محققان ایرانی موفق به ساخت نانوژنراتور پوشیدنی ضدباکتری شدند

به گزارش صنایع نو، محققان و متخصصانی از دانشگاه‌های صنعتی شریف (به عنوان یکی از پیشروان علمی ایران و منطقه با سابقه درخشان در تربیت نیروهای متخصص و تحقیقات پیشرفته) دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشگاه تهران، و کالج دوبلین (از نهادهای علمی معتبر اروپایی) در یک همکاری مشترک بین‌المللی، مطالعه‌ای عمیق و دقیق را به انجام رساندند که به بررسی مکانیسم‌های طراحی و عملکرد نانوژنراتورهای تریبوالکتریک (TENGs) و تأثیرات مستقیم و غیرمستقیم این فناوری بر روی باکتری‌ها می‌پردازد.

بر اساس گزارش‌های منتشر شده از سوی ستاد ویژه توسعه فناوری‌های نانو، نانوژنراتورهای تریبوالکتریک که قادر هستند انرژی مورد نیاز خود را از حرکات فیزیکی و مکانیکی محیط اطراف (از جمله امواج اقیانوس، باد، قطرات باران، حرکات بدن انسان مانند راه رفتن یا حتی تنفس) تأمین کنند، در طول دهه‌های اخیر توجه گسترده‌ای را در طیف وسیعی از صنایع به خود جلب کرده‌اند . این فناوری به‌ویژه در حوزه‌های نوظهور و پرپتانسیلی مانند تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی (نظیر ساعت‌های هوشمند و حسگرهای سلامت) و دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت یا قابل حمل، از قابلیت‌های بسیار بالایی برخوردار است.

با این حال، یکی از چالش‌های اصلی و مهم در استفاده عملی از این دستگاه‌ها، تماس مستقیم و مداوم آن‌ها با پوست انسان و خطر بالقوه رشد و تکثیر باکتری‌ها در این زمینه ممکن است. این مسئله می‌تواند به بروز عفونت‌های پوستی، کاهش اثربخشی دستگاه و نهایتاً ایجاد خطر برای سلامت کاربر منجر شود. به همین دلیل، انجام تحقیقات پایه‌ای و کاربردی در این زمینه، به منظور بررسی دقیق تعاملات پیچیده میان بارهای الکتریکی تولید شده، جنس و نوع مواد میزبان مورد استفاده در ساخت نانوژنراتورها، و رشد باکتری‌ها، از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است.

در همین راستا، تیم تحقیقاتی مشترک متشکل از محققان دانشگاه‌های صنعتی شریف، صنعتی امیرکبیر، و تهران با همکاری علمی محققان ایرلندی از کالج دوبلین، در یک مطالعه جامع و سیستماتیک، به بررسی اثرات قطبیت بار الکتریکی (مثبت یا منفی) و همچنین تأثیر جنس و ماهیت مواد میزبان مورد استفاده در نانوژنراتورها، در زمینه مبارزه با باکتری‌ها پرداخته‌اند. این تحقیق معتبر بر روی دو مدل باکتری معروف و شایع به نام‌های اشریشیا کلی (E. coli) (از دسته باکتری‌های گرم منفی) و استافیلوکوکوس اورئوس (S. aureus) (از دسته باکتری‌های گرم مثبت) انجام شده است.

مکانیسم کنترل رشد باکتری‌ها توسط بار الکتریکی:

این تحقیق به‌طور مشخص نشان داد که با به کارگیری مواد میزبان دارای بار الکتریکی مثبت (نظیر آلومینیوم یا اکسید گرافن)، رشد و تکثیر باکتری‌ها به طور قابل توجهی مهار می‌شود. این اثر ضد باکتریایی عمدتاً ناشی از تعاملات الکترواستاتیکی قوی میان دیواره سلولی با بار منفی باکتری‌ها و مواد میزبان با بار مثبت است. این تعاملات منجر به جذب الکترون‌های حیاتی از زنجیره تنفسی باکتری‌ها شده و در نتیجه، چرخه تولید انرژی (ATP) در باکتری مختل گردیده و رشد و تقسیم آن‌ها متوقف می‌شود. این رفتار ضد میکروبی به‌ویژه در مواجهه با مواد دارای بار مثبت مانند آلومینیوم و اکسید گرافن، به وضوح مشاهده شد.

