استفاده پزشکی-صنعتی از غلظت مایع در فناوری جدید سرنگ و در جذب و تبدیل کربن

تصویر: سرنگ کم هزینه. دستگاه جدید می تواند به شما کمک کند تزریق فرمولاسیون های دارویی قدرتمندی را انجام دهید که بیش از حد چسبناک هستند و نمی توانند با سرنگ و سوزن های معمولی تزریق شوند. تصاویر با مجوز از محققان و ویرایش شده توسط Jose-Luis Olivares ، MIT.
خود مدیریتی مصرف داروها یا واکسن ها می تواند به دموکراتیک کردن دسترسی به خدمات بهداشتی کمک کند.

فناوری سرنگ و تزریق داروهای بیولوژیکی غلیظ

محققان دانشگاهی یک فناوری ساده و کم هزینه برای استفاده از فرمولاسیون های دارویی قدرتمندی ایجاد کرده اند که بیش از آن حدی چسبناکند که بتوانند با استفاده از سرنگ های معمولی پزشکی تزریق شوند.
 
این فناوری که شرح آن در مقاله ای در مجله Advanced Healthcare Materials منتشر شده است، تزریق داروهای با غلظت بالا و سایر روش های درمانی را به صورت زیر جلدی امکان پذیر می سازد. این مطلب به عنوان راه حلی برای استفاده تزریقی از داروهای زیستی بسیار مؤثر و بسیار غلیظ، یا داروهای بیولوژیکی که به طور معمول رقیق و تزریق می شوند، تلقی می شود.
 این روش می تواند به کاهش مؤثرتر دی اکسید کربن منجر شود، که در نهایت می تواند جامعه ما را از اتکای فعلی ما به سوخت های فسیلی دور نماید.کریپا واراناسی، می گوید: "در جایی که رساندن دارو و بیولوژیک موضوع عمل است، تزریق به یک گلوگاه بزرگ تبدیل می شود و عدم امکان تزریق، از استفاده از فرمولاسیون هایی که می توانند بیماری ها را به راحتی درمان کنند جلوگیری می کند." "در حال حاضر تولید کنندگان دارو لازم دارند که بر روی آن چه بهتر انجام می دهند تمرکز کنند و داروها را فرموله نمایند، و درگیر مشکل تزریق نشوند. "
 
رهبران بنیاد بیل و ملیندا گیتس پس از مطالعه در مورد کارهای قبلی وارانسای در زمینه توزیع مایعات، حل مشکل تزریق مایع، که توجه صنایع مختلف از هواپیمایی گرفته تا سازندگان خمیر دندان را به خود جلب کرده است، را به او واگذار کردند. واراناسی می گوید، نگرانی اصلی بنیاد تهیه واکسن با غلظت بالا و درمان های بیولوژیکی برای افرادی در کشورهای در حال توسعه است که نمی توانند از مناطق دور دست به یک مکان دارای تسهیلات پزشکی سفر کنند.
 
واراناسی اضافه می کند، در بیماری همه گیر فعلی، این که بتوانید در خانه بمانید و برای درمان بیماری هایی مانند سرطان یا اختلالات خود ایمنی به صورت خود مدیریتی اقدام به تزریقات زیر جلدی دارو نمایید در کشورهای پیشرفته ای مانند ایالات متحده نیز مهم است.
 
وی می گوید: "خود مدیریتی مصرف داروها یا واکسن ها می تواند به دموکراتیک کردن دسترسی به خدمات بهداشتی کمک کند. "
 
واراناسی و ویشنو جایاپراکاش، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در گروه مهندسی مکانیک MIT که اولین نویسنده مقاله است، سیستمی را طراحی کردند که با کاهش نیروی تزریق مورد نیاز، تزریق زیر جلدی فرمولاسیون دارویی با غلظت بالا، در جایی که این غلظت بیش از حد ممکن برای اجرای تزریق زیر جلدی دستی با سرنگ معمولی است، را امکان پذیر می کند.
 
در سیستم آنها، مایع چسبناک برای تزریق با یک مایع روانکار، که جریان مایع را از طریق سوزن تسهیل می کند، احاطه شده است. با استفاده از مایع روانکار ، فقط یک هفتم نیروی تزریق برای بالاترین ویسکوزیته آزمایش شده مورد نیاز بود، و این به طور مؤثر اجازه تزریق زیر جلدی به هر یک از بیش از 100 دارویی را می دهد که در غیر این صورت خیلی چسبناک هستند و نمی توانند تجویز شده و از طرق معمول تزریق شوند.
 
