تم تحديثها 03.05

الطباعة ثلاثية الأبعاد والتشغيل المغناطيسي: تجاوز حدود حجم المناظير

تقتصر المناظير القابلة للقيادة المصنعة بالطرق التقليدية، والتي تدمج المكونات البصرية والمشغلات والهياكل الميكانيكية، على قدرتها على التصغير، حيث يتجاوز قطرها الخارجي الإجمالي عادة 1 مم. وهذا يمثل تحديات للوصول إلى أضيق الأوعية الدموية والتجويفات الضيقة في جسم الإنسان.

في عام 2025، حققت دراسة نُشرت في مجلة Communications Engineering، وهي مجلة شقيقة لمجلة Nature، تقدمًا رائدًا. اليوم سنفسر هذا التقرير البحثي.

أولاً: الاختراق الأساسي – الطباعة ثلاثية الأبعاد + التشغيل المغناطيسي

اقترحت هذه الدراسة التعاونية من جامعة شتوتغارت في ألمانيا ومؤسسات أخرى، وقامت بالتحقق من صحة نظام مجهري داخلي مضغوط للغاية وقابل للتشغيل المغناطيسي مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد. يكمن جوهرها في الجمع بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبلمرة ثنائية الفوتون والتشغيل المغناطيسي، مما يتيح التصنيع المتكامل بخطوة واحدة لنظام مجهري كامل بهياكل بصرية وميكانيكية وميكانيكية دقيقة مباشرة على الواجهة الأمامية لحزمة ألياف التصوير.

قد يكون فهم طريقة عمل هذه التقنية الجديدة صعبًا، وتكمن النقطة الأساسية أولاً في عبارة "التصنيع المتكامل بخطوة واحدة". تتضمن الطرق التقليدية تصنيع المكونات الدقيقة مثل العدسات الدقيقة، والينابيع الدقيقة، والمغناطيسات الدقيقة بشكل منفصل، ثم تجميعها تحت المجهر مثل إجراء جراحة دقيقة للنحت - وهي عملية صعبة للغاية وعرضة للأخطاء. في المقابل، تحقق هذه التقنية الجديدة "طباعة مرة واحدة، تشكيل متكامل": يتم طباعة جميع المكونات كوحدة مترابطة، وهي بطبيعتها وحدة واحدة، مما يلغي تمامًا خطوات التجميع الدقيقة الكابوسية.

الابتكارات الرئيسية:

ثورة التصنيع

إلغاء عملية التجميع الدقيق المملة، يتم تصنيع الأنظمة البصرية الدقيقة المعقدة والدقيقة في خطوة واحدة عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد.

طريقة التشغيل

يتم دمج الملفات الكهرومغناطيسية الدقيقة في النظام، ويقوم المجال المغناطيسي الذي يتحكم فيه التيار الكهربائي بدفع المغناطيسات المرتبطة بالبوليمر والمضمنة في البنية المجهرية، مما يحقق حركة دقيقة للمكونات البصرية.

التصغير النهائي

تم التحكم بنجاح في القطر الإجمالي لجميع الأنظمة المعروضة ليكون أقل من 900 ميكرومتر (0.9 مم)، مع قياس أصغر نظام دوران مدمج حوالي 660 ميكرومتر فقط في القطر، مما يحقق تصغيرًا ملحوظًا للأجهزة التنظيرية القابلة للقيادة.

ثانياً. ثلاث وظائف مبتكرة لتوسيع مجال رؤية المناظير

أظهر فريق البحث ثلاثة أنظمة ميكروية قابلة للتفعيل مغناطيسيًا بوظائف متميزة، مما يمنح المناظير القدرة على التكبير والتصوير عالي الدقة والرؤية البانورامية على التوالي.

1. نظام التشغيل المحوري: تحقيق التكبير وضبط التركيز

المبدأ: يتم دعم عدسة ميكروية بثلاثة نوابض حلزونية ومدمجة في مغناطيس بوليمري ممغنط محوريًا. عند تشغيلها، يدفع المجال المغناطيسي الناتج عن الملف الكهرومغناطيسي المغناطيس والعدسة للتحرك على طول المحور البصري.

الوظيفة: يؤدي الحركة الأمامية والخلفية للعدسة إلى تغيير البعد البؤري لتحقيق التكبير (تم الحصول على نسبة تكبير تبلغ حوالي 1.3 مرة في التجارب)، ويمكن أيضًا استخدامه لإعادة التركيز على مسافات مختلفة للكائن دون تحريك المنظار بأكمله.

الأبعاد: يبلغ قطر النظام المجهري نفسه 500 ميكرومتر وهو مدمج على ألياف بصرية بقطر 500 ميكرومتر، بقطر إجمالي يبلغ حوالي 810 ميكرومتر.

2. نظام التشغيل الجانبي: كسر حد الدقة

المبدأ: يسمح المفصل المرن المصمم خصيصًا (على سبيل المثال، أربعة نوابض ورقية متوازية) للعدسة الدقيقة بأداء ترجمة جانبية دقيقة تحت تأثير مجال مغناطيسي.

