این سوپرخازن‌ها نه تنها انرژی تولید می‌کنند، بلکه باکتری‌های مضر را از بین می‌برند و پس از استفاده به‌طور کامل در بدن تجزیه می‌شوند. بنابراین خطرات احتمالی ناشی از مواد سمی و غیرقابل تجزیه که به دلیل استفاده از باطری‌ها برای تامین انرژی دستگاه‌ها بود، ازبین می‌رود.

در دنیای پزشکی مدرن، نیاز به دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و قابل بلع که بتوانند به طور ایمن در بدن انسان کار کنند، روز به روز بیشتر احساس می‌شود. اما یکی از بزرگترین چالش‌ها در این زمینه، تأمین انرژی برای این دستگاه‌هاست. در حالی که استفاده از باتری‌های استاندارد به دلیل خطرات احتمالی ناشی از مواد سمی و غیرقابل تجزیه، گزینه‌ای مناسب به نظر نمی‌رسد، یک نوآوری شگرف در عرصه بیوالکترونیک به تازگی معرفی شده است. تیمی از محققان در دانشگاه علم و فناوری چین موفق به توسعه سوپرخازن‌های زیست‌تجزیه‌پذیر از جلبک دریایی شده‌اند که نه تنها قادر به تأمین انرژی برای دستگاه‌های پزشکی قابل بلع هستند، بلکه با خاصیت ضدباکتریایی خود می‌توانند به درمان عفونت‌ها نیز کمک کنند. این پیشرفت می‌تواند تحولی بزرگ در درمان‌های پزشکی و طراحی دستگاه‌های الکترونیکی بدن به وجود آورد.

در دستگاه گوارش انسان، اکنون یک کپسول الکترونیکی می‌تواند انرژی خود را با استفاده از جلبک دریایی بازیافتی تولید کند، دستگاه‌های الکترونیکی کوچک را تأمین برق کند و مدت زمان کارکرد آن به نیازهای انرژی خاص هر دستگاه بستگی دارد. این سوپرخازن قادر است با ارسال پالس‌های الکتریکی، باکتری‌های مضر را از بین ببرد و سپس به قطعاتی تجزیه شود که توسط باکتری‌های روده‌ای تجزیه شده و به محیط طبیعی باز می‌گردند. این فناوری نوآورانه در راستای پیشرفت‌های بیوالکترونیک، به گسترش استفاده از مواد طبیعی و تجزیه‌پذیر در توسعه دستگاه‌های پزشکی کمک می‌کند.

این پیشرفت در بیوالکترونیک از منبعی غیرمنتظره ناشی شده است: نانو الیاف داخل جلبک دریایی سارجاسوم معمولی. توانایی تأمین برق ایمن برای دستگاه‌های پزشکی در داخل بدن همچنان چالشی بزرگ باقی مانده است، با وجود پیشرفت‌های سریع در الکترونیک‌های مینیاتوری. باتری‌های استاندارد حاوی فلزات سمی و الکترولیت‌هایی هستند که در صورت نشت می‌توانند خطرات جدی برای سلامت ایجاد کنند. منابع برق قابل کاشت معمولاً نیاز به جراحی برای وارد کردن و استخراج دارند. در حالی که محققان تلاش کرده‌اند تا جایگزین‌های ایمنی با استفاده از هر چیزی از قند تا دستگاه‌های برداشت انرژی مکانیکی ایجاد کنند، این رویکردها معمولاً با مشکلاتی مواجه می‌شوند: تولید انرژی ناکافی یا نیاز به اجزایی که بدن قادر به تجزیه طبیعی آن‌ها نیست.

تحقیقات و نوآوری در زمینه سوپرخازن‌های زیست‌تجزیه‌پذیر

یک تیم از دانشگاه علم و فناوری چین اکنون نشان داده است که مواد مشتق شده از جلبک دریایی می‌توانند اساس یک منبع انرژی قوی و کاملاً قابل هضم را تشکیل دهند. سوپرخازن آن‌ها از خواص منحصر به فرد نانو الیاف سلولزی استخراج شده از جلبک دریایی سارجاسوم استفاده می‌کند که تنها با استفاده از روش‌های فرآوری مواد غذایی آماده‌سازی شده‌اند. این فناوری به دلیل استفاده از مواد طبیعی، کم‌خطر و قابل تجزیه در بدن انسان، به یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در عرصه بیوالکترونیک و پزشکی تبدیل شده است.

عملکرد سوپرخازن

در قلب این دستگاه، الکترودهایی از شبکه‌ای پیچیده از نانو الیاف مشتق شده از جلبک دریایی قرار دارند که هرکدام فقط 20-30 نانومتر قطر دارند. این نانو الیاف با ذرات کربن فعال در مقیاس نانو (که از طریق فرایند آسیاب توپ با سرعت بالا پردازش شده‌اند) ترکیب می‌شوند تا ماده‌ای با هدایت الکتریکی بالا و سطح وسیع برای ذخیره بار الکتریکی ایجاد کنند. همین نانو الیاف همچنین جداسازی بین الکترودها را تشکیل می‌دهند، در حالی که ورق طلا خوراکی به عنوان جمع‌آورنده جریان عمل می‌کند. موم زنبور عسل خوراکی این اجزاء را در بر می‌گیرد و کل دستگاه در داخل کپسولی ویژه که طراحی شده است تا در روده‌ها حل شود، قرار می‌گیرد.

