small amounts of electricity whenever that temperature gradient exists.

(أ) تمثل خلايا الوقود الأحيائي نهجاً أكثر تطرفاً: فهي تولد الكهرباء مباشرة من ردود الفعل الكيميائية البيولوجية في الجسم، ويمكن أن تجني خلايا الوقود الأنزيائية، على سبيل المثال، الطاقة من الغلوكوز في السوائل أو مجرى الدم، وهذا المفهوم يتسم بدرجة كبيرة من الوضوح بالنسبة لعموم الصنع لأن الجهاز قد اكتسب بالفعل بيانات عن الغازات الجليدية ويمكن أن ينتج نظرياً عنها.

2 - نقل السلطة عبر الحدود وشحنها عن بعد

فتقنيات نقل الطاقة اللاسلكية تتيح توجيه شحنات إلى الأجهزة دون اتصال مادي بمصدر للطاقة، وقد يعني ذلك بالنسبة إلى البنكرياس الاصطناعي، توجيه رسوم أثناء نوم المستخدم، أو الجلوس في مكتب، أو حتى قيادة السيارات، دون الحاجة إلى إزالة الجهاز أو الوصول إلى ميناء شحن.

(أ) إن التقريب الحثيث هو أكثر الطرق نضجاً في مجال الطاقة، حيث أنه يستخدم حقول مغناطيسية متولدة عن سائل في رصيف شحن لحفز التيار في سائل مطابق داخل الجهاز، وهذا النهج يُعطي بالفعل الكثير من أجهزة الاستهلاك الجاهزة والزات الطبية، حيث أن شحنات المضخات الاصطناعية التي تُستخدم في مكان قريب من المصانع.

(ب) إن استخدام الطاقة اللاسلكية ذات الترددات اللاسلكية (FLT: 1) هو نهج أكثر طموحاً، حيث أن أجهزة تحويل الطاقة التي تعمل في نطاقات الإدارة المتكاملة (مثل 915 ميغاهيرتز أو 2.4 غيغاهيرتز) يمكن أن تُحدّد الطاقة من مسافات عدة أجهزة قياس، بينما يُستمدّ الأنتيل في الترددات جزءاً من هذه الطاقة المصغرة ويُسترجعها

(ب) استخدام موجات صوتية لنقل الطاقة من خلال الأنسجة والهواء، ويجري التحقيق في هذه الطريقة من أجل الأجهزة الطبية ذات النطاق العميق، ولكن يمكن أيضاً أن تُنقل إلى النظم القابلة للزراعة، وقد يخترق جهاز الموجات فوق الكتفية عبر المسكنات المعدنية والمياه (السائل) أكثر فعالية من الحقول المغناطيسية، ولا يتطلب ذلك تخصيص مسافات دقيقة من مضخات السائل.

3 - الكيمياء البطارية المتقدمة وتكنولوجيات التخزين

وحتى مع جمع الطاقة والقوة اللاسلكية، ستظل معظم النظم بحاجة إلى عنصر محلي لتخزين الطاقة لتوليد الطاقة أثناء فترات الطلب المرتفع (مثلا عندما يقوم محرك المضخة بنشاط بتوصيل المطاط) أو عندما تكون ظروف الحصاد غير صالحة، وبالتالي فإن تحسين عنصر التخزين نفسه هو طريق حرج آخر.

(أ) الاستعاضة عن السائل أو الهدروليت الجيلي الموجود في خلايا الليثيوم التقليدية ببطاريات صلبة أو متعددة الكهرباء، ويتيح هذا التصميم مزايا عديدة للملابس الطبية: ارتفاع كثافة الطاقة (يشير إلى أن دورتي الوصلتين إلى الحد الأدنى من السائل أو الجيل المصممة على نحو محدد) ولا تنطوي على مخاطرة كبيرة من التسرب الكهربائي.

يمكن أن تخلق البطاريات ذات الرش الضوئي، مع وجود طبقة صغيرة من الطاقة، أو أن تُودع مباشرة في لوحة أجهزة التحكم بالبطارية، أو حتى في شكل مواقد مرنة، أو أن تُستخدم البطاريات ذات الصبغة الاصطناعية، أو أن تُستخدم في تركيبات البطاريات، أو أن تُستخدم في شكل مواصف للزرق.

