Phantom Tissues: Ο Αμερικανικός Στρατός εκτυπώνει 3D ανθρώπινο ιστό για δοκιμές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας

Σύνοψη

• Ερευνητές του Αμερικανικού Στρατού αναπτύσσουν συνθετικά υποκατάστατα δέρματος, οστών και εγκεφαλικού ιστού μέσω εξειδικευμένων τεχνικών τρισδιάστατης εκτύπωσης.
• Κύριος στόχος είναι η ακριβής προσομοίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του ανθρώπινου σώματος, ώστε να καταγραφεί πώς αλληλεπιδρά η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία των ραντάρ και των δικτύων επικοινωνίας με τον οργανισμό.
• Τα νέα υλικά, γνωστά και ως Phantom Tissues, διατηρούν την υγρασία τους σε θερμοκρασία δωματίου για πολλούς μήνες, λύνοντας το πρόβλημα συντήρησης που ταλαιπωρούσε προηγούμενες εργαστηριακές μεθόδους.
• Η εν λόγω έρευνα θα συνεισφέρει καταλυτικά στη δημιουργία εξελιγμένου προστατευτικού εξοπλισμού για τους στρατιώτες, ενώ παράλληλα διαθέτει τεράστιες προοπτικές εμπορικής εφαρμογής στον τομέα των ιατρικών συσκευών και των τηλεπικοινωνιών.

Ο σχεδιασμός εξοπλισμού που προστατεύει αποτελεσματικά το ανθρώπινο σώμα από αόρατες απειλές απαιτεί βαθιά κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα διάφορα φυσικά φαινόμενα αλληλεπιδρούν με τον βιολογικό μας ιστό, ένα έργο που παραδοσιακά συνοδεύεται από ανυπέρβλητα πρακτικά και ηθικά εμπόδια. 

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία εκπέμπεται διαρκώς από συστήματα ραντάρ, προηγμένα δίκτυα τηλεπικοινωνιών και φορετούς αισθητήρες ελέγχου υγείας, αποτελεί ίσως την πιο χαρακτηριστική περίπτωση αόρατης αλληλεπίδρασης, καθώς η παρατεταμένη έκθεση του νευρικού συστήματος σε υψηλά επίπεδα ενέργειας εγείρει σοβαρά ερωτήματα σχετικά με τα όρια ασφαλείας. 

Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα δυσκολευόταν να μετρήσει εμπειρικά και με ακρίβεια τον βαθμό διείσδυσης των ραδιοσυχνοτήτων κάτω από την επιδερμίδα, κυρίως επειδή τα συμβατικά εργαστηριακά υλικά, όπως τα μέταλλα, τα κοινά πλαστικά ή ακόμα και τα βαλλιστικά τζελ, αδυνατούν να αναπαραγάγουν πιστά την περίπλοκη ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά του πραγματικού ανθρώπινου σώματος.

Η Διοίκηση Ανάπτυξης ικανοτήτων μάχης του Αμερικανικού Στρατού, ευρύτερα γνωστή ως DEVCOM (U.S. Army Combat Capabilities Development Command), σε συνεργασία με ερευνητές από το Army Research Laboratory (ARL) και ειδικευόμενους φοιτητές από το Energetics Technology Center (ETC), προσεγγίζει αυτό το δυσεπίλυτο μηχανικό πρόβλημα μέσω της δημιουργίας εξαιρετικά ρεαλιστικών συνθετικών ιστών. Αντί να βασίζονται σε βιολογικά δείγματα που έχουν καλλιεργηθεί στο εργαστήριο και τα οποία είναι δαπανηρά, εξαιρετικά ευαίσθητα και δύσκολα στη συντήρησή τους, οι μηχανικοί στράφηκαν στην ανάπτυξη των επονομαζόμενων Phantom Tissues, δηλαδή τεχνητών υποκατάστατων που έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για να μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο οι ιστοί του δέρματος, του εγκεφάλου και των οστών αντιδρούν στην έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία. 

Αυτή η θεμελιώδης ερευνητική προσέγγιση επιτρέπει στους επιστήμονες να τοποθετούν αισθητήρες ακριβείας απευθείας στο εσωτερικό των τεχνητών μοντέλων, καταγράφοντας σε πραγματικό χρόνο το βάθος διείσδυσης των κυμάτων, την ποσότητα της απορροφούμενης ενέργειας και την επακόλουθη αύξηση της θερμοκρασίας στον προσομοιωμένο ιστό.

Το ανθρώπινο σώμα αποτελεί έναν εξαιρετικά πολύπλοκο αγωγό της ενέργειας, καθώς η υψηλή περιεκτικότητα του σε νερό και διαλυμένα μεταλλικά άλατα αναγκάζει τα ραδιοκύματα να απορροφώνται, να αντανακλώνται και να διαθλώνται με εντελώς διαφορετικό τρόπο σε σχέση με τα στερεά αντικείμενα. Το δέρμα, το κρανίο και ο εγκεφαλικός ιστός διαθέτουν το καθένα τις δικές του ξεχωριστές ιδιότητες αντίστασης και αγωγιμότητας, γεγονός που καθιστά τον σχεδιασμό ενός ενιαίου ομοιογενούς υλικού εντελώς ακατάλληλο για αυστηρές μετρήσεις. 

