تحديات البطاريات المستخدمة في الأجهزة الطبية القابلة للزرع: التصغير والتوافق الحيوي

تشكل التصغير والتوافق الحيوي وطول العمر تحديات رئيسية للبطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرعيجب على المهندسين تصميم مصادر طاقة تتناسب مع حدود الحجم الصارمة وتحافظ على الأداء العالي. تعتمد سلامة المرضى على توصيل طاقة موثوق به ومواد لا تُحفز الاستجابات المناعية. يُفضل القطاع الطبي الآن الحلول المتقدمة القائمة على الليثيوم للأجهزة القابلة للزرع، مما يُغني عن المواد الكيميائية القديمة ويُحسّن موثوقية الأجهزة.

الوجبات السريعة الرئيسية

• التصغير أمرٌ بالغ الأهمية. يجب على المهندسين تصميم بطاريات تناسب المساحات الصغيرة دون التأثير على أدائها. فالبطاريات الأصغر حجمًا تُحسّن سهولة استخدام الجهاز.

• التوافق الحيوي ضروري لسلامة المريض. اختيار المواد التي لا تُحفز الاستجابات المناعية يضمن موثوقية الأجهزة القابلة للزرع.

• يؤثر طول العمر على التكاليف ورعاية المرضى. فالبطاريات التي تدوم لفترة أطول تقلل الحاجة إلى استبدالها، مما يعود بالنفع على المرضى وأنظمة الرعاية الصحية.

• تُحسّن المواد الكيميائية المتطورة القائمة على الليثيوم الأداء. توفر هذه الخيارات كثافة طاقة أعلى وعمرًا أطول، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الطبية.

• التعاون يُحفّز الابتكار. تُفضي الشراكات بين المصنّعين وخبراء البطاريات والعلماء إلى حلول أفضل للأجهزة القابلة للزرع.

الجزء الأول: بطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع

1.1 التصغير

لا يزال التصغير يُمثل تحديًا رئيسيًا لبطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع. يجب على المهندسين تصميم مصادر طاقة تناسب المساحات شديدة الصغر دون المساس بكثافة الطاقة أو موثوقيتها. أصغر البطاريات المتوفرة تجاريًا، مثل بطاريات Contego سعة 1.5 مللي أمبير/ساعة، يبلغ طولها 0.299 بوصة فقط وقطرها 0.114 بوصة. تتميز هذه البطاريات بعلب تيتانيوم محكمة الغلق وفواصل إيقاف حراري، مما يدعم أجهزة تعديل ورصد عصبية متطورة. تُقدم البطاريات الصغيرة، مثل بطاريات EaglePicher، تخفيضات إضافية في الحجم لتطبيقات التحفيز العصبي.

ملحوظة: يؤثر حجم البطارية بشكل مباشر على التصميم العام ووظائف الجهاز القابل للزرع. كيمياء تعتمد على الليثيوم، بما في ذلك معدن الليثيوم وأيونات الليثيوم (LCO، NMC، LMO، LTO، الحالة الصلبة)، تُعاني من قيود في عمرها الافتراضي وعامل شكلها. بطاريات التريتيوم، مع أعمار تتجاوز 20 سنوات، تمكين تصميمات أكثر إحكاما وتنوعا.

التحدي	الوصف
حدود البطاريات التقليدية	تتمتع البطاريات الكيميائية التقليدية، وخاصة تلك التي تعتمد على الليثيوم، بعمر افتراضي محدود وقيود على الحجم.
موثوقية مصدر الطاقة	تعتبر مصادر الطاقة الموثوقة ضرورية لاستدامة وظائف الجهاز.
التأثير على تصميم الجهاز	يؤثر حجم البطارية على تصميم وأداء الأجهزة الطبية القابلة للزرع.

1.2 التوافق الحيوي

يضمن التوافق الحيوي عدم تسبب البطاريات في حدوث ردود فعل سلبية لدى المريض. ويلعب اختيار المواد دورًا حيويًا في تحقيق هذا الهدف. يستخدم المصنعون إلكتروليتات هلامية مركبة قائمة على الجيلاتين/بولي كابرولاكتون في بطاريات أيونات الزنك، التي تتميز بتوافق حيوي جيد وقابلية تحلل جيدة. توفر البوليمرات الموصلة وإلكتروليتات الهيدروجيل مرونة وتوافقًا لبطاريات الزنك-الهواء. الذهب النانوي يعمل ككاثود محفز، بينما تعمل السبائك القائمة على الصوديوم كأقطاب موجبة، وكلاهما يتميز بتوافق حيوي ممتاز. كما أن السبائك القائمة على الزنك والمغنيسيوم قابلة للتحلل الحيوي ومناسبة للتطبيقات القابلة للزرع.