نقش محوری قطبیت بار منفی و تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)

اما یافته جالب‌تر و در عین حال پیچیده‌تر این تحقیق، مربوط به اثرات قطبیت بار منفی بود. در شرایط حضور بار الکتریکی منفی، تفاوت‌های قابل توجهی در رفتار ضد باکتریایی مواد مختلف مشاهده گردید. در حالی که آلومینیوم در حالت بار منفی، خاصیت ضد باکتریایی چندان چشمگیری از خود نشان نمی‌داد، اکسید گرافن حتی تحت بار منفی نیز عملکرد ضد باکتریایی بسیار بهتری را نشان می دهد. پژوهشگران این اثر برتر را عمدتاً به قابلیت ذاتی اکسید گرافن در تولید گونه‌های فعال اکسیژن (Reactive Oxygen Species - ROS) در سطح خود نسبت دادند. این گونه‌های شیمیایی بسیار فعال (مانند پراکسیدها و رادیکال‌های آزاد)، باکتری‌ها را تحت استرس اکسیداتیو شدید قرار داده و به سرعت موجب آسیب غشایی، تخریب DNA و نهایتاً مهار رشد و مرگ آن‌ها می‌شوند.

تأثیر بنیادی جنس ماده میزبان در عملکرد ضد باکتریایی

مطابق با نتایج به دست آمده از این تحقیق، انتخاب ماده میزبان (substrate) تأثیر بسیار زیادی در عملکرد ضد باکتریایی نانوژنراتورهای تریبوالکتریک دارد. با توجه به این که اکسید گرافن نه تنها از طریق مکانیسم الکترواستاتیک، بلکه از طریق تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) نیز قادر است رشد باکتری‌ها را به طور مؤثر و سریعی متوقف کند، این ماده به عنوان یک گزینه عالی و ایده‌آل برای استفاده در دستگاه‌های پوشیدنی ضد باکتری شناخته می‌شود. در مقایسه مستقیم با آلومینیوم که عمدتاً تنها از طریق جذب الکترون‌ها از باکتری‌ها اثرگذاری داشت، اکسید گرافن با بهره‌گیری از هر دو مکانیزم و با تأثیر قوی‌تر بر فرآیندهای بیوشیمیایی درون باکتری‌ها، قابلیت‌های ضد باکتریایی برتر و همه‌جانبه‌تری را نشان داد. این یافته‌ها به وضوح نشان می‌دهند که انتخاب هوشمندانه و مناسب ماده میزبان در طراحی نانوژنراتورهای تریبوالکتریک می‌تواند به‌طور چشمگیری عملکرد ضد باکتریایی این دستگاه‌ها را بهبود بخشد.

پیامدها و کاربردهای آینده در طراحی دستگاه‌های پوشیدنی

این تحقیق بین‌المللی می‌تواند در آینده نزدیک، نقش کلیدی و بسزایی در طراحی نسل جدیدی از نانوژنراتورهای تریبوالکتریک برای استفاده در دستگاه‌های پوشیدنی و سایر فناوری‌های پیشرفته حوزه بیومدیکال ایفا کند. با بهره‌گیری از این یافته‌ها، مهندسان می‌توانند دستگاه‌هایی را طراحی کنند که علاوه بر تولید پایدار انرژی از حرکت بدن کاربر (همانند آنچه در نانوژنراتورهای مبتنی بر حرکت بازو، تنفس یا راه رفتن وجود دارد) از ویژگی ضد باکتریایی ذاتی و فعالی نیز برخوردار باشند. این ویژگی مضاعف می‌تواند به‌ویژه در محیط‌های حساسی مانند مراقبت‌های بهداشتی، بیمارستان‌ها، و در شرایطی که نیاز مبرمی به جلوگیری از انتقال و رشد باکتری‌ها وجود دارد، کاربردهای فراوان و ارزشمندی داشته باشد.

در نتیجه، تحقیق مشترک محققان ایرانی و ایرلندی به خوبی نشان داده است که نانوژنراتورهای تریبوالکتریک، به ویژه هنگامی که با مواد هوشمند و پیشرفته‌ای مانند اکسید گرافن ترکیب شوند، می‌توانند از خاصیت ضد باکتریایی مؤثری برخوردار باشند. با کنترل دقیق پارامترهایی مانند قطبیت بار الکتریکی و انتخاب مواد مناسب برای میزبان، می‌توان این فناوری را به ابزاری قدرتمند و کارآمد در مبارزه با بیماری‌ها و عفونت‌های ناشی از باکتری‌ها تبدیل کرد. این دستاورد علمی، گامی مهم و رو به جلو در طراحی و تولید نسل جدیدی از دستگاه‌های پوشیدنی و پزشکی هوشمند به حساب می‌آید که علاوه بر کارکردهای معمول و رایج خود، قابلیت‌های بهداشتی و محافظتی پیشرفته‌ای را نیز در اختیار کاربران قرار می‌دهند.