جایاپراکاش می گوید: "ما می توانیم قابلیت تزریق این مواد بیولوژیک را فعال کنیم." "صرف نظر از این که چقدر ماده دارویی شما چسبناک است، می توانید آن را تزریق کنید و همین باعث شده است که این روش برای ما بسیار جذاب باشد. "
 این یک روش کاملاً ابتکاری برای تغذیه دی اکسید کربن به یک الکترولیز کننده است.داروهای بیولوژیک شامل فرمولاسیون های مبتنی بر پروتئین هستند و از سلول های زنده برداشت می شوند. از آنها برای درمان طیف وسیعی از بیماری ها و اختلالات استفاده می شود و می توانند به طور دلخواه با بافت های خاص یا سلول های ایمنی بدن پیوند خورده، واکنش های ناخواسته کمتری را تحریک کرده و پاسخ های ایمنی خاصی را به وجود آورند که با سایر داروها رخ نمی دهد.
 
جایاپراکاش می گوید: "شما می توانید پروتئین ها یا مولکول های بسیار خاصی را که به گیرنده های بسیار خاصی در بدن متصل می شوند، تنظیم کنید." "آنها درجه ای از شخصی سازی، خاصیت و پاسخ ایمنی را که فقط با داروهای مولکول کوچک در دسترس نیست، فعال می کنند. به همین دلیل است که در سطح جهانی، مردم به سمت داروهای بیولوژیک هجوم می آورند. "
   
تصویر: یک سرنگ کم هزینه برای تزریق مواد چسبناک. محققان سیستمی را طراحی کردند که با کاهش نیروی تزریق مورد نیاز، تزریق زیر جلدی فرمولاسیون دارویی با غلظت بالا را امکان پذیر می سازد. انجام این میزان تزریق زیر جلدی دستی با سرنگ معمولی بیشتر از حد امکان انجام است. با قدردانی از محققان
 محققان دانشگاهی یک فناوری ساده و کم هزینه برای استفاده از فرمولاسیون های دارویی قدرتمندی ایجاد کرده اند که بیش از آن حدی چسبناکند که بتوانند با استفاده از سرنگ های معمولی پزشکی تزریق شوند.به دلیل ویسکوزیته بالای آنها، تجویز داروها به صورت زیر جلدی شامل روش هایی بوده است که غیر عملی و گران بوده اند. به طور کلی، در روش های معمول، داروها رقیق می شوند و به صورت داخل وریدی تجویز می شوند که انجام آن نیاز به مراجعه به بیمارستان یا مطب پزشک دارد. انژکتورهای جت، که داروها را بدون سوزن از طریق پوست شلیک می کنند، گران هستند و مستعد آلودگی از پشت هستند. تزریق داروهای کپسول دار اغلب منجر به مسدود شدن سوزن و پیچیدگی اضافی در ساخت و تولید پروفیل های دارویی می شود. سرنگ های سبک EpiPen نیز بسیار گران هستند که نمی توان به طور گسترده از آنها استفاده کرد.
 
محققان، برای توسعه فناوری خود، با تعریف پارامترهای نظری و آزمایش آنها قبل از طراحی دستگاهشان، شروع به کار کردند. این دستگاه از یک سرنگ دارای دو لوله، یکی در داخل دیگری، تشکیل شده است که لوله داخلی مایع دارویی چسبناک را تحویل می دهد و لوله اطراف آن، هنگام ورود به سوزن، یک پوشش نازک روان کننده به دارو می رساند.
 
از آن جا که مایع روانکاری به راحتی از طریق سوزن عبور می کند، محموله چسبناک تحت تنش برشی کمتری قرار می گیرد. به همین دلیل، جایاپراکاش می گوید، این سیستم همچنین می تواند برای تهیه چاپ سه بعدی از بافت های ساخته شده از اجزای طبیعی و انجام درمان های سلولی، هر دو موردی که بافت ها و سلول ها در اثر آسیب برشی از بین می روند، مفید باشد.
 با تمرکز دی اکسید کربن در کنار سطح کاتالیزور، سیستم جدید همچنین دو ترکیب کربن جدید بالقوه مفید، استون و استات، تولید کرد که قبلاً در هیچ یک از این سیستم های الکترو شیمیایی با نرخ قابل توجهی شناسایی نشده بودند.ژل های درمانی - که از آنها، از جمله موارد دیگر، در درمان های استخوان و مفاصل، و همچنین برای تحویل دارو به صورت رها سازی به موقع، استفاده می شود - نیز می توانند با استفاده از سرنگ تولید شده توسط محققان با سهولت بیشتری تجویز شوند.
 