Προκειμένου να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, οι ερευνητές του Army Research Laboratory αξιοποιούν προηγμένο λογισμικό τρισδιάστατης σχεδίασης και εξειδικευμένους εκτυπωτές ρητίνης (SLA 3D printing) για την κατασκευή οστών που διαθέτουν ενσωματωμένους, τεχνητούς πόρους, μιμούμενα την πραγματική μικροδομή του ανθρώπινου σκελετού. Γεμίζοντας αυτούς τους μικροσκοπικούς πόρους με ειδικά διαμορφωμένα αγώγιμα τζελ, οι μηχανικοί αποκτούν τη δυνατότητα να παραμετροποιούν με χειρουργική ακρίβεια τις φυσικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του κάθε τμήματος, δημιουργώντας πολυστρωματικά μοντέλα κρανίου που συμπεριφέρονται ακριβώς όπως το βιολογικό πρότυπο.

Ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα της συγκεκριμένης ομάδας ερευνητών, το οποίο ξεχωρίζει τη δουλειά τους από αντίστοιχες προσπάθειες του παρελθόντος, έγκειται στην εντυπωσιακή χημική σταθερότητα των νέων συνθέσεων. Τα παλαιότερα υλικά που χρησιμοποιούνταν για την προσομοίωση μαλακών ιστών παρουσίαζαν το έντονο μειονέκτημα της ταχύτατης αφυδάτωσης, απαιτώντας αυστηρές συνθήκες ψύξης ή τη χρήση περίπλοκων χημικών συντηρητικών που συχνά αλλοίωναν τα αποτελέσματα των πειραμάτων, δημιουργώντας έτσι ένα σοβαρό πρόβλημα διάρκειας ζωής στο ράφι. Αντιθέτως, τα νέα τζελ και οι ρητίνες που αναπτύχθηκαν από την ομάδα του ARL σχεδιάστηκαν προκειμένου να σταθεροποιούν την περιεκτικότητά τους σε νερό, διατηρώντας αναλλοίωτα τα φυσικά και ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά σε θερμοκρασία δωματίου για συνεχόμενους μήνες, μειώνοντας δραστικά το κόστος της έρευνας και καθιστώντας τις μετρήσεις απολύτως επαναλήψιμες.

Ο Δρ. Dave Hairston, διακεκριμένος νευρολόγος του ARL, υπογραμμίζει πως η στρατηγική επένδυση στη σχεδίαση τέτοιων εργαλείων μοντελοποίησης επιτρέπει την ασφαλή ανάλυση των βιολογικών επιπτώσεων που προκύπτουν από ακραίες απειλές του πεδίου μάχης, ενημερώνοντας άμεσα τον σχεδιασμό και τη σύνθεση των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν στον εξοπλισμό της επόμενης γενιάς. Η δυνατότητα δοκιμής των συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων σε κατάλληλα διαμορφωμένες εγκαταστάσεις, σύμφωνα με τον βιομηχανικό μηχανικό Chris Sinks, επιταχύνει σημαντικά τον κύκλο έρευνας και ανάπτυξης, καθώς οι επιστήμονες πλέον κατέχουν τα απαραίτητα δοκιμαστικά εξαρτήματα για να καθορίσουν τα ασφαλή όρια έκθεσης των ανθρώπων σε νέες συσκευές επικοινωνίας και ανίχνευσης. 

Η επιτυχής ολοκλήρωση της έρευνας θα οδηγήσει στο επόμενο και πιο κρίσιμο στάδιο της διαδικασίας, το οποίο περιλαμβάνει την ένωση των ανεξάρτητων προσομοιωτών ιστού με σκοπό τη δημιουργία ολοκληρωμένων ρεαλιστικών μοντέλων κεφαλής που θα ενσωματώνουν ταυτόχρονα τα πορώδη οστά, το δέρμα και τα μαλακά μέρη του εγκεφάλου μαζί με τους απαραίτητους αισθητήρες καταγραφής δεδομένων.

Η εφαρμογή αυτών των προηγμένων δομικών μοντέλων ξεπερνά κατά πολύ τα στενά όρια της στρατιωτικής βιομηχανίας, δημιουργώντας συνθήκες άμεσης αξιοποίησης σε πολλαπλούς εμπορικούς και ιατρικούς τομείς της σύγχρονης τεχνολογίας. Η ακριβής κατανόηση της διείσδυσης των ραδιοσυχνοτήτων στους ιστούς αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για τον σχεδιασμό ασφαλέστερων εμπορικών κεραιών τηλεπικοινωνιών, ιατρικών διαγνωστικών μηχανημάτων, αλλά και της ολοένα αυξανόμενης κατηγορίας των wearables, όπως είναι τα έξυπνα ρολόγια και οι ενσωματωμένοι αισθητήρες στα ρούχα μας. 

Παρέχοντας ένα απόλυτα ελεγχόμενο και σταθερό περιβάλλον δοκιμών, οι μηχανικοί μπορούν να βελτιστοποιήσουν την τοποθέτηση των κεραιών στα εμπορικά προϊόντα, ελαχιστοποιώντας την άσκοπη απορρόφηση ενέργειας από τον χρήστη χωρίς να θυσιάζεται η ποιότητα του σήματος.