• إلكتروليت هلامي مركب من الجيلاتين/بولي كابرولاكتون

• البوليمرات الموصلة لبطاريات الزنك الهوائية

• إلكتروليتات هيدروجيل للمرونة

• سبائك الذهب النانوية القائمة على الصوديوم

• المواد القابلة للتحلل الحيوي القائمة على الزنك والمغنيسيوم

1.3 طول العمر

يُحدد طول العمر الافتراضي دورة استبدال الأجهزة الطبية القابلة للزرع وتكلفتها الإجمالية. تتراوح أعمار معظم البطاريات بين 5 و25 عامًا، حسب نوع الجهاز واستخدامه. عادةً ما تدوم أجهزة تقويم القلب ومزيل الرجفان القابلة للزرع حوالي 10.8 سنواتمع وصول عمر بعض الأنواع الفرعية إلى ١١ عامًا. تؤثر عوامل مثل الشركة المصنعة، ووقت زرع الزرع، ووضع تنظيم ضربات القلب، ونسبة تنظيم ضربات القلب على عمر البطارية. حجم الجهاز وعدد الصدمات الكهربائية لهما تأثير ضئيل.

عامل	التأثير على طول العمر
الشركة المصنعة	يختلف حسب الماركة
وقت الزرع	يؤثر على عمر البطارية
وضع تحديد السرعة	يؤثر على استهلاك الطاقة
نسبة السرعة	الاستخدام العالي يقلل من طول العمر
فترة إعادة تشكيل المكثف	يؤثر على أداء البطارية
حجم الجهاز	لا يوجد تأثير كبير
عدد الصدمات	لا يوجد تأثير كبير

يؤثر اختيار كيمياء البطارية وتصميمها بشكل مباشر على سلامة المريض وموثوقية الجهاز. يجب على المهندسين الموازنة بين التصغير والتوافق الحيوي وطول العمر لتلبية متطلبات الأجهزة الطبية الحديثة القابلة للزرع وتطبيقاتها.

الجزء الثاني: التصغير في الأجهزة القابلة للزرع

2.1 قيود الحجم

تواجه بطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع قيودًا كبيرة على الحجم. يجب على المهندسين تطوير مصادر طاقة مدمجة وفعالة وآمنة مصممة خصيصًا لتطبيقات طبية محددة. تُقيد المساحة الداخلية المحدودة لهذه الأجهزة أبعاد البطاريات، مما يؤثر بشكل مباشر على التصميم العام وسهولة الاستخدام. على سبيل المثال، قد تجعل البطارية الضخمة الجهاز القابل للارتداء أو القابل للزرع غير عملي للاستخدام اليومي. تتطلب تطبيقات الأطفال بطاريات أصغر حجمًا، بينما قد تسمح أجهزة البالغين بخلايا أكبر قليلاً. يصبح عامل الشكل معيارًا حاسمًا في بداية عملية التصميم. يجب على المهندسين تقييم ما إذا كانوا سيستخدمون بطارية سهلة الاستخدام أو خلية قابلة لإعادة الشحن محكمة الغلق، مع الموازنة دائمًا بين السعة والحجم الصغير. يضمن هذا الاعتبار الدقيق أن تظل الأجهزة الطبية القابلة للزرع وظيفية ومريحة وآمنة للمرضى.

ملحوظة: لا تؤثر قيود الحجم على التكامل المادي للبطارية فحسب، بل تؤثر أيضًا على اختيار التركيبات الكيميائية للبطارية والهندسة المعمارية العامة للجهاز.

