'ตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์' รับพลังงานจากเซลล์หัวใจ หวังลดข้อจำกัดแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ฝังร่างกาย ผลงานพัฒนาจากนักวิจัย UMass Amherst

อุปกรณ์ฝังร่างกาย เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ และอุปกรณ์กระตุ้นสมองส่วนลึก ยังต้องอาศัยแหล่งพลังงานที่มีขนาดและความแข็งมากกว่าเนื้อเยื่อรอบข้าง ซึ่งก็คือแบตเตอรี่ แต่ปัญหาที่ตามมาคือ แบตเตอรี่อาจเสื่อมสภาพ และการทำให้แบตเตอรี่เล็กลงหรือยืดหยุ่นขึ้น ก็ทำให้ความจุของพลังงานลดลง ส่งผลให้เปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยขึ้น

นักวิจัยจาก University of Massachusetts Amherst จึงพัฒนาตาข่ายอิเล็กทรอนิกส์ที่บางและยืดหยุ่น ซึ่งให้เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจของมนุษย์เติบโตแทรกตัวอยู่ภายในได้ พร้อมแปลงแรงหดตัวของเนื้อเยื่อเป็นพลังงานไฟฟ้า แนวทางนี้อาจช่วยลดข้อจำกัดของแบตเตอรี่ในอุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์ฝังร่างกายในอนาคต แต่ผลการวิจัยยังอยู่ในห้องปฏิบัติการ

แทนที่จะติดอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าชิ้นใหญ่ไว้กับอวัยวะ ทีมวิจัยเลือกกระจายหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดจิ๋วเข้าไปในเนื้อเยื่อ เรียกแนวคิดนี้ว่า 'biohybrid mesh harvester' หรือ ตาข่ายเก็บพลังงานที่ผสานวัสดุอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับเซลล์มีชีวิต

ตาข่ายต้นแบบมีขนาด 7 x 8 มิลลิเมตร และมีหน่วยผลิตไฟฟ้า 64 หน่วย แต่ละหน่วยเป็นริบบิ้นพอลิเมอร์เส้นเล็ก ภายในมีลวดแพลทินัมและแถบวัสดุเซรามิกชื่อ PZT ซึ่งมีคุณสมบัติสร้างไฟฟ้าเมื่อถูกงอหรือกด ริบบิ้นกว้างราว 20 ไมโครเมตร หรือใกล้เคียงขนาดเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ จึงไม่แข็งทื่อเป็นก้อนใหญ่เมื่อต้องอยู่ติดกับเซลล์

ในการทดลอง ทีมเพาะเซลล์หัวใจมนุษย์ที่ได้จากสเต็มเซลล์บนตาข่ายนาน 15 วัน จนเซลล์เติบโตเป็นแผ่นเนื้อเยื่อและเริ่มหดตัวเอง เมื่อเนื้อเยื่อขยับ ตาข่ายก็ปล่อยสัญญาณไฟฟ้าตามจังหวะนั้น

Jun Yao รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของ UMass Amherst และผู้เขียนอาวุโสของงาน มองว่าแนวคิดนี้ต่างจากแบตเตอรี่ เพราะไม่ได้มีแหล่งพลังงานก้อนเดียว แต่ให้เนื้อเยื่อหลายจุดช่วยกันผลิตไฟฟ้า คล้ายกับการทำงานของร่างกายที่ไม่ได้มีโรงไฟฟ้าเพียงแห่งเดียว

'ป่า 3 มิติ' ในเนื้อเยื่อ

หากจะนำแนวคิดนี้ออกมาใช้นอกห้องแล็บ Yao เสนอไว้ 2 ทาง ทางแรกคือเพาะเนื้อเยื่อสำหรับปลูกถ่าย โดยวางตาข่ายไว้ข้างในตั้งแต่ต้น แล้วจึงนำเนื้อเยื่อนั้นไปปลูกถ่าย

อีกทางคือใช้หุ่นยนต์ผ่าตัดสอดริบบิ้นยืดหยุ่นจำนวนมากเข้าไปในเนื้อเยื่อโดยตรง จนเกิดสิ่งที่ Yao เรียกว่า 'ป่า 3 มิติ' ของริบบิ้นเก็บพลังงาน วิธีนี้จะทำให้เพิ่มจำนวนหน่วยผลิตไฟฟ้าได้ โดยไม่ถูกจำกัดด้วยขนาดของอุปกรณ์ก้อนเดียว

แต่ยังมีโจทย์ใหญ่ก่อนถึงการใช้งานจริง นักวิจัยต้องพิสูจน์ว่าตาข่ายทำงานได้ในเนื้อเยื่อสามมิติภายในร่างกาย โดยไม่รบกวนการบีบตัวหรือการส่งสัญญาณไฟฟ้าตามธรรมชาติของหัวใจ ตาข่ายต้องทนต่อการขยับซ้ำ ๆ เป็นเวลาหลายปี ไม่กระตุ้นให้เกิดพังผืด และต้องมีวิธีเก็บหรือส่งไฟฟ้าที่ผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อีกประเด็นคือ PZT ที่ใช้ในตาข่ายมีตะกั่วเป็นส่วนประกอบ จึงอาจต้องหาวัสดุอื่นมาทดแทนก่อนใช้กับมนุษย์ งานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances นี้จึงเป็นหลักฐานว่าเซลล์หัวใจที่เพาะในแล็บสามารถช่วยผลิตไฟฟ้าได้ ไม่ใช่หลักฐานว่าอุปกรณ์ชนิดนี้พร้อมฝังในร่างกายแล้ว

อ้างอิง : Science.org