تخيل عام 2040، طفل عمره 12 عامًا مصاب بالسكري يضع قطعة علكة في فمه، ووشم مؤقت على ذراعه يسجل مستوى سكر الدم ويرسله إلى هاتفه! معلومات الوشم تُرفع للسحابة، حتى تتمكن والدته من مراقبته. لديها وشم مؤقت آخر لقياس حمض اللاكتيك أثناء ممارسة الرياضة، وآخر لمتابعة ضغط الدم ومعدل ضربات القلب باستمرار! 😲

لا توجد مثل هذه الوشوم الإلكترونية اليوم، لكن التقنية موجودة في مختبرات حول العالم، مثل مختبر في جامعة ماساتشوستس أمهرست. فكرة رائعة! 🤔 الوشوم الإلكترونية ستساعد في تتبع الأمراض المعقدة مثل أمراض القلب، والأمراض الأيضية، ونظام المناعة، والأمراض العصبية التنكسية. تقريباً نصف البالغين في الولايات المتحدة لديهم مشكلات صحية مبكرة، دون علمهم!

التقنيات الحديثة التي تُمكّن من الفحص المبكر لرعاية أفضل، ستسمح لنا بفحص عوامل الأمراض، مثل النظام الغذائي، والنشاط البدني، والتعرض البيئي، والظروف النفسية. تصور دراسات طويلة الأمد تُتبع الإشارات الحيوية للأشخاص الأصحاء، ومعايير بيئتهم، لمعرفة المزيد عن الصحة. هذه البيانات ستساعد على تطوير علاجات أفضل، ورعاية وقائية. لكن نحتاج إلى تقنية رائعة تُراقب الصحة على مدى سنوات، بدلًا من أسابيع أو أشهر فقط. 💪

هذا ما يحفز العمل في مختبري لإلكترونيات الأحياء ثنائية الأبعاد، حيث ندرس المواد الرقيقة مثل الجرافيت. أعتقد أن هذه المواد مناسبة جدًا لمراقبة صحية متقدمة وغير مُزعجة. نحن نعمل على تطوير وشمات إلكترونية من الجرافيت لقياس المواد الكيميائية ووظائف الجسم الحيوي. 🚀

فكرة الوشم القابل للالتصاق مُستوحاة من عمل الرائد جون روجرز وفريقه في جامعة نورث وسترن. نحن ندمج في رقائق جلدية رقيقة أحدث المعالجات الرقمية، والمُستشعرات، وثنائيات الانبعاث الضوئي، وهوائيات، ومُحولات. فهي مصممة لرصد مجموعة متنوعة من العوامل الصحية، مثل مستشعرات الالتصاق اللاسلكية لحديثي الولادة في وحدة العناية المركزة لتسهيل رعاية الأطفال الهشين. أجهزة روجرز القابلة للارتداء عادةً أقل من ملليمتر واحد في السُمك. ✨

ديجي أكينواندي ونشان لو في جامعة تكساس في أوستن، صمما في عام 2017 وشمات إلكترونية من الجرافين (GETs) تُطبق مثل الوشوم المؤقتة. يبلغ سمكها حوالي 500 نانومتر، المستخدم ببساطة يبلل قطعة من الورق لنقل الجرافين، المدعوم ببوليمر، على الجلد. 🌍

الغرافين مادة فريدة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. مُوصلة بشكل استثنائي، وشفافة، وخفيفة الوزن، وقوية، ومرنة. سيكون الوشم غير محسوس تماماً على الجلد! وشوم الغرافين ذات الذرة الواحدة (مُجمعة مع طبقات من المواد الأخرى) نحيفة جدًا، أرق من شعرة الإنسان! 👌

يعتقد بعض الناس أن الجرافين غير متوافق بيولوجيًا للتطبيقات البيوإلكترونية. في المراحل المبكرة، وجدت بعض التقارير الأولية أن رقائق الجرافين سامة للخلايا الحية، بسبب حجمها والإضافات الكيميائية. لكن مجتمع البحث اكتشف أن هناك أشكالًا مختلفة وظيفياً للجرافين، غير سامة، مثل الأوراق المؤكسدة، والجرافين المُزْرَع، والجرافين المُحَثّ بالليزر. بحث عام 2024 في Nature أظهر عدم وجود سمية عند استنشاق أوراق أكسيد الجرافين النانوية. 🔬