Supercapacitors] offer an alternative to batteries for short-term energy storage. They can deliver high blows of power very quicklymdash;ideal for the moment when an insulin pump motor startscapmcapdash; and they can be charged and discharged hundreds of thousands of times without degradation. A hybricidro mobilization

4 - إدارة الطاقة وتصميم القوى المنخفضة

وإلى جانب مصدر الطاقة نفسه، فإن كيفية إدارة الجهاز واستهلاكه للطاقة هي بنفس القدر من الأهمية، ويمكن تحقيق مكاسب كبيرة من خلال خوارزميات إدارة الطاقة الذكية واختيار العناصر.

(أ) أن أخذ العينات والبث الاستيعابيين (]) هي إحدى هذه الاستراتيجية، بدلاً من أخذ العينات من الغلوكوز بمعدل مرتفع ثابت (مثل كل دقيقة)، يمكن للجهاز أن يكيف بشكل دينامي تواتر أخذ العينات استناداً إلى معدل تغيير السكر في الدم، وعندما تكون مستويات الغلوكوس مستقرة، يمكن أن يُعين متوسط معدل انتقال الدم كل خمس دقائق ويُنقل البيانات في شكل معد.

ويمكن أن تؤدي هذه الأجهزة إلى تعطيل النظم الفرعية غير الحرجة خلال فترات النشاط المنخفض، مثل جهاز البث الإذاعي الذي يُعد في أغلب الأحيان واحداً من أكبر مستهلكي الطاقة، إلى وضعه في حالة نوم عميق بين نقل البيانات المقرر.

(أ) إن تطبيق نظام التوازن الصناعي هو أيضاً مهم، كما أن خوارزمية التحكم التي تحسب معدلات تسليم الأنسولين يمكن تنفيذها في إطار معياري ثابت على ملوثات صغيرة منخفضة الطاقة بدلاً من مجهزة إشارات رقمية تعمل على توليد الطاقة، وقد أثبت الباحثون أن هناك نظاماً عملياً لمراقبة إنتاج المواد الكيميائية (GMP-integral)

اعتبارات السلامة والتنظيم لنظم الطاقة النووية

(ج) إدخال تكنولوجيا جديدة للطاقة إلى جهاز طبي، لا سيما جهاز يتحكم مباشرة في تسليم الأنسولين، يتطلب التحقق الدقيق من السلامة والموافقة التنظيمية، وقد وضعت إدارة الأغذية والمخدرات بالولايات المتحدة والهيئات الدولية مثل اللجنة الدولية للكهرباء معايير للمعدات الكهربائية الطبية، بما في ذلك سلامة البطاريات والتوافق الكهرومغناطيسي وإدارة المخاطر.

لا يمكن التنبؤ بمصدر الطاقة يستحدث طبقة جديدة من التعقيدات يجب أن يكون الجهاز مصمماً ليعمل بأمان حتى عندما تكون ظروف الحصاد سيئة، مثلاً إذا كان المستخدم مُراقباً لعدة ساعات نظام يعتمد بشدة على الطاقة المحصولة

(ب) بالنسبة لنقل الطاقة اللاسلكية، [(FLT:1]] مركز الشواغل المتعلقة بالسلامة على تدفئة الأنسجة والتعرض الميداني الكهرومغناطيسي، ويجب الوفاء بحدود معدل الامتصاص المحددة لضمان ألا تتسبب الطاقة غير المباشرة أو الفوقية في إحداث أضرار حرارية، حيث أن استخدام نظم الشحن الجاهزة العاملة في فترات تقل عن 1 ميغاهيرتزية يمثلان في العادة حدا أدنى من المخاطرة بـ 60 كياناً.

(ب) بالنسبة لكيميائيات البطاريات المتقدمة، [(FLT:1]]) تظل القابلية للاشتعال والسمية من الشواغل الرئيسية، وبطاريات الدول الصلبة أكثر أماناً من بطاريات الكهرباء السائلة، ولكن يجب أن تجتاز اختبارات دقيقة لدائرة قصيرة، وشديدة في الشحن، وظروف التمزق، ودليل الأمم المتحدة للاختبارات والمقاييس (UN 38-3) هو معيار السلامة الناشئ.