جایاپراکاش می گوید: "این روش به عنوان بستری برای همه آن برنامه های دیگر عمل می کند. "
 
پرامود بوند، دانشیار جراحی دانشکده پزشکی ییل، ​​می گوید که این روش می تواند در زمینه پزشکی تأثیر زیادی بگذارد.
 
بوند می گوید: "این فناوری نو آورانه می تواند تأثیر اساسی و گسترده ای بر نحوه تحویل داروها در بدن داشته باشد. "
 
این که آیا این تحقیق محققان، در مسیر یافتن احتمالات و روش های درمانی واکسن Covid-19 تغییری ایجاد می کند، مشخص نیست. محققان می گویند، با این حال با توجه به در نظر گرفتن فرمول های مختلف دارویی، این یافته، گزینه ها را گسترش می دهد.
 
واراناسی می گوید: "هنگامی که شما در مورد فناوری موجود در آن جا اطلاعاتی به دست آورده باشید، این صنعت ممکن است بگوید که آنها توانستند مواردی را که قبلاً غیر ممکن بود در نظر گیرند."
 
واراناسی که با کار قبلی خود باعث ایجاد چهار شرکت شده بود، می گوید او و تیمش امیدوارند که این فناوری نیز تجاری شود.
 
او می گوید: "نباید هیچ دلیلی وجود داشته باشد که این روش، با توجه به سادگی آن، نتواند به حل آنچه ما از صنعت شنیده ایم که یک مشکل در حال ظهور است مبادرت کند." "کاری بنیادی انجام شده است. اکنون فقط باید آن را در فرمول بندی های مختلف اعمال نمود. "
 

افزایش کارایی سیستم های جذب و تبدیل کربن

یک طراحی جدید می تواند سرعت واکنش در سیستم های الکترو شیمیایی برای بیرون کشیدن کربن از انتشارات نیروگاه را تسریع کند.
   
تصویر: رنگ هایی که میزان غلظت دی اکسید کربن را نشان می دهند. از رنگ ها برای آشکار سازی غلظت دی اکسید کربن در آب استفاده می شود. در سمت چپ یک ماده جذب کننده گاز وجود دارد و رنگ نشان می دهد دی اکسید کربن در کنار کاتالیزور متمرکز باقی مانده است. گروه تحقیقاتی واراناسی.
 
سیستم های جذب و تبدیل دی اکسید کربن از انتشارات نیروگاه ها می توانند ابزار مهمی برای مهار تغییرات آب و هوایی باشند، اما بیشتر آنها نسبتاً ناکارآمد و گران هستند. اکنون، محققان دانشگاهی روشی را ایجاد کرده اند که می تواند عملکرد سیستم هایی را که از سطوح کاتالیزوری برای افزایش سرعت واکنش های الکترو شیمیایی جدا کننده کربن استفاده می کنند، افزایش دهد.
 این سیستم نرخ بالایی از اتیلن، پروپانول و اتانول را تولید می کند – که یک سوخت احتمالی خودرو است.چنین سیستم های کاتالیزوری گزینه جذابی برای جذب کربن هستند زیرا می توانند محصولات مفید و با ارزشی مانند سوخت های حمل و نقل یا مواد اولیه شیمیایی تولید کنند. این خروجی یا محصول می تواند از فرآیند، حمایت مالی کند و هزینه های کاهش انتشار گازهای گلخانه ای را جبران کند.
 
در این سیستم ها، به طور معمول جریان گاز حاوی دی اکسید کربن از میان آب عبور می کند تا دی اکسید کربن را برای واکنش الکترو شیمیایی تحویل دهد. حرکت از طریق آب کند است، و این، سرعت تبدیل دی اکسید کربن را کند می کند. طراحی جدید تضمین می کند جریان دی اکسیدکربن در آب، درست کنار سطح کاتالیزور متمرکز باقی بماند. محققان نشان داده اند که این غلظت می تواند عملکرد سیستم را تقریباً دو برابر کند.
 
نتایج در مجله Cell Reports Physical Science در مقاله ای توسط MIT postdoc سامی خانPhD '19 ، که اکنون استادیار دانشگاه سایمون فریزر است، به همراه اساتید MIT مهندسی مکانیک Kripa Varanasi  و Yang Shao-Horn ، و فارغ التحصیل اخیر جاناتان هوانگ دکترای 19، شرح داده شده است.
 
