باحثون يطورون بطارية حيوية مستوحاة من الأمعاء تنتج 0.75 فولت في مصفوفة هيدروجيل

ابتكر مهندسون وباحثون في مجال الإلكترونيات الحيوية في United States بطارية حيوية مرنة مصممة على غرار البيئة الفسيولوجية للجهاز الهضمي البشري، منتجةً ناتجاً كهربائياً يبلغ 0.75 volts. ويدمج التصميم بكتيريا حية داخل شبكة هيدروجيل مرنة، مؤسساً مصفوفة كهروكيميائية قائمة بذاتها قادرة على توليد طاقة قابلة للاستخدام دون الاعتماد على الكواشف الكيميائية السامة التقليدية أو الأغلفة المعدنية الصلبة. ويمثل هذا التطور تقدماً في مجال حصاد الطاقة المتوافقة حيوياً، مما يمهد الطريق نحو مصادر طاقة ذاتية الاكتفاء لأجهزة التشخيص القابلة للبلع، واللاصقات الطبية القابلة للارتداء، وأجهزة المراقبة البيئية المصغرة.

## Key facts

- تولد البطارية الحيوية جهداً كهربائياً قدره 0.75 volts من النشاط البيوكيميائي الميكروبي. - صُمم الجهاز على غرار البيئة الدقيقة وبنية القناة المعوية للإنسان. - تُغلف الخلايا البكتيرية النشطة ويتم الحفاظ عليها داخل مصفوفة هيدروجيل مرنة وحافظة للماء. - أُجري البحث من قِبل باحثين في الهندسة الطبية الحيوية وهندسة المواد في United States. - صُمم النظام لتوفير المرونة الميكانيكية والتوافق الحيوي اللذين تفتقر إليهما كيمياء بطاريات الليثيوم أيون والبطاريات القلوية القياسية.

## What happened

وفقاً لتقارير أعدتها Neetika Walter، نجح فريق بحثي في United States في هندسة بطارية بيولوجية تستمد إلهامها من أمعاء الإنسان لتوليد جهد كهربائي يبلغ 0.75 volts. وعوضاً عن استخدام المعادن الثقيلة، أو الإلكتروليتات السائلة العضوية القابلة للاشتعال، أو الأغلفة الصلبة النمطية في الخلايا الجافة التقليدية، صمم الباحثون منصة عضوية ترتكز على التمثيل الغذائي البكتيري المعلق داخل هيكل هيدروجيل اصطناعي.

وفي هذه المنصة التجريبية، تعمل البكتيريا كمحفزات حيوية تدفع تفاعلات الأكسدة والاختزال عبر مسارات أيضية قياسية. ومع استهلاك الكائنات الدقيقة للمركبات العضوية المحيطة أو مدخلات الوقود البيولوجي، فإنها تطلق إلكترونات أثناء التنفس الأيضي. ويخدم هيكل الهيدروجيل غرضاً مزدوجاً: فهو يعمل كدعامات رطبة وواقية تحافظ على حيوية المستعمرات البكتيرية واستقرارها الميكانيكي، بينما يعمل أيضاً كمسار إلكتروليتي داخلي موصل أو شبه منفذ يسهل انتقال الأيونات المشحونة بين الأقطاب الكهربائية.

ويحقق النظام الناتج جهداً كهربائياً في الدائرة المفتوحة يبلغ 0.75 volts. وفي الكيمياء الكهربائية التقليدية، توفر بطارية AA أو AAA القلوية التجارية القياسية نحو 1.5 volts، في حين تعمل بطاريات الليثيوم أيون أحادية الخلية عند نحو 3.7 volts. ويؤدي توليد 0.75 volts من بنية بيولوجية حية ومرنة إلى إدراج هذا الناتج ضمن النطاق المناسب للاقتران المباشر بالدوائر المتكاملة فائقة الانخفاض في استهلاك الطاقة، أو محولات رفع الجهد، أو المكثفات المصغرة المستخدمة في الاستشعار البيولوجي.

