Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Badacze z Yale University i National Institute of Standards and Technology (NIST) ulepszyli działanie elektocytów węgorza elektrycznego (Electrophorus electricus). Dzięki temu uzyskują wyższe napięcie, które mają nadzieję wykorzystać do zasilania implantów i innych aparatów medycznych.

Elektrocyty tworzą szeregi, zlokalizowane po bokach wzdłuż płetwy odbytowej. Są połączone na zasadzie baterii ogniw galwanicznych, oddziela je galaretowata tkanka. Jedna komórka nie jest w stanie wytworzyć wysokiego napięcia (generuje dziesiąte części wolta), ale cały szereg jak najbardziej tak (600 woltów).

Gdy zadziała bodziec chemiczny, otwierają się kanały jonowe. Kationy sodu napływają do wnętrza, a kationy potasu przemieszczają się na zewnętrzną stronę błony komórkowej. Przemieszczanie się jonów zwiększa napięcie, przez co otwiera się coraz więcej kanałów, a po przekroczeniu pewnego punktu proces zaczyna się samonapędzać. Na końcu kanały się zamykają, a aktywny transport jonów przywraca stan wyjściowy.

David LaVan, inżynier z NIST, uważa, że w grę wchodzi co najmniej 7 typów kanałów, na które można wpłynąć, manipulując różnymi zmiennymi, np. gęstością rozmieszczenia w błonie. Elektrocyty działają w inny sposób niż neurony. Komórki nerwowe przewodzą, wg Amerykanów, raczej informację, a nie energię. Szybko się wyładowują, nie osiągając przy tym dużej mocy. Elektrocyty reagują wolniej, ale generują wyższe napięcie, które dłużej się utrzymuje.

LaVan i Jian Xu opracowali model konwersji stężenia jonów na impulsy elektryczne. Przetestowali go i na podstawie wyników sprecyzowali, jak zmaksymalizować napięcie, zmieniając proporcje i ułożenie różnych typów kanałów. Udało im się uzyskać sztuczną komórkę, która w jednym pulsie generuje o 40% silniejszy sygnał. Druga wersja też działa lepiej od oryginału, szczytowe napięcie jest bowiem wyższe o 28%. Gdy sztuczne elektrocyty ułoży się warstwami w sześcian o boku nieco powyżej 4 mm, można uzyskać stałą moc (300 mikrowatów) do zasilania niewielkich urządzeń medycznych.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Czym takie elektrocyty będą musiały być zasilane/karmione ? Ciekawią mnie dwie kwestie:

- czy taka "bateria" będzie mogła być wszczepiana wewnątrz ciała pacjenta ?

- jak wygląda stosunek wielkościowy i jakościowy nowej teoretycznej baterii do obecnie stosowanych, które zasilają pracę rozruszników serca i tym podobnych urządzeń ?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Ciekawy pomysł. Nietrudno sobie wyobrazić "woreczek" wypełniony elektrocytami przepuszczający glukozę i inne składniki odżywcze, które zasilałyby te komórki, ale uniemożliwiały np. docieranie przeciwciał. W ten sposób "bateria" byłaby cały czas zasilana przez organizm i dzięki temu praktycznie bezobsługowa.

 