واراناسی می گوید: "جدا سازی دی اکسید کربن چالش زمانه ماست." در این زمینه رویکردهایی وجود دارد، از جمله ترسیب وابسته به زمین شناسی، ذخیره سازی اقیانوس ها، معدنی شدن، و تبدیل شیمیایی. وقتی نوبت به تولید محصولات مفید و قابل فروش از این گاز گلخانه ای می رسد، تبدیل الکترو شیمیایی به خصوص امیدوار کننده است، اما برای این که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد هنوز هم نیاز به پیشرفت دارد. وی گفت: "هدف از کار ما این بود که بفهمیم گلوگاه بزرگ در این فرآیند چیست و این گلوگاه را اصلاح یا تعدیل کنیم. "
 
محققان دریافتند که ظواهر امر نشان می دهد که این گلوگاه در رابطه است با تحویل دی اکسید کربن به سطح کاتالیزوری که تحولات شیمیایی مورد نظر را تقویت می کند. در این سیستم های الکترو شیمیایی، جریان گازهای حاوی دی اکسیدکربن با آب مخلوط می شود، و این اختلاط یا تحت فشار یا با جوشاندن آن از طریق ظرفی که مجهز به الکترودهای ماده کاتالیزوری مانند مس است، صورت می گیرد. سپس ولتاژی اعمال می شود تا واکنش های شیمیایی تولید ترکیبات کربن را انجام دهند که این ترکیبات می توانند به سوخت یا محصولات دیگر تبدیل شوند.
 
در این سیستم ها دو چالش وجود دارد: واکنش می تواند آن قدر سریع پیش برود که واکنش، موجودیِ دی اکسید کربنِ رسیده به کاتالیزور را با سرعت بیشتری در مقایسه با تأمین دو باره آن مصرف کند. و اگر این اتفاق بیفتد، یک واکنش رقابتی - تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن - می تواند غالب شود و بسیاری از انرژی اعمال شده به واکنش را بمکد.
 جدا سازی دی اکسید کربن چالش زمانه ماست.تلاش های قبلی برای بهینه سازی این واکنش ها از طریق بافت سطوح کاتالیزور برای افزایش سطح واکنش ها نتوانسته بود انتظارات را برآورده نماید، زیرا عرضه دی اکسید کربن به سطح نمی توانست با افزایش سرعت واکنش همراه باشد که از آن طریق به تولید هیدروژن در طول زمان تبدیل می شود.
 
محققان با استفاده از یک سطح جذب کننده گاز که در مجاورت مواد کاتالیزور قرار دارد، این مشکلات را برطرف کردند. این ماده یک ماده فوق آبگریز "گازیفیلیک" با بافت خاص است که آب را دفع می کند اما اجازه می دهد یک لایه صاف از گاز به نام پلاسترون در امتداد و نزدیک سطح باقی بماند. جریان ورودی، دی اکسیدکربن را کاملاً در برابر کاتالیزور نگه می دارد تا واکنش های تبدیل دی اکسید کربن مورد نظر به حداکثر برسد.
   
تصویر: جذب کربن. در سمت چپ، یک حباب به یک سطح دارای بافت های خاص جذب کننده گاز برخورد می کند و در سطح گسترش می یابد، در حالی که در سمت راست یک حباب به یک سطح بدون بافت خاص برخورد می کند و فقط بر می گردد. از سطح دارای بافت های خاص در کاری جدید برای نزدیک نگه داشتن دی اکسید کربن به کاتالیزور استفاده می شود. اعتبار: گروه تحقیقاتی واراناسی
 طراحی جدید تضمین می کند جریان دی اکسیدکربن در آب، درست کنار سطح کاتالیزور متمرکز باقی بماند. با استفاده از شاخص های pH مبتنی بر رنگ، محققان توانستند شیب های غلظت دی اکسید کربن در سلول آزمایش را تجسم دهند و نشان دهند که غلظت افزایش یافته دی اکسید کربن از پلاسترون سرچشمه می گیرد.
   