2.2 كثافة الطاقة

تظل كثافة الطاقة العالية ضرورية للأجهزة الطبية القابلة للزرع. تتطلب هذه الأجهزة بطاريات توفر طاقة كافية لفترات طويلة دون الحاجة إلى استبدالها أو إعادة شحنها بشكل متكرر. يجب على المهندسين اختيار كيمياء البطاريات التي تُحسّن تخزين الطاقة إلى أقصى حد ضمن أصغر حجم ممكن. توفر الكيمياء القائمة على الليثيوم، مثل LiFePO4، وNMC، وLCO، وLMO، وLTO، والحالة الصلبة، ومعدن الليثيوم، مزايا متفاوتة في جهد المنصة، وكثافة الطاقة، ودورة الحياة. يُقارن الجدول أدناه هذه الكيمياء، مُبرزًا أهميتها للصناعات الطبية وغيرها من الصناعات عالية الطلب:

كيمياء	جهد المنصة (فولت)	كثافة الطاقة (Wh / kg)	دورة الحياة (دورات)	سيناريوهات التطبيق
LiFePO4	3.2	90-160	أكثر من عشرين	الطبية والصناعية
المركز الوطني للاعلام	3.7	150-220	1000-2000	الطب والروبوتات والأمن
LCO	3.7	150-200	500-1000	الطب، الالكترونيات الاستهلاكية
LMO	3.7	100-150	300-700	الطبية والبنية التحتية
عفرتو	2.4	70-110	أكثر من عشرين	الطبية والصناعية
الحالة الصلبة	3.2-3.7	200-400	1000-2000	الطب والروبوتات
معدن الليثيوم	3.0-3.6	300-500	500-1000	الطبية والأمنية

يعتمد اختيار التركيبة الكيميائية المناسبة على متطلبات الطاقة للجهاز، وعمره الافتراضي، ومستوى السلامة. تتيح كثافة الطاقة العالية تشغيلًا أطول في عبوة أصغر، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة الطبية القابلة للزرع.

2.3 تكامل الأجهزة

يؤدي دمج البطاريات مع المكونات الأخرى في الأجهزة الطبية القابلة للزرع إلى ظهور العديد من التحديات:

• طول عمر الجهاز

• تصغير الحجم

• التوافق الحيوي للمواد

• لوائح السلامة للتسويق

• التقدم البطيء في تكنولوجيا البطاريات

• الحاجة إلى مواد جديدة وتقنيات حصاد الطاقة

يجب على المهندسين معالجة هذه التحديات لضمان سلاسة التشغيل وسلامة المرضى. تشمل الاستراتيجيات الفعّالة لدمج الأجهزة ما يلي:

• تقنيات إدارة الطاقة: تنفيذ مكونات موفرة للطاقة وضبط الطاقة الديناميكية لتحسين استخدام البطارية.

• اختيار المواد اللازمة لجهات اتصال البطارية: اختيار المواد المناسبة وتصميم واجهات الاتصال لضمان توصيل الطاقة بشكل موثوق.

• معايير التصميم: دمج الآليات التي تعزز الاتصال الموثوق به والتحقق من صحة الأداء في ظل الظروف الفسيولوجية.

• مكونات موفرة للطاقة: استخدام المتحكمات الدقيقة وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة لتقليل استهلاك الطاقة.

• ضبط الطاقة الديناميكية: ضبط الطاقة استنادًا إلى أنماط الاستخدام للحفاظ على الطاقة أثناء حالات الخمول.

• تقنيات حصاد الطاقة: تنفيذ أساليب مثل حصاد الطاقة الكهرضغطية لتكملة طاقة البطارية.

تساعد هذه الاستراتيجيات على تحسين أداء البطارية وإطالة عمر الجهاز. ويواصل المهندسون في القطاع الطبي ابتكاراتهم، باحثين عن مواد وتقنيات دمج جديدة لتلبية المتطلبات المتطورة للأجهزة الطبية القابلة للزرع.

الجزء 3: التوافق الحيوي والسلامة

3.1 اختيار المواد

يلعب اختيار المواد دورًا حاسمًا في سلامة وأداء بطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع. يجب على المهندسين اختيار مواد متوافقة حيويًا لا تسبب ضررًا أو ردود فعل سلبية في الجسم. تُعد سبائك التيتانيوم والذهب النانوي المسامي والصوديوم خيارات شائعة لمقاومتها للتآكل وتفاعلها الآمن مع الأنسجة البيولوجية. كما توفر إلكتروليتات الجل المركبة من الجيلاتين/بولي كابرولاكتون والبوليمرات الموصلة توافقًا حيويًا ومرونة ممتازين، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات المتقدمة. توفر سبائك الزنك والمغنيسيوم خيارات قابلة للتحلل الحيوي، مما يقلل من الحاجة إلى الإزالة الجراحية للجهاز بعد انتهاء عمره الافتراضي.

