تطوير مستشعر حساس لمراقبة السكتة الدماغية

قام فريق بحثي بقيادة البروفيسور سونج كيون كانج، من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة سيول الوطنية، بتطوير مستشعر إجهاد ذو حساسية قياسية، بالتعاون مع باحثين من جامعة دانكوك وجامعة أجو وجامعة بيردو.

قدمت هذه الدراسة مستشعرًا شديد الحساسية ومرنًا وقابلًا للتمدد من خلال الجمع بين الشقوق الدقيقة والهياكل الفوقية بطريقة مبتكرة.

تتيح التكنولوجيا المتقدمة تشخيص السكتة الدماغية في الوقت الفعلي من خلال مراقبة تدفق الدم المستمر، مما يفتح إمكانيات جديدة في مجال الهندسة الطبية الحيوية الدقيقة.

نُشرت نتائج هذه الدراسة في مجلة Science Advances.

تكتشف أجهزة استشعار الضغط المرنة والقابلة للتمدد الإشارات الميكانيكية الحيوية أو تشوه الأشياء المحددة بناءً على التغيرات في المقاومة الكهربائية للمواد الموصلة.

ومع ذلك، فإن أجهزة الاستشعار السابقة محدودة بسبب انخفاض الحساسية والانحدار الكبير في الأداء عند قياس الضغوط اللامتناهية الصغر التي تقل عن 10 −3.

يفرض هذا القيد تحديات بالغة الأهمية في التشخيص المبكر للأمراض المرتبطة بالإشارات الفسيولوجية الميكانيكية، وكذلك في تقييمات الموثوقية البنيوية وتقييمات السلامة الوقائية.

على سبيل المثال، تصاحب أمراض الأوعية الدموية الدماغية مثل نزيف المخ أو نقص التروية إجهادات صغيرة للغاية تقل عن 10 -3 قبل أن تصبح مهددة للحياة.

وعلى نحو مماثل، تتعرض المواد الإنشائية عادة لمستويات إجهاد سطحية تتراوح بين 10 -5 إلى 10 -3 قبل الفشل الكارثي، وهو ما قد يؤدي إلى خسائر كبيرة في الأرواح.

ولمعالجة هذه التحديات، قدم فريق البروفيسور كانج بنية فوقية ذات نسبة بواسون سلبية، محققًا حساسية أكبر بما يصل إلى 100 مرة مقارنة بالمستشعرات السابقة.

يستطيع المستشعر اكتشاف سلالات صغيرة تصل إلى 10 −5 سلالات، وهو ما يعادل تغيرًا في الطول على مقياس ذرة واحدة على سطح شعرة الإنسان.

حقق المستشعر الذي تم تطويره في هذه الدراسة حساسية إجهاد رائدة عالميًا من خلال تضخيم تغييرات المقاومة الكهربائية من خلال توسيع متحكم فيه للشقوق الدقيقة النانوية.

ونتيجة لذلك، فقد أثبتت القدرة على مراقبة التشوهات اللامتناهية في الصغر المصاحبة لعمليات نمو الميكروبات، مثل الكشف في الوقت الحقيقي عن الاتصال الناجم عن نمو خيوط العفن على الخبز (توليد مستويات إجهاد صغيرة تصل إلى 10 −5).

أظهر المستشعر الذي تم تطويره حديثًا إمكانات كبيرة للتطبيق في البيئات البيولوجية.

نجح فريق البحث في ربط المستشعرات بسطح الأوعية الدموية الدماغية داخل الجمجمة، مما يتيح مراقبة ضغط الدم وتغيرات تدفق الدم في الوقت الفعلي.

يسلط هذا الاختراق الضوء على إمكانات المستشعر في التشخيص المبكر لأمراض الأوعية الدموية الدماغية مثل النزيف الدماغي ونقص التروية، بالإضافة إلى اضطرابات القلب والأوعية الدموية، مع توفير بيانات طبية دقيقة.

علاوة على ذلك، يتكون المستشعر من مواد قابلة للتحلل البيولوجي، مما يسمح له بالتحلل بشكل طبيعي دون ترك بقايا طويلة الأمد في الجسم، مما يضمن سلامة المريض دون الحاجة إلى عمليات جراحية إضافية أو آثار جانبية.

وقال فريق البحث: "إن هذه الدراسة لا تهدف فقط إلى تحسين أداء المستشعر، بل إنها تهدف أيضًا إلى تقديم نهج رائد يتغلب على القيود الأساسية للتقنيات السابقة، ونتوقع تطبيقات واسعة النطاق ليس فقط في الهندسة الحيوية والأجهزة الطبية ولكن أيضًا في مجالات مثل الروبوتات والاستجابة للكوارث ومراقبة البيئة".