أثبتت محاكاة الطبيعة ، أو الإلهام الحيوي ، أنها طريقة فعالة لإعادة تخيل وتصور التكنولوجيا الطبية، خاصة في الهندسة الطبية الحيوية.
حيث نشهد حاليًا موجة جديدة من الأجهزة الطبية المحتملة التي تستفيد من الطبيعة.
فيما يلي تسعة اختراقات مستوحاة من الأحياء تؤثر على تطور التقنيات الطبية:
1. إبرة مستوحاة من دبور طفيلية
تستخدم أنثى الدبور الطفيلي ملحقها الذي يشبه الإبرة ، والذي يُطلق عليه مُحدد البيض ، لوضع بيضها داخل فريستها – كاتربيلر حي. يوفر جسم كاتربيلر الظروف المثالية لتطور اليرقات. بمجرد أن تنضج ، تنفجر اليرقات عبر جسد اليرقة مسببة موتها الوحشي.
درس الباحثان بول بريدفيلد ، من جامعة دلفت للتكنولوجيا ، وجوهان فان ليوين ، من جامعة فاغينينغن ، هذه العملية الشنيعة لتطوير إبرة تشبه إبرة البيض. تستخدم الإبرة سلسلة من سبعة قضبان متبادلة ، أحدها ثابت. من خلال مناورة قضيب واحد في كل مرة ، يمكن أن تنحني الإبرة لتشكيل أشكال S بقوة خارجية قليلة جدًا. وهذا يجعله مثاليًا لتوصيل الأدوية وإجراء الإجراءات في الأجزاء الصعبة جدًا والحساسة من الجسم.
2. غراء جراحي مستوحى من أبو بريص
ربما تكون إحدى أعظم قصص النجاح للتقدم الطبي المستوحى من الحياة البيولوجية هي لاصق أبو بريص الذي طوره الأستاذ روبرت لانجر وجيف كارب ، أستاذ الطب في كلية الطب بجامعة هارفارد ، ومستشفى بريغهام والنساء.
يحاكي اللاصق السطح المتقشر لقدم الوزغة باستخدام هياكل نانوية صغيرة يتم بعد ذلك وضع غراء رقيق عليها ، مما يخلق ضمادة قابلة للتحلل الحيوي لإصلاح الأعضاء والأنسجة. شهد الشريط تحولًا هائلاً على مدار السنوات السبع الماضية منذ إنشائه ، وأدى إلى إطلاق Tissium ، وهي شركة مكرسة لتطوير الأنسجة الحيوية والقابلة للبرمجة.
3. مصاصة مستوحاة من الأخطبوط لتطعيم الأنسجة
تتمثل إحدى أكبر المشكلات المتعلقة بزراعة ترقيع الأنسجة الدقيقة على المريض في خطر إتلاف الأنسجة أو تلويثها قبل أن تصبح جاهزة للتطبيق. في الحالات التي يكون فيها الكسب غير المشروع شديد الرقة ، يكون التقديم صعبًا بشكل استثنائي ويمكن أن يؤخر تعافي المريض. قام Hyunjoon Kong ، أستاذ الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة إلينوي ، ومجموعته ، مؤخرًا بإطلاق مصاصة مستوحاة من الأخطبوط ، والتي يمكنها التقاط وإطلاق الطعم مع ضغط ضئيل أو بدون ضغط.
يستخدم أجهزتهم طبقة هيدروجيل مستجيبة للحرارة ، والتي يتم تسخينها باستخدام سخان كهربائي ، مما يؤدي إلى تقلص الهلام. ثم يتم وضعه برفق على الكسب غير المشروع ويتم إيقاف الحرارة ، مما يتسبب في تمدد الهلام والتشبث بالطعم – مثلما يستخدم الأخطبوط مخالبه العضلية للتوسع والتقلص حول فريسته. بمجرد وضعه على المنطقة المرغوبة ، يتم إعادة تسخين الهيدروجيل ، ثم تحرير الشفط على الكسب غير المشروع.
4. مستشعرات حيوية مستوحاة من الطاووس
يمكن للفراشة ذات الألوان الزاهية أو الخنفساء أو حتى الطاووس أن يكون لها ألوان من الأزرق والأخضر والأرجواني. يعتمد هذا التلوين الفريد على العديد من العوامل المختلفة ، بما في ذلك البنية النانوية للمقاييس أو الريش ، وعدد هذه الطبقات ، وكيف يضربها الضوء.
وجد المهندسون في جامعة ساري وجامعة ساسكس طريقة لتقليد هذه الأنماط باستخدام الجرافين لإنتاج بلورات فوتونية شبيهة بالأوبال يمكن أن تغير لونها استجابةً ليس فقط للضوء ، ولكن درجة الحرارة والتغيرات الكيميائية والضغط وغير ذلك. يمكن استخدام البلورات لعدد من التطبيقات الطبية ، بما في ذلك تقنيات الاستشعار البيولوجي للكشف عن فيروسات الجهاز التنفسي ؛ المراقبة الحيوية لتحسين أو تعزيز الأداء البدني ؛ أو حتى سلامة الرعاية الصحية لتحديد مدى صحة السطح.
5. القسطرة الكهربائية المستوحاة من الأسماك
أعلنت جامعة جونز هوبكنز مؤخرًا عن تطويرها لقسطرة يمكنها التنقل عبر مسارات الأوعية الدموية المعقدة التي تقلل من الحاجة إلى الأصباغ الإشعاعية والأشعة.