يضمن اختيار المواد المناسبة التوافق الحيوي طويل الأمد ويدعم وظيفة الجهاز طوال عمره الافتراضي. يجب على المصنّعين أيضًا مراعاة مصدر المواد الخام لتجنب المخاوف الأخلاقية. لمزيد من المعلومات حول المصادر المسؤولة، يُرجى الاطلاع على بيان المعادن المتضاربة.

3.2 الاستجابة المناعية

يمكن لجسم الإنسان أن يتفاعل مع الأجسام الغريبة، بما في ذلك البطاريات القابلة للزرع، بطرق متعددة. يساعد فهم هذه الاستجابات المناعية المهندسين على تصميم أجهزة أكثر أمانًا. تشمل أكثر ردود الفعل شيوعًا ما يلي:

• ترقية ل نضوج الخلايا الشجيرية، مما يزيد من نشاط الخلايا التائية السامة CD8 والخلايا التائية المساعدة CD4.

• انخفاض في الخلايا التنظيمية التائية (Tregs) واستقطاب الخلايا البلعمية M2 إلى الخلايا البلعمية M1، مما يدعم المناعة التكيفية.

• تكوين أيونات Zn2+ وMn2+، والتي يمكن أن تحفز موت الخلايا المناعي وتنشط مسار cGAS-STING.

• زيادة إفراز الإنترفيرون من النوع الأول والسيتوكينات المؤيدة للالتهابات، مما يؤدي إلى تسلل أكبر للخلايا الليمفاوية التائية.

يمكن لهذه العمليات أن تُعزز استجابة الجهاز المناعي، ولكنها قد تُسبب أيضًا التهابًا أو تلفًا في الأنسجة إذا لم تُدار بشكل صحيح. يجب على المهندسين اختيار مواد متوافقة حيويًا وخصائص تصميمية تُقلل من هذه المخاطر، مما يضمن سلامة المريض وموثوقية الأجهزة الطبية القابلة للزرع.

3.3 الامتثال التنظيمي

تُنظّم معايير تنظيمية صارمة تطوير واستخدام البطاريات في الأجهزة الطبية القابلة للزرع. ويضمن الامتثال لهذه المعايير استيفاء المنتجات لمتطلبات السلامة والتوافق الحيوي قبل طرحها في السوق. وتشمل المعايير الرئيسية ما يلي:

المجموعة الأساسية	الوصف
إرشادات إدارة الغذاء والدواء	يقوم بتقييم الأجهزة الطبية بحثًا عن أي استجابات بيولوجية ضارة محتملة.
ISO 10993	يقدم إرشادات لتقييم التوافق الحيوي، بما في ذلك السمية الخلوية والتحسس.
إيك شنومكس	يحدد متطلبات السلامة لـ البطاريات المستخدمة في الأجهزة الطبية.
UL 2054	ضمان أن البطاريات متوافقة حيوياً وآمنة للاستخدام.
ISO 13485	يحدد أنظمة إدارة الجودة للأجهزة الطبية، ودعم التوافق الحيوي.
IEC 60601-1	يغطي السلامة الأساسية والأداء الضروري للمعدات الكهربائية الطبية.

قد تختلف المتطلبات التنظيمية باختلاف المنطقة. على سبيل المثال:

المنطقة	الهيئة التنظيمية	المعايير والمتطلبات الرئيسية
الولايات المتحدة	ادارة الاغذية والعقاقير	IEC 62133، IEC 60086-4، UL 1642، UL 2054، وغيرها من المعايير الخاصة بسلامة البطارية وأدائها.
أوروبا	MDR	ANSI/AAMI ES 60601-1، IEC 60086-4، IEC 62133، والتي تتضمن اختبارات السلامة والأداء للأجهزة الطبية.
حجز المواصلات	وكالات مختلفة	متطلبات الاختبار UN 38.3 للنقل الآمن لبطاريات الليثيوم، بما في ذلك محاكاة الارتفاع والاختبارات الحرارية.

يجب على الشركات المصنعة إثبات أن بطارياتها تلبي هذه المعايير من خلال اختبارات صارمة. سلسلة ايزو 10993على سبيل المثال، تغطي هذه اللوائح سمية الخلايا، والتحسس، والتهيج، وسمية الجينات، مما يضمن سلامة الأجهزة الطبية القابلة للزرع للاستخدام البشري. ويحمي الالتزام بهذه اللوائح كلاً من المريض والشركة المصنعة، مما يدعم الاستخدام الآمن لبطاريات الليثيوم في التطبيقات الطبية والصناعية وغيرها من التطبيقات عالية الطلب.