Osobiście uważam, że stosunek objętości do mocy prądu w niektórych sytuacjach będzie sprawą drugorzędną (np. wtedy, gdy dostęp do implantu jest utrudniony i wymiana baterii byłaby skomplikowana). Jest to tym bardziej istotne, że elektrocyty umożliwiałyby doładowywanie go na bieżąco (o ile w ogóle byłoby to potrzebne), więc sam akumulator mógłby mieć pojemność pozwalającą zaledwie na wysłanie np. pięciu impulsów. Z tego, co czytam ( http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1502062 ), jednorazowe impulsy są liczone w mikrodżulach (ok 25 uJ), więc nawet taki mały sześcianik powinien dać radę.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Jeśli udałoby się wytworzyć materiał (sześcian elektrocytów), który by był stabilnym źródłem nieprzerwanej energii dla takiego rozrusznika to byłby to mały przełom w tej dziedzinie(?) kardiochirurgii. Z tego co zrozumiałem to dzisiejsze akumulatorki Li-Io używane w rozrusznikach zajmują połowę miejsca w całym rozruszniku i mają wymiary półkola o promieniu 3cm i głębokości od 6 do 8 mm. Ten sześcian miałby ponad 4mm, bo trzeba by doliczyć jakąś dla niego obudowę - ale i tak mniej niż taka bateria. Poza tym gdyby miał działać tyle samo co średnia wieku pacjenta, to nie trzeba by było wymieniać rozrusznika co około 10 lat.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Poruszyłeś kolejną ważną kwestię, czyli żywotność tych komórek. Warto by było się tym zainteresować. Być może konieczne byłoby stworzenie zapasu komórek albo opracowania jakiegoś innego rozwiązania. Mimo wszystko wydaje mi się, że rozwiązanie jest całkiem interesujące. Problem jest jedynie w tym, że obecnie urzędnicy często mają opory nawet przed podawaniem przeciwciał pochodzących od myszy, a co tu mówić o żywych komórkach od ryby!

Share this post


Link to post
Share on other sites

Energię pobierały by pewnie z glukozy transportowanej z krwią.

Swoją drogą może to być też sposób właśnie na zwiększenie zapotrzebowania energetycznego: dla odchudzających się, trenujących kondycję...

Tylko rzeczywiście problem z układem immunologicznym...

Share this post


Link to post
Share on other sites
Swoją drogą może to być też sposób właśnie na zwiększenie zapotrzebowania energetycznego: dla odchudzających się, trenujących kondycję...

Tylko pomyśl: jesz ile chcesz i nie tyjesz, a do tego jeszcze zasilasz laptopa ;D

Share this post


Link to post
Share on other sites
Tylko pomyśl: jesz ile chcesz i nie tyjesz, a do tego jeszcze zasilasz laptopa

 