ويعتمد الشكل الفيزيائي للجهاز على بوليمرات الهيدروجيل، التي يمكنها الانثناء والانضغاط والتوافق مع الأسطح غير المنتظمة دون الإخلال بالاستمرارية الكهربائية أو سحق الميكروبات المدمجة. ومن خلال محاكاة بنية الأنسجة المخاطية المرنة والمزدحمة والمتبادلة للمغذيات والموجودة في أمعاء الإنسان، أثبت الفريق أن المجتمعات الخلوية الحية يمكن أن تظل نشطة وظيفياً ومنتجة باستمرار ضمن نسق إلكتروني حيوي صلب ومهندس.

## Why it matters

يعالج ابتكار بطارية بيولوجية عاملة بجهد 0.75 volts إحدى أصعب العقبات الهندسية في التكنولوجيا الطبية: كيفية تزويد الأجهزة بالطاقة بأمان داخل جسم الإنسان أو ملاصقة له مباشرة. وتعتمد الإلكترونيات الحالية القابلة للبلع، مثل كبسولات التنظير التي تنتقل عبر الجهاز الهضمي لتصوير الأنسجة المخاطية، حالياً على بطاريات الأزرار التقليدية المصنوعة من أكسيد الفضة أو الليثيوم. ورغم إحكام إغلاقها، فإن هذه البطاريات المعدنية تشكل مخاطر سريرية جسيمة إذا علقت في الأنسجة، بما في ذلك الحروق الكيميائية الكاوية، والتسمم بالمعادن الثقيلة، والانثقاب الميكانيكي الداخلي.

وتوفر البطارية الميكروبية المتماسكة عبر مصفوفة هيدروجيل لينة بديلاً غير سام بطبيعته. فإذا تعطلت خلية الطاقة هذه أو تحللت داخل الجهاز الهضمي، فلن تشكل مكوناتها العضوية وبكتيرياها الحميدة سوى تهديد ضئيل مقارنة بهيدروكسيدات القلوية المركزة أو أملاح الليثيوم. علاوة على ذلك، يمثل ناتج 0.75 volts عتبة ذات مغزى للإلكترونيات الدقيقة الحديثة؛ إذ يمكن لدوائر المنطق الحديثة المعتمدة على أشباه الموصلات المكملة المصنوعة من أكسيد المعادن (CMOS) والمصممة للعمل دون العتبة تنفيذ المعالجة الرقمية الأساسية ونقل البيانات المتقطع عبر الترددات اللاسلكية بجهود تتراوح بين 0.4 volts و0.8 volts.

وفضلاً عن التطبيقات الطبية المباشرة، تمتد انعكاسات البطاريات الميكروبية المرنة إلى الروبوتات اللينة وأجهزة الاستشعار البيئية الموزعة. إذ تعيق البطاريات الصلبة التقليدية التشوه الطبيعي للقوابض الروبوتية اللينة والعضلات الاصطناعية. ويتيح مصدر طاقة يتطابق مع المعاوقة الميكانيكية للأنسجة البيولوجية الرخوة للأجهزة الانثناء بشكل طبيعي أثناء توليد الطاقة في البيئات الرطبة أو اللاهوائية أو النشطة بيولوجياً، حيث تتآكل الإلكترونيات القياسية أو تتعطل سريعاً.

## The background

دُرست خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) والبطاريات البيولوجية في المختبرات الأكاديمية لعقود، بدءاً من ملاحظات أوائل القرن العشرين التي بينت أن المزارع البكتيرية تولد تيارات كهربائية أثناء تحلل المواد العضوية. وتاريخياً، كانت خلايا الوقود الميكروبية تعمل بشكل أساسي كأنظمة مخبرية زجاجية صلبة ثنائية الحجرات مفصولة بأغشية تبادل البروتون، مثل Nafion، ومتصلة عبر دوائر كهربائية خارجية. وقد طُوّرت هذه المنظومات التقليدية إلى حد كبير لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، حيث قامت سلالات برية من البكتيريا بتفكيك حمأة الصرف الصحي بالتزامن مع توليد تدفقات ضئيلة من الكهرباء التكميلية.

