حسگر زیستی پیزوالکتریک برای پیوندهای قلبی عروقی هوشمند بر اساس الیاف/NaNbO3 PDMS کامپوزیت ساختاری

چکیده

پیوند مصنوعی وارد شده در سیستم عروقی می‌تواند باعث ترومبوز شود که ممکن است منجر به عواقب فاجعه باری شود. پروتزهای عروقی هوشمند جدید که می‌توانند وجود لخته را تشخیص دهند به فوریت مورد نیاز هستند. برای این منظور، یک پیزوکامپوزیت زیست‌سازگار جدید برای پیوندهای عروقی هوشمند خود نظارتی طراحی شده است. بینش جدید این مطالعه شامل ساخت یک کامپوزیت با محتوای پرکننده کم       (5 %v)  و حساسیت پیزوالکتریک بالا(g₃₃ 130 mV m N^-1)  مناسب برای حسگرهای زیستی است. کامپوزیت با ساختار الیاف(NaNbO₃)  در ماتریس الاستومری از طریق دی‌الکتروفورز تولید می‌شود. ماتریس با مدول الاستیک پایین قابلیت کشش عالی را برای جلوگیری از زوال عملکرد پیوند ارائه می‌دهد. شبیه‌سازی عددی همراه با خصوصیات تجربی، بهبودها را از نظر توزیع میدان الکتریکی، خواص دی‌الکتریک و پیزوالکتریک تأیید می‌نماید. کامپوزیت جدید، یکپارچه شده بر روی یک پیوند قرار داده شده در یک شبیه‌ساز قلبی عروقی موتوری، نظارت آنلاین فشار خون را با موفقیت انجام می‌دهد و ناهنجاری‌های مربوط به ترومبوز را شناسایی می‌نماید. کامپوزیت همراه با یک سیم پیچ القایی یک حسگر رزونانسی را تشکیل می‌دهد که فرکانس رزونانسی آن با ایجاد انسداد تغییر می‌نماید. در آینده، این سیستم می‌تواند با استفاده از برچسب‌های شناسایی فرکانس رادیویی (RFID-tag) برای نظارت بی‌سیم بر وضعیت پیوند پیاده‌سازی شود و راه را برای نسل بعدی پیوندهای خود نظارتی هموار نماید.

نتیجه‌گیری

این مطالعه بر توسعه یک حسگر زیستی پیزوالکتریک جدید تمرکز دارد که می‌تواند در پیوندهای قلبی عروقی ادغام شود و حضور یک ترومبوز را در زمان واقعی تشخیص داده و ارتباط برقرار نماید. مواد جدید، متشکل از الیاف NaNbO₃ بدون سرب که در ماتریس پلیمری PDMS با اتصال  1-3تعبیه شده، عمداً به گونه‌ای طراحی شده است که زیست‌سازگار، انعطاف‌پذیر و با حساسیت بالا باشد. الیاف تولید شده به روش سنتز هیدروترمال از طریق DEP در سراسر ضخامت ماتریس به صورت ساختاریافته ظاهر می‌شوند تا ساختارهای ستونی تولید نمایند. ساختار کریستالی الیاف از طریق پراش اشعه ایکس مشخص می‌شود و مورفولوژی از طریق SEM و همچنین برای سطح مقطع کامپوزیت‌ها ارزیابی می‌شود. با استفاده از تجزیه و تحلیل اجزای محدود COMSOL^R) شبیه‌سازی(، تأیید می‌شود که الیاف ساختاریافته در ستون‌ها ریزساختاری بهینه برای توزیع میدان قطبی و فعالیت پیزوالکتریک کامپوزیت هستند. خصوصیات تجربی رفتارهای دی‌الکتریک و پیزوالکتریک با شبیه‌سازی عددی پیش‌بینی شده سازگار است. همانطور که در این مطالعه اشاره می‌شود، کامپوزیت ساختاریافته با محتوای فیبر کم (5 %v) تعادل بهینه حساسیت و کشش پیزوالکتریک را در مقایسه با مواد پیزوالکتریک معمولی گزارش شده در مقالات ارائه و آن را به عنوان یکی از بالقوه‌ترین نامزدها برای کاربرد هدف تبدیل می‌نماید. علاوه بر این، ماده پیشنهادی به میدان پلاریزاسیون بسیار پایین‌تری نسبت به کوپلیمر PVDF سابق و غلظت پرکننده بسیار پایین در مقایسه با کامپوزیت‌های ذرات کلاسیک نیاز دارد. کامپوزیت جدید سپس در یک پیوند ادغام می‌شود تا توانایی حسی آن را تحت یک درخواست مکانیکی دینامیکی ارزیابی نماید، که تغییر فشار ناشی از ترومبوز ایجاد شده در رگ خونی را تقلید می‌نماید. هنگامی که پیوند هوشمند در یک شبیه ساز عروقی موتوری قرار می‌گیرد، کامپوزیت یک بار سطحی ایجاد می‌نماید که با تکامل فشارهای دیاستولیک و سیستولیک مرتبط است. در حضور یک انسداد مسیر طراحی شده توسط یک سیستم دو گیره، دامنه ولتاژ خروجی (منعکس‌کننده بار دینامیکی)، به طور متناظر با سطح انسداد )از (0%-25% و مکان انسداد (قبل یا بعد از حسگر) متفاوت است. اندازه‌گیری‌های تجربی توانایی عالی کامپوزیت پیزوالکتریک را در تشخیص وجود ترومبوز نشان می‌دهد. در نهایت، حسگر پیوند با یک سیم پیچ القایی حسگر رزونانسی جفت می‌شود تا یک حسگر رزونانسی بسازد که فرکانس رزونانس آن در حضور انسداد تغییر نماید، که نشان دهنده ظاهر لخته روی پروتز است. سیستم توسعه‌یافته می‌تواند در بدن انسان پیاده‌سازی شود تا اطلاعات لحظه‌ای درباره وضعیت پیوند را ارائه نماید. در آینده، سیم پیچ با یک برچسب RFID با قابلیت ارتباط بی‌سیم جایگزین خواهد شد. علاوه بر این، اندازه کامپوزیت بهینه می‌شود تا بتوان آن را در یک پیوند هوشمند گنجاند و آزمایش بی‌سیم در یک محیط بالینی واقعی انجام شود. زیست‌سازگاری و همچنین مطالعات اولیه درون بدنی برای اعتبارسنجی قابل اطمینان حسگر برنامه‌ریزی خواهد شد. برای رسیدن به این مرحله، یکی از مسائل حیاتی مربوط به استریل‌پذیری سیستم حسگر است. ملاحظات بیشتری باید بررسی نمود تا تأیید شود که آیا فرآیند استریلیزاسیون بر خواص مواد تأثیر می‌گذارد یا خیر؛ بینش جدید این تحقیق ممکن است برای هموار کردن راه برای نسل بعدی گرافت‌های هوشمند مفید باشد که به راحتی می‌توانند وضعیت واقعی خود را تحت نظر داشته باشند و به پزشک معالج اطلاع دهند و امکان مداخله زودهنگام در صورت بروز ترومبوز را فراهم نمایند.

دانلود:

Reference

D'Ambrogio, G., Zahhaf, O., Le, M. Q., Bordet, M., Lermusiaux, P., Della Schiava, N., ... & Capsal, J. F. (2022). Piezoelectric biosensor for smart cardiovascular grafts based on NaNbO3 fibers/PDMS structured composite. Materials & Design, 223, 111195.

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111195

ترجمه و ویرایش: جواد برزوئی