الجزء الرابع: إدارة الطاقة والاستقرار

4.1 عمر البطارية

يظل تعظيم عمر البطارية أولوية قصوى للمهندسين العاملين في مجال بطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع. يؤثر طول عمر الجهاز بشكل مباشر على سلامة المرضى وتكاليف الرعاية الصحية. توفر أحدث بطاريات الليثيوم وثاني أكسيد المنغنيز ما يصل إلى 1.9 أمبير/ساعة من السعة القابلة للاستخدام، مما يُرسي معيارًا رائدًا في هذا المجال. تدعم هذه البطاريات أجهزة تدوم حتى 13.2 عامًا، مما يُقلل الحاجة إلى استبدالها بشكل متكرر. يُبرز الجدول أدناه الميزات الرئيسية التي تُساهم في إطالة عمر البطارية:

الميزات	أيقونة
السعة	1.9 أمبير/ساعة من سعة البطارية القابلة للاستخدام - وهي الأعلى في الصناعة
كيمياء	يحافظ ثاني أكسيد المنغنيز الليثيوم على استقرار الجهد والمقاومة
الكفاءة	أجهزة أصغر حجمًا بنسبة تصل إلى 8% وأرق بنسبة تصل إلى 24%
طول العمر	يعمل لمدة تصل إلى 13.2 عامًا، ويتفوق على المنافسة
وفورات في التكاليف	يؤدي تقليل البدائل إلى تقليل التكاليف بالنسبة للمرضى وأنظمة الرعاية الصحية
طول العمر المُثبت سريريًا	تم إثباته سريريًا منذ عام 2008 مع عمر افتراضي مثير للإعجاب

يستكشف المهندسون أيضًا حلولًا ذاتية التشغيل باستخدام تقنيات حصاد الطاقة. وتشمل هذه الحلول حصاد الطاقة الكهرومغناطيسية، ونقل الطاقة لاسلكيًا بالموجات فوق الصوتية، والمولدات الحرارية الكهربائية التي تستخدم حرارة الجسم. تُطيل هذه الابتكارات عمر الأجهزة وموثوقيتها.

4.2 خرج الطاقة

تتطلب الأجهزة الطبية القابلة للزرع طاقةً ثابتةً وقابلةً للتنبؤ بها لتعمل بأمان. تختلف احتياجات الطاقة باختلاف الأجهزة، بدءًا من أجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة ووصولًا إلى المحفزات عالية الطاقة. يقارن الجدول أدناه مصادر الطاقة الشائعة والطاقة المُولّدة منها:

طريقة حصاد الطاقة	اقتراب	الطاقة المولدة	المزايا	عيوب
نظام مستقل	بطاريات الليثيوم	210 واط/ساعة/كجم	التوافق مع الأجهزة الإلكترونية المرنة	المقاس
	خلايا الوقود الحيوي	2.4 ميكرون	إعادة تدوير المواد	طاقة خرج منخفضة
	البطاريات النووية	50 ميكرون	عمر خدمة أطول (>15 سنة)	الخطر الإشعاعي
	الكهرباء الحرارية	5.8 ميغاواط	مدى الحياة غير محدود	طاقة خرج منخفضة
	الكهربائية الضغطية	2.1-69.8 واط	انتاج الطاقة العالية	مواقع محدودة قابلة للزرع

يضمن استقرار خرج الطاقة موثوقية الجهاز وسلامة المرضى. يختار المهندسون الطريقة المناسبة لحصاد الطاقة والكيمياء بناءً على تطبيق الجهاز، مثل الطب، والروبوتات، والأمن.

4.3 الأداء على المدى الطويل

أداء طويل المدى يعتمد استهلاك الطاقة على عدة عوامل، منها التركيب الكيميائي للبطارية، ونوع الجهاز، واستهلاك الطاقة. يُحسّن التصميم الداخلي للبطارية، مثل هيكل الصفائح المتراكبة في بطاريات ENDURALIFE، سعة الطاقة وكثافة الطاقة إلى أقصى حد. تحافظ بطاريات Li/MnO2 على جهد أعلى من 2.8 فولت ومقاومة داخلية مستقرة، مما يدعم مؤشر استبدال اختياري أعلى. في المقابل، تُظهر بطاريات Li/SVO انخفاضًا في الجهد وزيادة في المقاومة عند نفادها.

