در حال قدرت: چگونه باتری‌های میکرو کوچک‌سازی دستگاه‌های قابل کاشت را امکان‌پذیر می‌کنند

دنیس پاسرو، مدیر تجاری‌سازی محصول در Ilika، نقش میکرو باتری‌ها را بر روی دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت در آینده بیان می‌کند.

اغراق نیست اگر بگوییم که ما قرار است تغییراتی را در طراحی وسایل پزشکی کاشتنی تجربه کنیم. در طول دهه آینده، موجی از محصولات جدید نحوه نگاه ما به ایمپلنت ها را تغییر خواهد داد، زیرا طیف وسیعی از دستگاه های مینیاتوری در دسترس هستند که می توانند در نزدیکی اندام های هدف کاشته شوند.

توانایی ساخت دستگاه های کوچکتر نیز فرصت های جدیدی را ایجاد می کند. برای مثال، می‌توان دستگاهی را در یک مفصل جایگزین طراحی کرد تا اطلاعاتی را در زمان واقعی در مورد وضعیت خود مفصل، سلامت کلی بیمار و بی‌نظمی‌هایی مانند ناهماهنگی و رشد غیرطبیعی استخوان ارائه دهد. این بدان معنی است که درمان اصلاحی زودتر امکان پذیر است، در حالی که موضوع جدی تر است. در آینده، داده‌های به‌دست‌آمده از تکنیک‌هایی مانند این امکان طراحی جایگزین‌های بهتر مفصل را فراهم می‌کند. تکنیک‌های مشابهی را می‌توان در ارتودنسی به کار برد، جایی که دستگاه‌هایی در پوشیدنی‌های دندانی تعبیه می‌شوند تا بزاق بیمار را برای اهداف تشخیصی کنترل کنند، در حالی که به طور همزمان ابزار پوشیدنی را برای اثربخشی و داده‌های استفاده مشاهده می‌کنند. لنزهای تماسی هوشمند می توانند معیارهای بیمار مانند سطح گلوکز و فشار داخل چشم را اندازه گیری کنند. روزی می‌توان از آن برای اجرای تصحیح بینایی و حتی ادغام بیشتر ویژگی‌های AR/VR استفاده کرد.

حداقل در کوتاه مدت، ناحیه ای که بیشترین تأثیر را برای این دستگاه های جدید دارد، نورومدولاسیون است، جایی که از تکانه های الکتریکی برای ارائه محرک هدفمند به سیستم عصبی بیمار استفاده می شود. این درمان برای بسیاری از بیماری ها از جمله درد مزمن نوروپاتیک، صرع، اختلالات لگنی، اختلالات گوارشی و آنژین به خوبی شناخته شده و بسیار موثر است. در حال حاضر، جنبه منفی نورومدولاسیون، ارائه واقعی درمان است. در برخی موارد، درمان در مراکز پزشکی انجام می شود و در برخی دیگر از طریق ایمپلنت های نسبتا حجیم انجام می شود. دستگاه‌های پزشکی فردا با ارائه جراحی کمتر پیچیده با زمان بهبودی سریع‌تر، عوارض کمتر برای بیمار و جایگزینی آسان‌تر باتری، روند کاشت را بهبود می‌بخشند و در عین حال دامنه درمان‌های موجود را گسترش می‌دهند. از آنجایی که دستگاه‌ها در نزدیکی اندام‌های مورد نظر (اعصاب، نزدیک مغز یا نخاع) کاشته می‌شوند، مزایای بیشتری مانند دوز کمتر دارو و کنترل بیشتر بر درمان‌ها برای بیماران به همراه خواهد داشت.

بسیاری از مواد تشکیل دهنده ای که این موج جدید تجهیزات پزشکی قابل کاشت را فعال می کند، مدتی است که وجود داشته است. یک میکروکنترلر پیچیده تنها چند میلی‌متر مربع روی برد مدار چاپی طول می‌کشد، ارتفاع آن کمتر از یک میلی‌متر است، در حالت آماده‌باش از توان ناچیزی استفاده می‌کند و در حالت کار فقط کمی بیشتر است. سایر اجزاء مانند تراشه ارتباطی و سنسورها دارای ابعاد و توان مورد نیاز مشابهی هستند.

تنها مؤلفه‌ای که تاکنون در برابر کوچک‌سازی واقعی مقاومت کرده است منبع انرژی است – معمولاً یک باتری – 75 درصد دستگاه‌های کاشته‌شده حیاتی از باتری‌های بزرگ و غیرقابل شارژ استفاده می‌کنند. برخی از برنامه‌های کاربردی حیاتی از باتری‌های قابل شارژ مانند لیتیوم یون (LiB) استفاده می‌کنند که شبیه باتری‌های خانگی هستند، اما با پوشش ضخیم‌تر، آن‌ها را فوق‌العاده ایمن می‌کند تا نشتی نداشته باشد. حتی اگر کوچکتر باشد، نیاز به یک پوشش به این معنی است که تقریباً غیرممکن است که ارتفاع آنها کمتر از 2 میلی متر باشد. کاهش اندازه باتری های LiB به این معنی است که آنها ممکن است نتوانند جریان پیک لازم برای تغذیه مدار را در حین کار تامین کنند.

باتری‌های کوچک‌تر، ایمن‌تر و قوی‌تر کلید تجهیزات پزشکی قابل کاشت جدید هستند و این باتری‌ها اکنون به شکل باتری‌های حالت جامد در دسترس هستند. باتری‌های حالت جامد علاوه بر اندازه کوچک خود، از الکترولیت جامد استفاده می‌کنند که نمی‌تواند نشت کند.

نمونه های عملی از باتری های حالت جامد برای کاربردهای پزشکی را می توان در محدوده Stereax ایلیکا یافت. باتری Stereax M300 دارای ظرفیت 0.3 میلی آمپر ساعت است و در بسته بندی 3.6 mm x 5.6 mm x 1 mm عرضه می شود. دارای درجه پالس 3 میلی آمپر است که برای اکثر کاربردهای پزشکی و ارتباطات کافی است. همکاری تولید و تجاری‌سازی با Cirtec Medical در اوایل سال جاری، فناوری باتری Stereax را به بازار می‌آورد که دستگاه‌های کاشتنی پزشکی را قادر می‌سازد تا قدرت باتری میکرو داشته باشند که دارای نشتی کم است و می‌توان از آن در مدارهای برداشت انرژی استفاده کرد. در آینده، شارژ بی سیم از خارج از بدن بیمار نیز امکان پذیر خواهد بود، به این معنی که در بسیاری از موارد استفاده، تقریباً به طور نامحدود در داخل بدن انسان دوام خواهند داشت.