تحديات التكامل والتصميم على مستوى المنظومة

إن اعتماد مصدر جديد للطاقة ليس مجرد مسألة تبادل بطارية واحدة لبطارية أخرى، ويجب تصميم هيكل الأجهزة بأكمله مع وضع نظام الطاقة في الاعتبار.

Thermal management] becomes more important when energy harvesting components generate heat or when wireless charging induces eddy currents in nearby metal parts. The tool must dissipate any excess heat without raising the skin temperature above safe limits (typically a 4deg; C rise above am profilebient for medical harvests in contact with skinchangeers must model.

Water and complexitys] is a persistent challenge for any wearable. A tool that relies on piezoelectric or thermoelectric harvests or vents that compromise its IP rating. All energy harvesting and wireless charging components must be sealed against moisture while still allowing the physical temperature phenomena (vibration)

Form factor and comfort] cannot be sacrificed for power system innovation. A battery that lasts three days but makes the tool twice as fish is unlikely to be adopted. Engineers must work in close collaboration with industrial designers and clinical end-users to ensure that power system improvements translate into real-world benefits, not just theoretical gains.

الآفاق المستقبلية والطريق إلى الأمام

إن السعي إلى إيجاد مصدر اصطناعي حقيقي للطاقة في البنكرياس طوال اليوم هو مسعى متعدد التخصصات يولد علوم المواد والهندسة الكهربائية والهندسة الطبية الأحيائية والعلوم التنظيمية، وليس من المرجح أن توفر أي تكنولوجيا واحدة حلا كاملا؛ بل إن أكثر النظم نجاحا ستدمج نُهجا متعددة في هيكل شامل للطاقة.

ومن السيناريو المعقول القريب الأجل للجيل القادم من الأجهزة نظام هجين يجمع بين بطارية صغيرة صلبة من أجل قوة خط الأساس، وكبيرة من المكثفات لتحميل الذروة، ونظام للشحن اللاسلكي الموصل الذي يسمح للمستعمل بشحن الجهاز لمدة تتراوح بين 15 و 30 دقيقة في اليوم أثناء القيام بأنشطة أخرى، ويمكن أن يكون جمع الطاقة من حركة الجسم أو الحرارة بمثابة دورة إضافية من القمة، مما يمتد بين يوم واحد إلزامي.

البحث الأطول أجلاً هو استكشاف مفاهيم أكثر جذرية خلايا الوقود الحيوي التي تستمد الطاقة مباشرة من غلوكوز الجسم يمكن نظرياً أن توفر الطاقة المستمرة لأسابيع أو أشهر بدون أي شحن خارجي

وسيكون التعاون بين الأوساط الأكاديمية والصناعة والوكالات التنظيمية أساسياً للتغلب على العقبات المتبقية، وقد قامت منظمات مثل JDRF[F] و رابطة الأمراض السكرية الأمريكية بتمويل البحوث في المراحل المبكرة في نظم الطاقة من أجل أجهزة الداء، بينما تواصل الشركات مثل وسائل التوجيه الطبية(4).

وفي نهاية المطاف، سيُحكم على نجاح أي حل للطاقة بتأثيره على نتائج المرضى، وقد يكون جهاز يجب إعادة شحنه كل 12 ساعة ولكنه يحقق رقابة جلية ممتازة أقل جاذبية من جهاز يدوم ثلاثة أيام ويخضع لمراقبة أقل دقة بقليل، ويُستدل من التوازن الصحيح بين موثوقية الطاقة وحجم الأجهزة وملاءمة المستخدمين والأداء السريري، ويستلزم إجراء حوار مستمر مع الأشخاص الذين يرتدون هذه الأجهزة كل يوم.

ومع استمرار تطور البنكرياس الاصطناعي من مفهوم بحثي إلى علاج عام، سيظل مصدر الطاقة سمة حاسمة تحدد ما إذا كان الجهاز ينجح أو يفشل في الاستخدام الحقيقي للعالم الحقيقي، ومع النهج المبتكرة التي أصبحت الآن تحت مسمى التنمية في نهاية المطاف؛ ومن جمع الطاقة والشحن اللاسلكي إلى البطاريات المتقدمة، وتوليف إدارة الطاقة الذكية، والوعد الثابت المتمثل في وجود خلل في الأمان في جميع الأيام(ج).