وعلى مدار الأعوام الخمسة عشر الماضية، حدد الباحثون سلالات ميكروبية محددة نشطة كهربائياً—أبرزها ضمن جنسي *Shewanella* و*Geobacter*—تمتلك بروتينات سيتوكروم في الغشاء الخارجي وزوائد شعرية موصلة تُعرف بالأسلاك النانوية الميكروبية. وتتيح هذه الهياكل المتخصصة نقل الإلكترونات خارج الخلية، مما يسمح للخلايا بتفريغ إلكترونات التمثيل الغذائي مباشرة على أسطح معدنية صلبة خارجية أو أقطاب اصطناعية دون الحاجة إلى وسائط كيميائية اصطناعية.

ورغم هذه الرؤى البيولوجية، واجه تحويل خلايا الوقود الميكروبية إلى إلكترونيات عملية ومدمجة صعوبات تاريخية تمثلت في تحديات التغليف. إذ تتطلب البكتيريا ماءً سائلاً، وتوفراً مستقراً للمغذيات، وظروف درجة حموضة معتدلة للبقاء على قيد الحياة. وعند تصغير خلايا MFCs التقليدية، كان الجفاف ونقص المغذيات وتسرب الأغشية يؤدي غالباً إلى موت المزرعة البكتيرية خلال ساعات. بالإضافة إلى ذلك، غالباً ما أنتجت خلايا MFCs المصغرة أحادية الحجرة جهوداً ضئيلة تتراوح بين 0.1 volts و0.3 volts، والتي ثبت أنها غير كافية لتجاوز عتبات التشغيل للمكونات الإلكترونية.

وللتغلب على هذه العقبات، اتجه علماء المواد إلى الهيدروجيل—وهو عبارة عن شبكات بوليمرية ثلاثية الأبعاد مترابطة قادرة على استيعاب كميات كبيرة من الماء مع الحفاظ على سلامة هيكلية صلبة. واستُخدمت مواد مثل polyacrylamide وpolyethylene glycol وalginate وgelatin على نطاق واسع في هندسة الأنسجة والإلكترونيات الحيوية نظراً لمحاكاتها للمصفوفة الطبيعية خارج الخلية لأنسجة الثدييات والبكتيريا. ومن خلال دمج الخلايا البكتيرية مباشرة داخل هذه الشبكات البوليمرية، سعى الباحثون لإنشاء مواد بيولوجية قائمة بذاتها تعزل الخلايا الحية عن الإجهاد الميكانيكي والجفاف، واضعين جسراً يربط بين الميكروبيومات الحية وأجهزة الإلكترونيات الصلبة.

## Reaction

في حين لم تصدر بعد بيانات عامة رسمية من الوكالات التنظيمية أو الشركات المصنعة للأجهزة التجارية عقب الكشف عن الأبحاث الأولية، فمن المتوقع صدور ردود فعل من لجان الهندسة الطبية الحيوية والمؤتمرات الأكاديمية المتخصصة في أنظمة الواجهات الحيوية. وتعمل جمعية Engineering in Medicine and Biology Society التابعة لـ Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)، إلى جانب Materials Research Society (MRS)، على تقييم مثل هذه التقنيات الهجينة بيولوجياً بانتظام في ندوات سنوية.