;D ;D dynamo w rowerze ma 3W .. jak ktoś z nim jeździł to wie ile energi to kosztuje. 8)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Podejrzewam, że zabrnęliśmy za daleko. Przecież ludzie zaczęliby to wykorzystywać do odchudzania się zamiast jakiejkolwiek dawki ruchu. Już teraz wszelkie abgymnic`y czy jakieś zasilane prądem spalacze tłuszczu są koszmarem.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Dokładnie. Wielu ludzi zapomina, że w aktywności fizycznej spalanie tłuszczu jest tylko mały wycinkiem całości. Powstawaniu tłuszczu mozna zresztą łatwo zapobiec poprzez kontrolowanie własnej diety. Za to przy jakiejkolwiek aktywności najistotniejsze jest ogólne pobudzenie organizmu, szczególnie układu oddechowego i sercowo-naczyniowego. Elektryczne komórki na pewno tego nie zastąpią.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowotwory to jedna z głównych przyczyn zgonów w krajach uprzemysłowionych. Wiele z nich potrafimy leczyć lub kontrolować, ale mimo to wciąż umiera na nie duża liczba ludzi. Przyczyną jest zbyt późna diagnoza. Opracowanie metody wczesnego wykrywania rozwijającego się nowotworu pozwoliłoby nie tylko uratować życie wielu ludziom, ale znacząco obniżyłoby koszty terapii.
      Potencjalną metodę ostrzegania o początkach nowotworu opracował profesor Martin Fusseneger ze Szwajcarskiego Instytutu Technologicznego w Zurichu i współpracujący z nim naukowcy. Wykorzystuje ona sieć syntetycznych genów rozpoznających bardzo wczesne etapy rozwoju nowotworów prostaty, płuc, piersi i jelita grubego. Na tych wczesnych etapach dochodzi do zwiększenia poziomu wapnia we krwi i właśnie ten podniesiony poziom wykrywa system Fussenegera.
      Wspomniana sieć genów jest umieszczana w implancie, który wstrzykiwany jest pod skórę, gdzie bez przerwy monitoruje poziom wapnia we krwi. Gdy poziom ten zostaje przez dłuższy czas przekroczony, uruchamiana jest cała kaskada sygnałów, które powodują, że we wstrzykniętej w określone miejsce na skórze zmodyfikowanej genetycznie grupie komórek dochodzi do produkcji melaniny. Na skórze pojawia się widoczne gołym okiem zaciemnione miejsce, które jest sygnałem ostrzegawczym o rozwijającym się nowotworze. Co istotne, sygnał ten pojawia się na długo zanim jeszcze nowotwór można wykryć za pomocą standardowych metod diagnostycznych. Posiadacz implantu powinien wówczas udać się do lekarza w celu specjalistycznej diagnostyki, mówi Fussenegger.
      Naukowcy wykorzystali jako wskaźnik poziom wapnia, gdyż jest on ściśle kontrolowany przez organizm. Kości służą jako bufor regulujący poziom wapnia we krwi. Zbyt duża ilość tego pierwiastka może być sygnałem o rozwoju jednego z czterech wspomnianych typów nowotworów. Wczesna diagnostyka to klucz do sukcesu. Na przykład w przypadku raka piersi szanse na wyleczenie przy wczesnej diagnozie wynoszą aż 98%, podczas gdy przy późnej diagnozie spadają do 25%. Obecnie ludzie trafią do lekarza przeważnie wówczas, gdy guz daje jakieś objawy. Niestety, często jest wówczas zbyt późno, stwierdza Fussenegger.
      Nawiększym ograniczeniem nowej metody jest krótki czas życia implantu. Jak mówi Fussenegger, z literatury specjalistycznej wynika, że po zamknięciu w odpowiednich kapsułach żywe komórki mogą przetrwać około roku. Po tym czasie implant trzeba będzie zapewne wymieniać.
      Na razie naukowcy dysponują wczesnym prototypem implantu. Był on z powodzeniem testowany na myszach i świniach. Profesor Fusseneger mówi, że opracowanie w pełni rozwiniętej wersji dla ludzi oraz proces jej testowania i dopuszczania do użytku potrwają co najmniej 10 lat.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas International Solid-State Circuits Conference uczeni z Uniwersytetu Stanforda zaprezentowali niewielki implant, zdolny do kontrolowania swej trasy w układzie krwionośnym człowieka. Ada Poon i jej koledzy stworzyli urządzenie zasilane za pomocą fal radiowych. Implant można więc wprowadzić do organizmu człowieka, kontrolować jego trasę i nie obawiać się, że np. wyczerpią się baterie.