تصویر: جذب کربن. در این جا از رنگ ها برای آشکار سازی غلظت دی اکسید کربن در آب استفاده می شود. رنگ سبز مناطقی را نشان می دهد که دی اکسید کربن در آن غلظت بیشتری دارد و رنگ آبی مناطقی است که دی اکسید کربن تخلیه می شود. منطقه سبز در سمت چپ، به لطف ماده جذب کننده گاز، دی اکسید کربن را در کنار کاتالیزور متمرکز نشان می دهد. اعتبار: گروه تحقیقاتی واراناسی
 سیستم های جذب و تبدیل دی اکسید کربن از انتشارات نیروگاه ها می توانند ابزار مهمی برای مهار تغییرات آب و هوایی باشند.در یک سری آزمایشات آزمایشگاهی، با استفاده از این تنظیمات، سرعت واکنش تبدیل کربن تقریباً دو برابر شد. همچنین با گذشت زمان، این سرعت پایدار ماند، در حالی که در آزمایش های قبلی واکنش به سرعت از بین می رفت. این سیستم نرخ بالایی از اتیلن، پروپانول و اتانول را تولید می کند – که یک سوخت احتمالی خودرو است. در همین حال، تکامل هیدروژن رقیب به شدت محدود می شد. اگر چه این کار جدید امکان تنظیم دقیق سیستم برای تولید مخلوط مورد نظر از محصول را فراهم می کند، اما در بعضی از برنامه ها بهینه سازی برای تولید هیدروژن به عنوان سوخت ممکن است نتیجه دلخواه باشد که این کار نیز می تواند انجام شود.
 
خان با اشاره به توانایی تولید ترکیباتی ارزشمند که توسط ترکیبی معین از مواد، بافت ها و ولتاژها تولید می شوند و تنظیم پیکر بندی متناسب با خروجی مورد نظر، می گوید: "معیار مهم، بهگزینی است. "
 
با تمرکز دی اکسید کربن در کنار سطح کاتالیزور، سیستم جدید همچنین دو ترکیب کربن جدید بالقوه مفید، استون و استات، تولید کرد که قبلاً در هیچ یک از این سیستم های الکترو شیمیایی با نرخ قابل توجهی شناسایی نشده بودند.
 این سیستم همچنین می تواند برای تهیه چاپ سه بعدی از بافت های ساخته شده از اجزای طبیعی و انجام درمان های سلولی، هر دو موردی که بافت ها و سلول ها در اثر آسیب برشی از بین می روند، مفید باشد.وارانسای خاطر نشان می کند که در این کار آزمایشگاهی اولیه، یک نوار از ماده آبگریز و جاذب گاز در کنار یک الکترود مسی قرار داده شد، اما در کارهای آینده ممکن است یک دستگاه عملی با استفاده از یک مجموعه متراکم از جفت صفحات لایه لایه شده ساخته شود.
 
در مقایسه با کار قبلی در مورد کاهش کربن الکترو شیمیایی با کاتالیزورهای نانو ساختار، وارانسای می گوید، "ما به طور قابل توجهی از همه آنها پیشی می گیریم، زیرا حتی اگر همان کاتالیزور باشد، این نحوه تحویل دی اکسید کربن است که بازی را تغییر می دهد. "
 
ایفان استیون، استاد مهندسی مواد در کالج امپریال لندن، که با این تحقیق ارتباط نداشت، می گوید: "این یک روش کاملاً ابتکاری برای تغذیه دی اکسید کربن به یک الکترولیز کننده است." "نویسندگان، مفاهیم مکانیک سیالات را که در صنعت نفت و گاز استفاده می شود، برای تولید سوخت الکترولیتی ترجمه می کنند. من فکر می کنم این نوع لقاح متقابل از زمینه های متنوع بسیار هیجان انگیز است. "
 
استیون اضافه می کند ، "کاهش دی اکسید کربن، پتانسیل زیادی، به عنوان راهی برای ساخت مواد شیمیایی بنیادی‌ای مثل اتیلن، از پسماند برق، آب و دی اکسید کربن، دارد. اتیلن در حال حاضر از طریق ترکیدن هیدرو کربن های زنجیره ای طولانی از سوخت های فسیلی ایجاد می شود؛ تولید آن مقادیر فراوانی دی اکسید کربن به اتمسفر انتشار می دهد. این روش می تواند به کاهش مؤثرتر دی اکسید کربن منجر شود، که در نهایت می تواند جامعه ما را از اتکای فعلی ما به سوخت های فسیلی دور نماید. "
 صرف نظر از این که چقدر ماده دارویی شما چسبناک است، می توانید آن را تزریق کنید.این تحقیق توسط شرکت انرژی ایتالیایی Eni S.p.A از طریق طرح انرژی MIT و بورسیه تحصیلات تکمیلی NSERC PGS-D از کانادا پشتیبانی شد
 
منبع: دیوید ال. چندلر، میکائیلا جارویس، دفتر خبری MIT