وعادةً ما يدقق أطباء الجهاز الهضمي والخبراء التنظيميون في وكالات مثل U.S. Food and Drug Administration (FDA) في أي تقنية مخصصة للاستخدام داخل الأمعاء من زاوية التوافق الحيوي، والاحتواء الحيوي، والسلامة طويلة الأمد. وعند إدراج أجهزة تحتوي على كائنات دقيقة حية في المناقشات السريرية، تطالب هيئات المراجعة الطبية باستمرار بتقييمات صارمة حول ما إذا كان بإمكان الأنواع البكتيرية غير المستوطنة الهروب من مصفوفات احتوائها، أو تغيير الميكروبيوم الأصلي للمضيف، أو إدخال مسببات أمراض انتهازية إلى فئات المرضى الأكثر عرضة للخطر.

## What we don't know yet

لا تزال المعايير التقنية الرئيسية ومقاييس الأداء غائبة عن التقارير الأولية؛ إذ لا تكشف البيانات الأولية عن النوع البكتيري الدقيق أو السلالة الجينية المغلفة داخل الهيدروجيل، مما يبقي التساؤل قائماً حول ما إذا كان الجهاز يعتمد على نماذج مختبرية نشطة كهربائياً قياسية مثل *Shewanella oneidensis*، أو كائنات معدلة وراثياً، أو ميكروبات معوية تكافلية متكيفة مع الجهاز الهضمي البشري.

علاوة على ذلك، لم يُحدد العمر التشغيلي للبطارية الحيوية، إذ لم يتضح بعد كم ساعة أو يوماً يمكن للبكتيريا المدمجة الحفاظ على ناتج 0.75 volts قبل أن يؤدي استنفاد العناصر الغذائية أو تراكم النواتج الثانوية الأيضية إلى إيقاف توليد الكهرباء. كما تظل الأرقام الكهروكيميائية الحاسمة—مثل كثافة التيار المستمر، وذروة كثافة الطاقة، والمعاوقة الداخلية، واستقرار الأداء تحت تأثير التمدد الميكانيكي أو درجات الحرارة المحيطة المتغيرة—غير معلنة. والأهم من ذلك، لا تشير التقارير إلى ما إذا كانت البطارية الحيوية قد اختُبرت حصراً في بيئات مخبرية مكتبية أم جرى تقييمها داخل نموذج بيولوجي نشط أو سائل هضمي اصطناعي، حيث يمكن للإنزيمات الهضمية وعصارات المعدة الحمضية أن تقوض سلامة الهيدروجيل.

## What to watch

سيعتمد المسار المستقبلي لهذه البطارية الحيوية المستوحاة من الأمعاء على عدة خطوات قادمة للتحقق العلمي والتقني. وينبغي للمراقبين ترقب نشر بيانات مراجعة من قِبل الأقران في مجلات المواد والهندسة الحيوية الرسمية، والتي ستوفر مخططات كاملة لتركيبة الهيدروجيل، ومواد الأقطاب، وأوساط نمو البكتيريا، ومنحنيات تفريغ الاستقطاب الكاملة.

وستركز المحطات البحثية المستقبلية على اختبارات الاستقرار المخبري (in vitro) داخل بيئات معدية ومعوية اصطناعية. وسيكون إثبات قدرة مصفوفة الهيدروجيل على تحمل مستويات حموضة منخفضة تصل إلى 1.5 pH في المعدة قبل أن تعمل في الظروف المحايدة إلى القلوية للأمعاء الدقيقة أمراً جوهرياً للتطبيقات القابلة للبلع. كما سيتعين على الباحثين إثبات نماذج لإثبات المفهوم تشغل فيها الخلية ذات الجهد 0.75 volts مستشعراً فعلياً منخفض الطاقة—مثل جهاز قياس درجة الحرارة الداخلية، أو مستشعر درجة الحموضة (pH)، أو جهاز إرسال لاسلكي—سواء بمفردها أو عبر دوائر إدارة الطاقة المتكاملة لحصاد الطاقة (PMICs) المصغرة.

يستند هذا التقرير إلى تغطية أصلية أعدتها Neetika Walter.