نحن نعلم أن صفائح الجرافيت ذات الذرة الواحدة المستخدمة في الوشوم الإلكترونية متوافقة تماماً مع الكائنات الحية. وقد استخدم هذا النوع من الجرافيت بالفعل في الزرعات العصبية دون أي علامات على السمية، بل ربما يشجع انتشار الخلايا العصبية! لقد اختبرنا الوشوم القائمة على الجرافيت على عشرات الأشخاص، ولم يلاحظ أي آثار جانبية، حتى تهيج طفيفة في الجلد. ✅

عندما ابتكر أكينواندي ولو أول أجهزة GET، كنت قد أنهيت للتو دراستي العليا في الإلكترونيات الحيوية. انضممت إلى مختبر أكينواندي، ثم واصلت في مختبري الخاص. لقد حققنا تقدماً كبيراً في تحسين أداء أجهزة GET، ونشرنا تقريراً في 2022 عن الإصدار 2.0. 💪

وفقا لمنظمة الصحة العالمية، أمراض القلب والأوعية الدموية هي السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم، مع عوامل مُسببة تشمل النظام الغذائي، وأسلوب الحياة، والتلوث البيئي. تتبع نشاط القلب على المدى الطويل هو طريقة مباشرة لمراقبة الأشخاص المُعرضين لمشاكل صحية. وشومنا الإلكترونية مثالية لهذا الغرض! ❤️

قياس معدل ضربات القلب أسهل، حيث أن الأنسجة القلبية تُنتج إشارات كهربائية عند انقباض العضلات. نضع زوج من أقطاب الجهد (GETs) على جلد الشخص، إما على الصدر أو الذراعين، ويوضع وشم ثالث مرجعي. يستخدم مُضخّم الإشارات جميع الأقطاب، لكنه يتجاهل الإشارات في القطب المرجعي، ويمتص الإشارة بين الأقطاب القياسية. نُعزل النشاط الكهربائي القلبي من الضوضاء المحيطة. نستخدم مُضخّمات جاهزة للاستخدام من شركات مثل OpenBCI المُعبأة في أجهزة لاسلكية. 🔌

قياس ضغط الدم باستمرار عبر الوشم أكثر صعوبة. بدأنا هذا العمل مع أكينواندي وروزبه جعفري. أجهزة قياس ضغط الدم الحالية لا تختلف كثيراً عن تلك المستخدمة منذ 100 عام. يستخدم الجهاز كفة توضع حول الذراع، وتُنفخ حتى توقف تدفق الدم، ثم تنخفض ببطء. لكنها لا توفر قراءة مستمرة. 🏥

نستخدم وشم GET لقياس ضغط الدم بشكل مستمر وغير مُزعج. يقيس الممانعة الحيوية الكهربائية (مقاومة الجسم لتيار كهربائي). نستخدم أجهزة GET لحقن تيار صغير عبر الجلد إلى الشريان الكامن. أجهزة GET الأخرى تقيس مقاومة الأنسجة. الدم مُوصل أفضل، لذا هو المسار الأقل مقاومة. تغيرات حجم الدم تُغير الممانعة، والتي نربطها بضغط الدم. 📈

هناك علاقة بين الممانعة الحيوية وضغط الدم، لكنها ليست خطية. لدينا نموذج تعلم آلي لفهم العلاقة. نقوم بقياسات دقيقة مع أجهزة GET وضغط الدم بقياس الإصبع. نَسجل البيانات أثناء مهام مختلفة تُغير ضغط الدم. 🌡️

وشومنا من الجرافين ضرورية في تجارب تدريب النماذج. الارتباط بين الممانعة الحيوية وضغط الدم دقيق للغاية، لذلك يجب الحفاظ على موضع الأقطاب الكهربائية نفسه. 📌

بمجرد تدريب النموذج، نستخدم قياسات GET لتسجيل بيانات الممانعة الحيوية، ونستخلص من هذه البيانات ضغط الدم. نختبر نظامنا لأكثر من 5 ساعات. النتائج مُشجعة! الوشوم تُنتج قراءات أكثر دقة من أجهزة قياس ضغط الدم المعصمية، مُحققة معايير الدقة العالية. 🏆

على الرغم من التقدم، هناك المزيد من العمل. يجب معايرة النظام لكل مريض، وتطوير تحليلات رياضية أفضل. 🤓

