الأنظمة الميكانيكية – الكهربائية – المجهرية Micro-Eleectronical-mechanical systems (Bio MEMS) and (MEMS) 

ادى التقدم السريع في سيرورات النمنمة او تصغير الاجسام والآلات (miniaturization) في العقد الاخير من القرن الماضي الى ايجاد انظمة جديدة هجينة فهي لا تعد انظمة كهربائية فقط او ميكانيكية فقط بل هي مزيج من النظامين ولكن على مستوى بالغ الدقة والصغر (مجهري او نانوي) ويمكن تعريفها كالآتي : هي نظام ميكانيكي (الي) متناهي في الصغر وغالبا ما يحتوي النظام على تداخلات كهربائية ويتم تصنيعيا باستخدام سيرورات اشباه الموصلات semiconductor التقليدية تستخدم انظمة MEMS بنجاح في عدة منتجات ومنها مجال التقنية الحيوية مثل المصفوفات البروتينية ومتحسسات كيموحيوية للسيطرة على التفاعلات الكيميائية ، تطبيقات الـ MEMS في الجراحة المجهرية microsurgery وتطبيقات اخرى تشمل المعالج الضوئي الرقمي digital light processor مصفوفة المرآة المشوهة deformable mirror array .

‏اما الـ (bio MEMS)  فهي تلك الانظمة الميكانيكية الكهربائية المجهرية الحيوية والتي تركز على سيرورات التطور والتقدم في التقنيات المجهرية micro technology والمتعلقة بالبحوث :

1. في مجال علم حياة الخلية cell biology وتطبيقات هندسة الانسجة tissue engineering (الشكل 1) (الشكل 2)

2. في مجال تكوين مفاعلات حيوية مجهرية micro-bioreactor المستندة الى السليكون " silicon " والتي تبنى حسب الطلب وتتضمن تداخلات في سطوح الخلايا وتسمح باندغام مواد فعالة ضمن ركيزة السليكون .

3. اساليب الكترونية – بصرية لتحديد مواقع الخلايا بصورة عكسية لكي تستخدم في المتحسسات الحيوية المعتمدة على الخلية cell-based biosensors وهندسة الانسجة .

4. السيطرة على تداخلات سطوح الخلايا من خلال السيطرة على مواقع microfluidic والتصوير المعدني photolithographic للجزيئات الملتصقة وغير الملتصقة من المواد الحيوية .

الشكل (1) : يوضح اندماج الخلايا الحية مع الرقاقة الالكترونية

الشكل (2) : يوضح خلايا (AtT20) الغدية والمصورة بتقنية IR ، والمعزولة من الغدة النخامية والنامية في سطح الرقاقة السليكونية

1- الانساليات robots

في خضم التقدم العلمي الهائل يمكن للانسالي او الروبوت (robot) ان يشكل العمود الفقري في مجال العمل كبديل للإنسان في المستقبل بل هو يستخدم في الوقت الحاضر للبحث عن المتفجرات وغيرها من المجالات الامنية الخطيرة بدلا من الانسان وتتواجد في الوقت الحاضر مئات الالاف من هذه الانساليات توجد الغالبية العظمى منها في اليابان التي حققت تقدما مدهشا وبالغ الروعة في هذا المجل وتتجه البحوث الحالية نحو ايجاد متقاربات جديدة في توفير انماط جديدة من الانساليات النانوية nanorobots  الأشكال (6 , 5 , 4 , 3) .

Bio-nanorobot

الشكل (3) : يبين الانسالي " الروبوت " النانوي الحيوي ويلاحظ مدى دقة التصميم وتطوره . يحتوي الانسالي على متحسسات ومستشعرات يمكن ان تصمم لإداء وظيفة حيوية محددة .

Nanorobot in the blood stream

الشكل (4) : الانسالي " الروبوت " النانوي المصمم للعمل كمحقنة مجهرية في مجرى الدم . يحتوي الروبوت على اذرع تشبه الكابلات للإمساك وتثبيت الخلايا ويحتوي على حاوية تستوعب الدواء او العقار وعلى ابرة حقن مجهرية لحقن الخلايا بالعقار .

Nanobots replacing neurons

الشكل (5) : يمثل نمطاً جديداً من الانساليات او الروبوتات يعرف بالنانوبوت " nanobots " والذي يمكن استخدامه لاستبدال العصبونات والخلايا العصبية المتضررة .