التصميم مستوحى من سمكة كهربائية وقدرتها على توليد مجال كهربائي للتنقل. كما أنه يستخدم مستقبلات كهربائية للكشف عن المجالات الكهربائية للفريسة القريبة. وبالمثل ، فإن قسطرة جونز هوبكنز مجهزة بأقطاب كهربائية عند طرفها لإرسال ملاحظات حول موقعها في وعاء دموي. تُنشئ هذه الملاحظات خريطة يمكن للمهندسين استخدامها لتوجيه القسطرة إلى الموقع المحدد الذي تحتاج إليه. ستوسع هذه الطريقة الاحتمالات لأولئك الذين لا يستطيعون الخضوع لإجراء التنظير.
6. مصدر طاقة كهربائي مستوحى من ثعبان البحر للأعضاء الاصطناعية
يستخدم سمك السكين ، أو ثعبان السمك الكهربائي ، الكهرباء أيضًا عن طريق توليد نبضات سريعة لصدمة فريسته وصعقها. درس المهندسون في جامعة ميشيغان في آن أربور تشريح ثعبان البحر والخلايا المشحونة ، المسماة بالخلايا الكهربائية ، التي تشكل الأعضاء الكهربائية. يستطيع ثعبان السمك تسخير الطاقة من آلاف هذه الخلايا المركزة لإنتاج صدمة تصل إلى 600 فولت.
باستخدام مزيج من الهلاميات المائية والملح ، تمكن المهندسون من بناء عضو اصطناعي خاص بهم يمكنه إنتاج ما يصل إلى 100 فولت. هذه طاقة كافية لشحن الأجهزة الطبية الصغيرة مثل أجهزة ضبط نبضات القلب دون الحاجة إلى إعادة الشحن الخارجي. في الواقع ، يمكن أن يؤدي التصميم إلى جهاز يقوم بتشغيل نفسه باستخدام عمليات تحدث بشكل طبيعي في الجسم.
7. Theragrippers مستوحاة من الديدان الطفيلية
الدودة الشصية مخلوق خبيث ، تخترق الجسم حتى تتمكن من الإمساك بالأمعاء وتغذي دم الحيوان. قام David Gracias و Florin Selaru من جامعة Johns Hopkins بدراسة هذه الدودة الطفيلية لإلهام تصميم لجهاز صغير يمكنه ترسيخ نفسه في الأمعاء.
الجهاز على شكل نجمة ، المسمى بالمُعالج ، ليس أكبر من ذرة من الغبار ، وهو مصنوع من طبقة رقيقة من المعدن مغطاة بشمع البارافين. عند إطلاقه في الجهاز الهضمي ، سوف يذوب الشمع وسيتم تثبيت الجهاز في الأمعاء حيث يمكنه الاحتفاظ لفترة طويلة من الوقت لإفراز الدواء ببطء. يمكن أن يكون Theragrippers حلاً للعديد من مشكلات الجهاز الهضمي حيث لا يكون للأدوية الحالية أي وقت لتدخل حيز التنفيذ قبل إخراجها من الجسم.
8. جهاز مستوحى من الأسماك المنتفخة لرصد القرحة والأورام
صمم المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حبة قابلة للهضم يمكن أن تنتفخ إلى حجم كرة بينج بونج وتبقى في المعدة لمدة تصل إلى شهر. يمكن أن يساعد التصميم ، المستوحى من السمكة المنتفخة ، الأطباء في دراسة الأورام والقروح.
الحبة مصنوعة من طبقتين من الهيدروجيل ، الطبقة الداخلية ماصة وتعمل الطبقة الخارجية كطبقة حماية. مثل الكثير من الأسماك المنتفخة ، يمكن للحبة أن تنتفخ وتفرغ من الهواء نتيجة استجابة كيميائية. تنتفخ الحبة عندما تتلامس مع عصارات الجهاز الهضمي ويمكن أن تنكمش مع شراب من محلول الكالسيوم وتمر عبر المريض دون ضرر.
9. مادة لاصقة مستوحاة من سبيكة معدنية للشفاء الجروح
الممر اللزج الذي تتركه سبيكة وراءها هو في الواقع آلية دفاع. في الواقع ، يكون المخاط الذي يشبه الصمغ قويًا لدرجة أنه حتى المفترس الشرس لا يمكنه فصل البزاقة. استوحى المهندسون في معهد Wyss في جامعة هارفارد من هذه القوة لإنشاء غراء جراحي قوي للغاية يمكن استخدامه لسد الأعضاء والأنسجة بعد الجراحة.
يتكون الصمغ من نوعين من البوليمرات ، مستخلص أعشاب بحرية يسمى الجينات وبولي أكريلاميد. تكون هذه المواد بمفردها واهية في أحسن الأحوال ، ولكن عند دمجها تشكل رابطة قوية. أثبتت الاختبارات الصارمة أن الصمغ يمكنه تحمل ثلاثة أضعاف مقدار التوتر الذي يعطل أفضل المواد اللاصقة الطبية الحالية ، مما يجعله بديلاً مثالياً لإصلاح أجزاء الجسم التي تتحرك ، مثل ضربات القلب.
تعمل هذه الابتكارات المستوحاة من الحيوية على تغيير الطريقة التي نفكر بها في الطب وأفضل طريقة لعلاج المرضى. على الرغم من أن إدخال الكثيرين إلى جناح الجراحة سيستغرق سنوات ، يأمل المهندسون أن تؤدي تصاميمهم إلى ثورة في الإجراءات الطبية.