      Takie urządzenia mogą zrewolucjonizować technologię medyczną. Ich zastosowanie będzie bardzo szerokie - od diagnostyki do minimalnie inwazyjnej chirurgii - mówi Poon. Jej implant będzie mógł wędrować przez układ krwionośny, dostarczać leki do wyznaczonych miejsc, przeprowadzać analizy, a być może nawet rozbijać zakrzepy czy usuwać płytki miażdżycowe.
      Naukowcy od kilkudziesięciu lat starają się skonstruować podobne urządzenie. Wraz z postępem technologicznym coraz większym problemem było zasilanie takich urządzeń. Sam implant można było zmniejszać, jednak zasilające go baterie pozostawały dość duże - stanowiąc często połowę implantu - i nie pozwalały mu na zbyt długą pracę. Potrafiliśmy znacząco zminiaturyzować części elektroniczne i mechaniczne, jednak miniaturyzacja źródła energii za tym nie nadążała. To z kolei ograniczało zastosowanie implantów i narażało chorego na ryzyko korozji baterii, ich awarii, nie mówiąc już o ryzyku związanym z ich wymianą - mówi profesor Teresa Meng, która również brała udział w tworzeniu implantu.
      Urządzenie Poon wykorzystuje zewnętrzny nadajnik oraz odbiornik znajdujący się w implancie. Wysyłane przez nadajnik fale radiowe indukują w cewce odbiornika prąd. W ten sposób urządzenie jest bezprzewodowo zasilane.
      Opis brzmi bardzo prosto, jednak naukowcy musieli pokonać poważne przeszkody. Uczeni od 50 lat myśleli o zasilaniu w ten sposób implantów, jednak przegrywali z... matematyką. Wszelkie wyliczenia pokazywały, że fale radiowe o wysokiej częstotliwości natychmiast rozpraszają się w tkankach, zanikając wykładniczo w miarę wnikania do organizmu. Fale o niskiej częstotliwości dobrze przenikają do tkanek, jednak wymagałyby zastosowania anteny o średnicy kilku centymetrów, a tak dużego urządzenia nie można by wprowadzić do układu krwionośnego. Skoro matematyka stwierdzała, że jest to niemożliwe, nikt nie próbował sprzeciwić się jej regułom.
      Poon postanowiła jednak przyjrzeć się wykorzystywanym modelom matematycznym i odkryła, że większość uczonych podchodziła do problemu niewłaściwie. Zakładali bowiem, że ludzkie mięśnie, tłuszcz i kości są dobrymi przewodnikami, a zatem należy w modelach wykorzystać równania Maxwella. Uczona ze Stanforda inaczej potraktowała ludzką tkankę. Uznała ją za dielektryk, czyli niejako rodzaj izolatora. To oznacza, że nasze ciała słabo przewodzą prąd. Jednak nie przeszkadza to zbytnio falom radiowym. Poon odkryła też, że tkanka jest dielektrykiem, który charakteryzują niewielkie straty, co oznacza, że dochodzi do małych strat sygnału w miarę zagłębiania się w tkankę. Uczona wykorzystała różne modele matematyczne do zweryfikowania swoich spostrzeżeń i odkryła, że fale radiowe wnikają w organizm znacznie głębiej niż sądzono.
      Gdy użyliśmy prostego modelu tkanki do przeliczenia tych wartości dla wysokich częstotliwości odkryliśmy, że optymalna częstotliwość potrzebna do bezprzewodowego zasilania wynosi około 1 GHz. Jest więc około 100-krotnie wyższa niż wcześniej sądzono - mówi Poon. To oznacza też, że antena odbiorcza w implancie może być 100-krotnie mniejsza. Okazało się, że jej powierzchnia może wynosić zaledwie 2 milimetry kwadratowe.
      Uczona stworzyła implanty o dwóch różnych rodzajach napędu. Jeden przepuszcza prąd elektryczny przez płyn, w którym implant się porusza, tworząc siły popychające implant naprzód. Ten typ implantu może przemieszczać się z prędkością ponad pół centymetra na sekundę. Drugi typ napędu polega na ciągłym przełączaniu kierunku ruchu prądu, przez co implant przesuwa się podobnie do napędzanej wiosłami łódki.
      Jest jeszcze sporo do udoskonalenia i czeka nas wiele pracy zanim takie urządzenia będzie można stosować w medycynie - mówi Poon.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas International Solid-State Circuits Conference uczeni z Uniwersytetu Stanforda zaprezentowali niewielki implant, zdolny do kontrolowania swej trasy w układzie krwionośnym człowieka. Ada Poon i jej koledzy stworzyli urządzenie zasilane za pomocą fal radiowych. Implant można więc wprowadzić do organizmu człowieka, kontrolować jego trasę i nie obawiać się, że np. wyczerpią się baterie.