الوظيفة: يتسبب الحركة الجانبية في حدوث تحول طفيف في مسار الصورة البصري، وبالتالي الحصول على صور متعددة مزاحة قليلاً لنفس الكائن. من خلال دمج هذه الصور عبر الخوارزميات، يمكن التغلب بفعالية على مشكلة "التبليط الشبيه بخلية النحل" المتأصلة في حزم الألياف التصويرية، مما يحسن دقة الصورة بشكل كبير. أثبتت التجارب أن الصور المعاد بناؤها يمكنها تمييز الأهداب التي كانت غير قابلة للتمييز في الأصل بوضوح.

الأبعاد: يبلغ القطر الإجمالي أيضًا حوالي 810 ميكرومتر.

3. نظام التشغيل الدوراني: توسيع مجال الرؤية

المبدأ: يتم تركيب موشور دقيق مع مغناطيس بوليمر لا مركزي عبر شريطين التواء. يقوم مجال مغناطيسي محوري بتشغيل المغناطيس، مما يتسبب في دوران الموشور حول محوره (تم قياس زاوية دوران تقريبًا من -6.9 درجة إلى +9.0 درجة في التجارب).

الوظيفة: يؤدي دوران الموشور إلى تغيير اتجاه المسار البصري، مما يؤدي بالتالي إلى ترجمة وتوسيع مجال الرؤية المرصود. يتيح ذلك للأطباء رؤية المناطق الجانبية دون تحريك المنظار نفسه، مما يعزز الوعي الظرفي في المساحات الضيقة.

الأبعاد: مطبوع على ألياف بصرية بقطر 350 ميكرومتر، يبلغ قطر النظام بأكمله حوالي 660 ميكرومتر فقط، مما يجعله الأكثر إحكامًا بين الثلاثة.

ثالثًا. المزايا التقنية والتحديات المستقبلية

المزايا

تكامل فائق: الوحدات البصرية والميكانيكية ووحدات التشغيل مطبوعة ومتكاملة بشكل متكامل، وتتميز ببنية مدمجة للغاية.
لا يوجد تجميع دقيق: تجنب عملية التجميع الدقيق المملة والمعرضة للأخطاء في طرق التصنيع التقليدية.
حرية التصميم: يتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد تصنيع مكونات بصرية وهياكل ميكانيكية معقدة ذات أشكال حرة.

القيود الحالية والتوجهات المستقبلية

غير مغلف: الأنظمة المعروضة حاليًا غير مغلفة للبيئات السائلة، وبالتالي لا يمكن تطبيقها مباشرة في الظروف داخل الجسم الحي أو المائية. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أن المناظير المطبوعة ثلاثية الأبعاد الثابتة قد حققت بالفعل هذه القدرة، والتي يمكن أن توفر مرجعًا للأنظمة القابلة للتفعيل.
تحسين الأداء: جودة سطح المكونات البصرية، وتأثير التباطؤ الناتج عن اللزوجة المرنة للمواد، والتحكم الدقيق في المجالات المغناطيسية هي عوامل رئيسية تؤثر على التكرارية، وسرعة الاستجابة، وجودة التصوير. في المستقبل، يمكن تحقيق التحسين من خلال تحسين عمليات الطباعة وإدخال التحكم التغذوي الراجع (على سبيل المثال، بناءً على تباين الصورة أو مستشعرات فابري-بيرو).
توسيع الوظائف: الأنظمة المقدمة في هذه الورقة هي نماذج أولية لإثبات المفهوم بتصميمات بصرية بسيطة نسبيًا (تتكون من مكون واحد أو اثنين فقط). في المستقبل، يمكن تخصيص تصميمات بصرية أكثر تعقيدًا لتطبيقات محددة (مثل التصوير المجهري الداخلي)، ويمكن استكشاف دمج وظائف إضافية، مثل ملقط الخزعة المجهرية التي تعمل بالمغناطيس.

رابعًا. الخلاصة

تمثل هذه الدراسة خطوة مهمة إلى الأمام في تصغير المناظير القابلة للقيادة. من خلال الجمع بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة/النانوية المتطورة وتصميم مبتكر للحركة المغناطيسية، فإنها تمهد مسارًا تقنيًا جديدًا تمامًا للجراحة والتشخيص المستقبلي فائق الدقة بأقل تدخل جراحي في المساحات الضيقة للغاية مثل الأوعية الدموية القلبية والجهاز العصبي وتطبيقات الأطفال. عندما لا يستطيع "عين" المنظار أن "ترى" فحسب، بل أيضًا "تكبر" و"تدور" وترى بوضوح أكبر، فإن حدود الطب بأقل تدخل جراحي ستتسع مرة أخرى.

مصدر الاقتباس: 

روثرميل، ف.، تولوز، أ.، ثيلي، س. وآخرون. أنظمة مجهرية بالمنظار قابلة للتشغيل المغناطيسي مطبوعة ثلاثية الأبعاد. Commun Eng 4، 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8

أخبار أخرى