Biyonik Dinamoların Geleceği

Medikal implantlar, pek çok insan için umut ışığı niteliğindedir.

Bu tarz cihazlar için gerekli olan güç kaynakları (örneğin piller), vücut ortamına uyum sağlayamayacak şekilde sert ve büyük yapıdadırlar. Ayrıca bu güç kaynaklarının şarj edilmek zorunda oluşu kullanım rahatlığı açısından düşünüldüğünde dezavantajları da beraberinde getirmektedir. Bu cihazları kullanan kişiler belirli aralıklarda, pillerin değişmesi için, cerrahi operasyonlar geçirmek zorunda kalmaktadırlar. Tekrar tekrar operasyon geçirmek hem belirli sağlık sorunları riskini taşımakta hem de maddi açıdan kişileri zor duruma düşürmektedir.

Bu problemlere karşı geliştirilen etkili çözümler, yeniden şarj olabilen piller ya da organların hareketi ile doğal yoldan enerji elde edebilen pillerdir. Geleneksel olarak kullanılan pillerin neredeyse hepsi katı yapıdaki malzemelerden meydana gelir ve yumuşak doku ile uyumlu değildir.

Piezoelektrik seramikler, güç toplayıcı olarak, sensör olarak ya da aktifleştirici ajan olarak kullanılabilirler. Çünkü piezoelektrik malzemeler; mekanik enerjiyi elektrik enerjisine, elektrik enerjisini de mekanik enerjiye çevirebilme yeteneğine sahiptirler.

(Piezoelektrik nedir? Piezoelektrik; kristal yapıdaki cisimlerin kendilerine dışarıdan uygulanan basınç miktarı ile orantılı olarak elektrik üretme özelliğidir.) Fakat piezoelektrik malzemelerin kırılgan yapıda oluşu, biyomedikal alandaki uygulamalarını kısıtlamaktadır.

Canan Dağdeviren; Illinois Üniversitesi’nde John A. Rogers’ın laboratuvarında bulunduğu süreçte, şekil ve mekanik özellikler açısından yumuşak doku ile uyum sağlayabilen, piezoelektrik malzemeler geliştirme fikri ilgisini çekmiştir. Bu nedenle doktora tez çalışmalarını, esnek ve uzayabilir piezoelektrik sistemler üzerine yönlendirmiştir. Ayrıca bu malzemelerin, doğal hareketlerin sinyallerinden, kullanılabilir enerji elde edebilme kabiliyetine sahip olması gerektiğini de düşünmüştür.

Kardiyak ve solunum hareketleri, kişinin yaşamını sürdürdüğü sürece, mekanik enerji için sürekli nitelikte olan kaynaklardır. Bu tarz bi enerji, mekanik olarak adapte olabilen, vücudun herhangi bir kısmı ile uyum içinde olan piezoelektrik sistemler vasıtasıyla güç kaynağı olarak kullanılabilir.

Esnek, piezoelektrik mekanik enerji toplayıcı elde edebilmek için; piezoelektrik seramikler, (zirkonyum, titanyum), ince kapasitör üniteler içerisinde şekillendirilmiştir. Bu yapı içinde, piezoelektrik seramik tabakasının orta noktası, eğilmenin sıfır olduğu yüksüz bir düzlemde, bir mesafe boyunca uzanmaktadır.

Burada amaç, malzemedeki gerilme sürerken, malzemenin eğilebilme derecesini ve elektriksel cevabı olabildiğince artırmaktır. Malzeme, üretim süreci gereği bir silikon alttaş (silicon wafer) üzerinde hazırlanmıştır. Daha sonra buradan alınarak, esnek yüzey (polyimide) üzerine getirilmiş ve son olarak malzeme, biyouyumlu bir tabaka ile kaplanmıştır. Bu kaplama işlemi, malzemeyi immün yanıt riskine ve elektriksel aksamın bozulma riskine karşı korumaktadır.

Elde edilen malzemenin biyouyumluluğu, sitotoksisite testi ile gösterilmiştir. Sitotoksisite testi kapsamında; fareden elde edilen kas hücreleri malzeme üzerine ekilmiş ve 9 gün sonunda hücrelerin % 96’sının canlı olduğu görülmüştür.

Sonrasında, organ hareketlerinin taklit edilmesi için, malzemenin eğilme derecesi ölçülmüştür. Bu ölçüm; cihazın, mekanik yük altındaki performansının görülmesi açısından önem taşımaktadır. Sonuçlar, % 0.35’lik bir gerilme altında 3.7 V ‘luk bir güç elde edilebildiğini göstermiştir. Bu durumda ise sistemin verimi yaklaşık %1.2 olarak ölçülmüştür. Ek olarak, elde edilen elektrik enerjisi, eş zamanlı olarak çip boyutundaki yeniden şarj edilebilir pillerde depolanabilmiştir.

Sistem, hayvanlar üzerinde de denenmiş ve maksimum verimin alındığı gözlenmiştir.

Sonuç olarak, bu çalışmada; kendi alanında bir ilk gerçekleştirilerek organların doğal kasılma ve gevşeme hareketlerinden enerji elde edebilen esnek mikrojeneratörler üretilmiştir. (Mikrojeneratörler; mikro boyutta, bir tür enerjiyi başka bir türe dönüştüren makinelerdir.)  

Bu çalışmada; piezoelektrik malzemeler ve yeni mikro üretim tekniklerinin birlikte kullanımı sonucunda, insan sağlığı açısından pekçok alanda kullanılabilecek bir ürün elde edilmiştir.

Kaynak
http://science.sciencemag.org/content/354/6316/1109.1.full