تشمل العوامل الرئيسية المؤثرة على الأداء طويل الأمد للبطاريات القابلة للزرع الشركة المصنعة للجهاز، ونوعه (جهاز تنظيم ضربات القلب (ICD) مقابل جهاز CRT-D))، ومعدل تنظيم ضربات القلب البطيني. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ الطاقة التي يستهلكها الجهاز والطاقة المتوفرة من البطارية عوامل حاسمة. كما يلعب التركيب الكيميائي والتصميم الداخلي للبطارية دورًا هامًا في تحديد عمرها الافتراضي.

لتعزيز الموثوقية بشكل أكبر، ينفذ المهندسون أنظمة إدارة البطارية المتقدمةتعمل هذه الأنظمة على مراقبة صحة البطارية وتحسين دورات الشحن ومنع الإفراط في التفريغ.

تُواصل الابتكارات في تقنيات حصاد الطاقة، مثل أكسدة الجلوكوز داخل خلايا الوقود الحيوي وتوليد الطاقة من حركة الأنسجة، تحسين استقرار الأجهزة الطبية القابلة للزرع على المدى الطويل. تُسهم هذه التطورات في ضمان سلامة وفعالية الأجهزة الطبية القابلة للزرع طوال فترة استخدامها.

الجزء الخامس: الابتكارات في تكنولوجيا البطاريات القابلة للزرع

5.1 الكيمياء المتقدمة

شهدت السنوات الأخيرة تحولاً من كيمياء البطاريات القديمة إلى حلول متقدمة قائمة على الليثيوم، مثل LiFePO4، وNMC، وLCO، وLMO، وLTO، والحالة الصلبة، ومعدن الليثيوم. توفر هذه الكيمياء كثافة طاقة أعلى، وعمرًا افتراضيًا أطول، ومستويات أمان مُحسّنة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الطبية والروبوتية والأمنية. يستكشف المهندسون الآن غرسات إلكترونية حيوية بدون بطاريات تحصد الطاقة مباشرة من الجسم. يُغني هذا النهج عن البطاريات الضخمة ويُقلل من حجم الجهاز. اكتسبت تقنيات المولدات النانوية، بما في ذلك خلايا الوقود الحيوي التي تُولد الكهرباء من الجلوكوز، والحصاد الحراري الكهربائي من تدرجات درجات الحرارة، زخمًا كبيرًا. تُمكّن المولدات الكهربائية الاحتكاكية، المصنوعة من مواد مرنة وقابلة للتحلل الحيوي، من حصاد الطاقة من حركات الجسم. تدعم هذه التطورات كلاً من التصغير والتوافق الحيوي، وهما أمران أساسيان للأجهزة الطبية القابلة للزرع.

• غرسات إلكترونية حيوية خالية من البطاريات تحصد الطاقة من الجسم

• تستخدم المولدات النانوية الجلوكوز أو تدرجات درجة الحرارة للحصول على الطاقة

• تستفيد المولدات الكهربائية الاحتكاكية من حركات الجسم والمواد المرنة

5.2 تقنيات التصنيع

اعتمد المصنعون تقنيات جديدة لتحسين موثوقية وسلامة البطاريات القابلة للزرع. ومن أبرز هذه التطورات استخدام إلكتروليت جديد يُسمى "الكاثوليت". يجمع هذا الابتكار بين وظائف الكاثود والإلكتروليت، مما يُقلل الوزن الإجمالي للبطارية. يُحسّن الكاثوليت الجديد عمر البطارية بنسبة تصل إلى 50%، أو يسمح باستخدام بطاريات أصغر وأخف وزنًا دون زيادة التكاليف. وتتحسن السلامة لأن هذه الخلايا تتجنب المواد السامة والمسببة للتآكل الموجودة في المواد الكيميائية القديمة. وتُظهر الاختبارات الأولية عمرًا افتراضيًا ثابتًا يتجاوز عامًا واحدًا، وهو أمر ضروري للبطاريات الأساسية في الأجهزة الطبية. وتُساعد هذه التحسينات على ضمان ثبات الأداء وسلامة المرضى.