      Takie urządzenia mogą zrewolucjonizować technologię medyczną. Ich zastosowanie będzie bardzo szerokie - od diagnostyki do minimalnie inwazyjnej chirurgii - mówi Poon. Jej implant będzie mógł wędrować przez układ krwionośny, dostarczać leki do wyznaczonych miejsc, przeprowadzać analizy, a być może nawet rozbijać zakrzepy czy usuwać płytki miażdżycowe.
      Naukowcy od kilkudziesięciu lat starają się skonstruować podobne urządzenie. Wraz z postępem technologicznym coraz większym problemem było zasilanie takich urządzeń. Sam implant można było zmniejszać, jednak zasilające go baterie pozostawały dość duże - stanowiąc często połowę implantu - i nie pozwalały mu na zbyt długą pracę. Potrafiliśmy znacząco zminiaturyzować części elektroniczne i mechaniczne, jednak miniaturyzacja źródła energii za tym nie nadążała. To z kolei ograniczało zastosowanie implantów i narażało chorego na ryzyko korozji baterii, ich awarii, nie mówiąc już o ryzyku związanym z ich wymianą - mówi profesor Teresa Meng, która również brała udział w tworzeniu implantu.
      Urządzenie Poon wykorzystuje zewnętrzny nadajnik oraz odbiornik znajdujący się w implancie. Wysyłane przez nadajnik fale radiowe indukują w cewce odbiornika prąd. W ten sposób urządzenie jest bezprzewodowo zasilane.
      Opis brzmi bardzo prosto, jednak naukowcy musieli pokonać poważne przeszkody. Uczeni od 50 lat myśleli o zasilaniu w ten sposób implantów, jednak przegrywali z... matematyką. Wszelkie wyliczenia pokazywały, że fale radiowe o wysokiej częstotliwości natychmiast rozpraszają się w tkankach, zanikając wykładniczo w miarę wnikania do organizmu. Fale o niskiej częstotliwości dobrze przenikają do tkanek, jednak wymagałyby zastosowania anteny o średnicy kilku centymetrów, a tak dużego urządzenia nie można by wprowadzić do układu krwionośnego. Skoro matematyka stwierdzała, że jest to niemożliwe, nikt nie próbował sprzeciwić się jej regułom.
      !RCOL
      Poon postanowiła jednak przyjrzeć się wykorzystywanym modelom matematycznym i odkryła, że większość uczonych podchodziła do problemu niewłaściwie. Zakładali bowiem, że ludzkie mięśnie, tłuszcz i kości są dobrymi przewodnikami, a zatem należy w modelach wykorzystać równania Maxwella. Uczona ze Stanforda inaczej potraktowała ludzką tkankę. Uznała ją za dielektryk, czyli niejako rodzaj izolatora. To oznacza, że nasze ciała słabo przewodzą prąd. Jednak nie przeszkadza to zbytnio falom radiowym. Poon odkryła też, że tkanka jest dielektrykiem, który charakteryzują niewielkie straty, co oznacza, że dochodzi do małych strat sygnału w miarę zagłębiania się w tkankę. Uczona wykorzystała różne modele matematyczne do zweryfikowania swoich spostrzeżeń i odkryła, że fale radiowe wnikają w organizm znacznie głębiej niż sądzono.
      Gdy użyliśmy prostego modelu tkanki do przeliczenia tych wartości dla wysokich częstotliwości odkryliśmy, że optymalna częstotliwość potrzebna do bezprzewodowego zasilania wynosi około 1 GHz. Jest więc około 100-krotnie wyższa niż wcześniej sądzono - mówi Poon. To oznacza też, że antena odbiorcza w implancie może być 100-krotnie mniejsza. Okazało się, że jej powierzchnia może wynosić zaledwie 2 milimetry kwadratowe.
      Uczona stworzyła implanty o dwóch różnych rodzajach napędu. Jeden przepuszcza prąd elektryczny przez płyn, w którym implant się porusza, tworząc siły popychające implant naprzód. Ten typ implantu może przemieszczać się z prędkością ponad pół centymetra na sekundę. Drugi typ napędu polega na ciągłym przełączaniu kierunku ruchu prądu, przez co implant przesuwa się podobnie do napędzanej wiosłami łódki.
      Jest jeszcze sporo do udoskonalenia i czeka nas wiele pracy zanim takie urządzenia będzie można stosować w medycynie - mówi Poon.
       
×
×
  • Create New...