Nanorobot performing cell surgery

الشكل (6) : احدى التصورات المستقبلية هي استخدام الانسالي " الروبوت " لأجزاء الجراحة المجهرية للخلايا حيث يزود الروبوت بكاميرا مجهرية ويمكن السيطرة على حركة الروبوت من قبل الجراح الذي يتابع عملية الجراحة على الشاشة

2- المحركات النانوية nanomotor

تم تطوير محرك نانوي من الدنا يتحرك بقوة الفوتون photon - powered nanomotor تشكل المحركات النانوية مبعثا لكثير من الامل والوعود في يوم تكون فيه هذه المحركات جزء من روبوتات (انساليات الية ) تمكن العلماء وباستعمال مقاربة من نوع جديد من انتاج محرك نانوي اطلق عليه 225 montemagno ويستمد هذا المحرك قوته من محرك حيوي والانزيم ادينوسين ثلاثي الفوسفات ATPase والذي يمثل مصدر للطاقة الكيميائية . توجد هذه المنظومة في المايتوكندريا (المتقدرات) وهي المسؤولة عن فسفرة الادينوسين ثنائي الفوسفات ADP ‏الى الادينوسين ثلاثي الفوسفات ATP . اخضع الباحثون الانزيم الى التحوير باستخدام تقنيات الهندسة الوراثية genetic engineering لكي يصبح قادرا على العمل في المحرك النانوي وبذلك نجح الباحثون في الحصول على اقوى محرك حيوي نانوي ويمكن لهذا المحرك ان يولد قوة اكبر من 100 بيكو / نيوتن وبذلك يعتبر من اعظم المحركات الجزيئية المعروفة ( شكل 7‏) وتمكن العلماء في جامعة فلوريدا من بناء اول محرك نانوي يعمل ويتحرك بقوة فوتونات الضوء (الشكل 8) يتكون هذا المحرك من 31 ‏زوج قاعدي تلعب تقنيات الـ MEMS دورا متزايدا في العديد من التطبيقات الطبية ، حيث تمكن العلماء في جامعة مشيكان من تصنيع قثطار جزيئي (الشكل9) خاصة قابلة للتحلل الحيوي biodegradeable ولاسترداد الدواء drug-eluting وحاوية على متحمسات لقياس جريان الدم وضغط الدم (الشكل 10)

‏الشكل (7) : محرك نانوي nanomotor  داخل الجسم الشكل يبين المحرك النانوي 225  Montemagno وهو نظام نانوي ذو اساس حيوي ، حيث يستمد قوته من محرك حيوي والـ F1 ATPase كمصدر طاقة كيميائي وهو مضخة حيوية والتي تتواجد في المايتوكندريا والتي تفسفر ADP الى ATP ومزودة الخلية بتجهيز الطاقة . القوة التي يولدها بروتين المحرك هي اكبر من 100 بيكوظنيوتن ( > 100 pico-Newton) وهي من اعظم المحركات الجزيئية المعروفة ويمكن اعتبار هذا البروتين من اكثر المحركات النانوية كمالا وقوة . لكي يمنح انزيم الـ ATPaes القوة للأداة النانوية ، يجب اجراء بعض التحويرات على الانزيم (البروتين) لكي يمنح القوة والطاقة الى المايتوكندريا والخلية والاداة النانوية كذلك . تتضمن التحويرات حدوث طفرات mutaton ومنها طفرة في شفرة البداية initiation codon من GTG (فالين valine) الى ATG (ميثايونين methionine) وطفرة الايقاف Stop codons من ATG الى TAA

A Photon-Powered Nanomotor Made Out of DNA

الشكل (8) : تمكن العلماء في جامعة فلوريدا من بناء اول محرك نانوي يتحرك بقوة الضوء ويتكون من 31 زوجا قاعديا من الدنا DNA ويعتمد على مواد كيمياوية منشطة ضوئيا photoreactive chemicals وعلى موجات قصيرة . ويبدو المحرك النانوي على هيئة زوج من الملاقط Tweezers ، وعندما يضرب الضوء فوق البنفسجي UV المحرك فإنه يؤدي الى تنشيط التفاعل الضوئي الكيميائي مسبباً في انحناء (bend) الدنا DNA والتي تعمل عمل حركة قوة المحرك مؤدية الى فاتح الملاقط ، اما الضوء ضمن الطيف المرئي visible spectrum فإن يؤدي الى غلق الملاقط .

الشكل (9) : طورت جامعة مشيغان (USA) تقنيات جديدة في مجال BioMEMS ، اذ صنعوا قثطاراً catheter جزيئيا

الشكل (10) : اداة لقياس جريان الدم وضغط الدم . (Stentenna)