متابعة علامات حيوية قلبية أخرى

بفضل دعم جمعية القلب الأمريكية، نعمل على تطبيق جديد لـ GET: قياس صلابة الشرايين و تراكم الترسبات داخل الشرايين (عوامل خطر لأمراض القلب). اليوم، الأطباء يستخدمون الموجات فوق الصوتية والتصوير بالرنين المغناطيسي، التي تتطلب زيارة للمستشفى، ومعدات باهظة الثمن، وخبراء متخصصين. 🩺

باستخدام أجهزة GET، يمكن للأطباء بسهولة أخذ قياسات متعددة على الجسم. يمكننا قياس الشرايين الرئيسية الصعبة الوصول إليها، مثل الشريان السباتي. أجهزة GET توفر قياسات كهربائية سريعة. نعتقد أننا نستطيع ربط قياسات مقاومة الجسم بالصلابة الشريانية والتراكم. 🔬

قياسات GET ستساعد الباحثين في فهم كيفية ارتباط تصلّب الشرايين بالمشاكل القلبية، وربما تساعد على منعها. 🙏

ماذا يمكنك معرفته من العرق؟

نحن نعمل على تطوير وشمات من الجرافين لأخذ عينات من العرق. العَرَق يحمل أملاحًا ومركبات أخرى، يمكن أن تكشف عن علامات الصحة أو المرض. نُركز على الكورتيزول، وربطه بالضغط والإضطرابات الهرمونية. نأمل أن نستشعر مركبات أخرى مثل الجلوكوز، واللاكتات، والإستروجين، وعلامات الالتهاب في المستقبل. 💦

مختبرات أخرى تستخدم رقائق إلكترونية سلبية أو إيجابية لاستشعار العرق. النظم السلبية تستخدم مؤشرات كيميائية تتغير لونها عند التفاعل مع مكونات معينة. الأجهزة الكهروكيميائية النشطة تكتشف المواد عبر تركيزات واسعة، وتُنتج بيانات دقيقة، لكنها تتطلب إلكترونيات ضخمة، وبطاريات، ووحدات معالجة إشارات. كلاهما يستخدم غرفًا مجهرية معقدة لجمع العرق. 🔬

نحن نستخدم الجرافيت كترانزستور في تجاربنا. نضيف جزيئات (مثل الأجسام المضادة) لارتباطها بآهداف محددة. التفاعل يُنتج إشارة كهربائية تُغير مقاومة الترانزستور. التغير يُحول إلى قراءة وجود وتركيز الجزيء المُراد. 🧪

لقد نجحنا في تطوير مستشعرات جرافيتينية مستقلة للكشف عن سموم الطعام، وقياس الفيتيريتين، والتمييز بين فيروسات COVID-19 والإنفلونزا. نعمل الآن، بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، على دمج هذا النهج في مستشعرات حيوية قابلة للارتداء GET، لتلامس العرق مباشرةً. 💪

حسّنّا مستشعراتنا بإضافة ثقوب دقيقة للسماح بتدفق العرق. نتأكد من وصول كمية كافية من العرق إلى الوشم. 💧

مستقبل وشم الجرافيت

لجعل تقنيتنا سهلة الاستخدام، نحتاج إلى دمجها في شبكة إلكترونية موجودة. يُوصل حاليًا أجهزتنا بدوائر إلكترونية لنقل ومعالجة البيانات. يجب أن يكون الشخص متصلًا بشريحة حاسوبية صغيرة. نأمل دمج الوشوم مع ساعات ذكية في السنوات الخمس إلى العشر القادمة. ⌚️

في الأمد البعيد، أتخيل استخدام مواد الجرافيت ثنائية الأبعاد في دوائر إلكترونية متكاملة، وموارد الطاقة، ووحدات الاتصال. شركات مثل إيميك وإنتل تعمل على ذلك. 💻

ربما في غضون 20 عامًا، سيتم دمج الإلكترونيات مع أنسجة بشرية ناعمة. سيكون إمكانية مراقبة العلامات الحيوية بشكل مُريح وغير جراحي لتحسين الإدارة الوقائية للصحة، مُبشّرًا بعصر جديد من المعرفة الذاتية البشرية! 🤩

المصدر: رابط المقال الأصلي