این رویکرد به‌طور خاص مزایای زیادی دارد. مواد استفاده شده در این سوپرخازن‌ها به دلیل ویژگی‌های زیست‌سازگاری و تجزیه‌پذیری بالا، نگرانی‌های مرتبط با استفاده از مواد شیمیایی سمی و غیرقابل هضم را به حداقل می‌رسانند. علاوه بر این، این سوپرخازن‌ها قادر به تأمین انرژی برای دستگاه‌های پزشکی بدون نیاز به نگرانی در مورد مشکل دفع یا سمی بودن مواد در طول فرایندهای تجزیه هستند.

ساخت و کاربرد سوپرخازن کاملاً قابل بلع

عملکرد این دستگاه آن را از سایر منابع انرژی زیست‌تجزیه‌پذیر متمایز می‌کند. این سوپرخازن توانسته است ظرفیت الکترود 2.29 فاراد بر سانتی‌متر مربع را به دست آورد که تقریباً ده برابر بیشتر از دستگاه‌های مشابه ذخیره انرژی قابل هضم است. چگالی انرژی آن به 307 میکرووات‌ساعت بر سانتی‌متر مربع می‌رسد که برای تأمین برق سنسورهای کوچک و سیستم‌های تحویل دارو برای چند ساعت کافی است.

این عملکرد برتر نشان‌دهنده پیشرفت‌های قابل توجه در ساخت دستگاه‌های قابل هضم است که می‌تواند تحولی بزرگ در کاربردهای پزشکی ایجاد کند. به عنوان مثال، سوپرخازن‌های جلبک دریایی می‌توانند برای تأمین انرژی کپسول‌های اندوسکوپی که برای تصویربرداری از دستگاه گوارش استفاده می‌شوند، به کار روند. همچنین، این فناوری می‌تواند در سنسورهایی که وضعیت گوارش را به صورت مداوم پایش می‌کنند یا در سیستم‌های تحویل دارو که دارو را در مکان‌های خاص رها می‌کنند، استفاده شود.

آزمایش‌ها در شرایط گوارشی شبیه‌سازی شده یک مزیت غیرمنتظره را نشان داد: تخلیه الکتریکی که به طور طبیعی توسط دستگاه تولید می‌شود، باکتری‌ها را از بین می‌برد. هنگامی که دستگاه در معرض باکتری E. coli قرار گرفت، سوپرخازن قادر بود تقریباً 100% از سلول‌های باکتری را در عرض 10 دقیقه فقط از طریق تحریک الکتریکی از بین ببرد. این اثر ضدباکتریایی در طول عملکرد عادی دستگاه اتفاق می‌افتد و نیازی به اجزای اضافی یا تغییرات خاص ندارد.

آزمایش‌های ایمنی و تجزیه دستگاه

محققان به طور گسترده ایمنی مواد مشتق شده از جلبک دریایی خود را آزمایش کردند. زمانی که این نانو الیاف به مدت 24 ساعت در معرض سلول‌های مخاطی معده انسان قرار گرفتند، سمیت کمی نشان دادند و بیش از 93% از سلول‌ها نسبت به گروه‌های کنترل سالم باقی ماندند. پس از اتمام عمر مفید دستگاه، این دستگاه به قطعات کوچکی تجزیه می‌شود که می‌توانند توسط باکتری‌های روده به مواد مغذی پایه تجزیه شوند - مشابه فرآیند هضم جلبک دریایی در فرم طبیعی خود. این ویژگی‌ها می‌توانند موجب افزایش پذیرش این فناوری در درمان‌های پزشکی به ویژه در بیمارانی شوند که به علت استفاده از دستگاه‌های پزشکی مداوم نیاز به مواد باقیمانده در بدن ندارند.

کاربردهای پزشکی این فناوری

این فناوری مستقیماً به چندین کاربرد پزشکی فوری مرتبط است. سوپرخازن می‌تواند کپسول‌های اندوسکوپی را که برای تصویر برداری از دستگاه گوارش طراحی شده‌اند، تأمین برق کند، سنسورهایی که شرایط روده را در طول زمان پایش می‌کنند، یا سیستم‌های هوشمند تحویل دارو که دارو را در مکان‌های خاص رها می‌کنند. قابلیت‌های ضدباکتریایی داخلی این فناوری بعد درمانی دیگری را اضافه می‌کند و به طور بالقوه امکان درمان عفونت‌ها را فراهم می‌آورد.

ترکیب مواد خوراکی، تولید قدرت کافی و قابلیت هضم کامل، گام مهمی در راستای الکترونیک‌های قابل بلع عملی به شمار می‌رود. با این حال، چالش‌های مهمی هنوز باقی مانده‌اند. محققان باید مدت زمان عملکرد دستگاه را بهینه کنند، ایمنی آن را از طریق آزمایشات بالینی تأیید کنند و فرآیندهای تولید استاندارد را توسعه دهند. این فناوری همچنین نیاز به آزمایش یکپارچگی با دستگاه‌های پزشکی مختلف دارد تا کاربرد واقعی آن در دنیای پزشکی تأیید شود.

در نهایت، این پیشرفت در سوپرخازن‌های زیست‌تجزیه‌پذیر، پتانسیل زیادی برای تغییر نحوه طراحی و استفاده از منابع انرژی در داخل بدن انسان دارد. این فناوری نوین می‌تواند پایه‌گذار نسل جدیدی از دستگاه‌های پزشکی باشد که به طور کاملاً ایمن، پایدار و سازگار با محیط زیست عمل می‌کنند. با توجه به اینکه استفاده از مواد طبیعی و زیست‌تجزیه‌پذیر در دنیای پزشکی روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، این فناوری می‌تواند نقش مهمی در دستیابی به راه‌حل‌های پایدار و کارآمد ایفا کند.