• تعمل إلكتروليتات الكاثوليت على تقليل الوزن وزيادة عمر البطارية

• تتجنب الخلايا الأكثر أمانًا المواد السامة والمسببة للتآكل

• عمر تخزين ثابت يدعم موثوقية الجهاز على المدى الطويل

5.3 التعاون الصناعي

تُحفّز الشراكات بين مختلف القطاعات الابتكار في تكنولوجيا البطاريات القابلة للزرع. يتعاون مصنعو الأجهزة الطبية، ومتخصصو البطاريات، وعلماء المواد لتطوير حلول تُلبي المعايير التنظيمية ومعايير الأداء الصارمة. يُسرّع هذا التعاون اعتماد الكيمياء المتقدمة وأساليب التصنيع، كما يُعزز دمج تقنيات حصاد الطاقة في أجهزة الجيل القادم. تضمن هذه الشراكات أن تُلبّي البطاريات الجديدة المتطلبات الفريدة للقطاعات الطبية والصناعية والأمنية. تُعزز الشركات التي تُولي الاستدامة الأولوية في سلاسل التوريد الخاصة بها سمعتها وامتثالها. للمزيد من المعلومات حول ممارسات الاستدامة في تصنيع البطاريات، يُرجى الاطلاع على: نهجنا نحو الاستدامة.

لا يزال الابتكار المستمر في مجال بطاريات الأجهزة الطبية القابلة للزرع ضروريًا لتحسين رعاية المرضى وموثوقية الأجهزة. ويُسهم التصغير والتوافق الحيوي والامتثال التنظيمي في دفع عجلة التقدم في هذا المجال. ويتوقع خبراء الصناعة أن تُشكل عدة اتجاهات مستقبل العقد المقبل:

• إن التقدم في مجال البطاريات ذات الحالة الصلبة من شأنه أن يؤدي إلى تحسين السلامة والأداء.

• ستعمل أنظمة الشحن اللاسلكي على تقليل التدخلات الجراحية.

• ستزداد الاستدامة بفضل التقنيات القابلة للتحلل البيولوجي والقابلة لإعادة التدوير.

• إن القواعد التنظيمية الأكثر صرامة من شأنها أن تشجع على إيجاد حلول أكثر أمانا وصديقة للبيئة.

• من المتوقع أن يتسارع نمو السوق مع تطور التكنولوجيا واحتياجات المستهلكين.

الأسئلة الشائعة

ما هي التركيبات الكيميائية الرئيسية للبطاريات المستخدمة في الأجهزة الطبية القابلة للزرع؟

يستخدم المهندسون مركبات LiFePO4، وNMC، وLCO، وLMO، وLTO، والحالة الصلبة، ومعادن الليثيوم. توفر هذه الخيارات كثافة طاقة عالية، وجهد منصة مستقر، وعمرًا افتراضيًا طويلًا. يعتمد الاختيار على متطلبات الجهاز في التطبيقات الطبية، أو الروبوتية، أو الأمنية.

كيف تؤثر قيود الحجم على تصميم حزمة بطارية الليثيوم للزرعات؟

تُلزم قيود الحجم المهندسين بتطوير حزم بطاريات ليثيوم صغيرة الحجم. ويجب أن توفر عوامل الشكل الأصغر كثافة طاقة عالية وموثوقية عالية. يُحفّز هذا التحدي الابتكار في كل من الكيمياء والتغليف للأجهزة الطبية والصناعية.

لماذا يعد التوافق الحيوي أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للبطاريات الليثيوم القابلة للزرع؟

يضمن التوافق الحيوي عدم تسبب مواد البطاريات في حدوث استجابات مناعية أو تلف الأنسجة. يختار المصنعون مواد مثل التيتانيوم والذهب النانوي لتلبية المعايير الطبية الصارمة والمتطلبات التنظيمية، مما يحمي سلامة المرضى ويعزز أداء الجهاز.

ما هي المعايير التنظيمية المطبقة على بطاريات الليثيوم في الأجهزة الطبية؟

يتعين على الشركات المصنعة الامتثال لإرشادات إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، وISO 10993، وIEC 62133، وUL 2054. وتتناول هذه المعايير السلامة والتوافق البيولوجي وإدارة الجودة لمجموعات بطاريات الليثيوم في القطاعات الطبية والصناعية والأمنية.

كيف يعمل المهندسون على تعظيم عمر البطارية في الأجهزة القابلة للزرع؟

يختار المهندسون كيمياء متقدمة، ويُحسّنون إدارة الطاقة، ويستخدمون تقنيات حصاد الطاقة. تُطيل هذه الاستراتيجيات عمر البطاريات، وتُقلل من تكرار استبدالها، وتُحسّن موثوقيتها في التطبيقات الطبية والصناعية.