DOW-UAP-D136: חיישנים ביולוגיים ו-BioMEMS - משאבות אינסולין, ממשקי מוח-מכונה ומעבדות על שבב

קובץ: DOW-UAP-D136_AAWSAP-DIRD-Biosensors-and-BioMEMS-A-Survey-of-the-Present-Field-March-31-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת Acquisition Threat Support; מספר בקרה DIA-08-1003-020 תאריך: 31 במרץ 2010; תאריך סגירת מידע (ICOD): 1 בדצמבר 2009 סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (סימון ה-FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 45 VIRIN: 260918-D-D0360-1125 שחרור PURSUE: 6

תקציר

DOW-UAP-D136 הוא מסמך ייחוס בן 45 עמודים שהוכן בחטיבת התמיכה ברכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית, מנהלת הניתוח של DIA, במסגרת תוכנית AAWSAP. שם המחבר הושחר והוחלף בכינוי AAP Person 65, וההערה המנהלית מפנה שאלות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA. מספר הבקרה שלו, DIA-08-1003-020, ממשיך את הרצף של שני מסמכים שהופקו יום קודם: DOW-UAP-D134 (017) ו-DOW-UAP-D135 (018).

זהו סקר של תחום ה-BioMEMS, "מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות ביו-רפואיות" (biomedical micro-electro-mechanical systems), ושל החיישנים הביולוגיים. אלה התקנים רפואיים זעירים המיוצרים לרוב באותן טכניקות פוטוליתוגרפיה שבהן מייצרים שבבי מחשב. המסמך בנוי כסיור בין יישומים: מיקרו-מכונות לאלקטרודות במוח, התקנים פלואידיים ומשאבות תרופות, חיישנים מושתלים לכימיית הדם, חיישני גלוקוז, הנדסה עצבית וממשקי מוח-מכונה, שתלי רשתית, גירוי עצבי, מיקרופלואידיקה ומעבדות על שבב, וזיזים מיקרוסקופיים (microcantilevers). יש בו 36 איורים, אך אין בו רשימת מקורות; המקורות מופיעים רק בכיתובי האיורים.

המחבר כותב שכמה מהטכנולוגיות שבסקר נחקרו "by the present author and by colleagues at Arizona State University" (בידי המחבר ועמיתיו באוניברסיטת אריזונה), ואכן רבות מהדוגמאות מגיעות מאוניברסיטה זו. המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תופעות אוויר בלתי מזוהות, ואינו עוסק בכלי טיס.

מאמר מחקר

מהו BioMEMS, ולמה הקטן שונה

המבוא אופטימי במוצהר: "the notion of a bionic man is now becoming a reality" (רעיון האדם הביוני הופך למציאות), וההתקנים המושתלים של היום, קוצבי לב, שתלי שבלול, משאבות אינסולין, ייראו מחר "גסים ומסורבלים". המחבר מעריך ש"בתוך שני העשורים הבאים" יהיו טיפולים רפואיים מבוססי מיקרו-התקנים רבים כמו הפתרונות התרופתיים של היום.

הפרק הפותח מסביר שבקנה מידה זעיר הפיזיקה אחרת: כוחות נימיים, כוחות ואן דר ואלס וכוחות חשמליים מתחזקים יחסית, ו"בעולם הקטן מאוד, כוח הכבידה חשוב הרבה פחות ממטען חשמלי וצמיגות". המחבר מציין שהשם BioMEMS הולך והופך ל"שם מטעה", כי חלקים רבים פועלים כבר בקנה מידה ננומטרי, ומזכיר ננו-מבנים מפחמן כמו גרפן וננו-צינוריות, "חזקים בהרבה מפלדה", כחומרים לתותבות נושאות משקל ולמיסבים כמעט נטולי חיכוך.

כבר בעמוד השני הוא מציב את שני המחסומים שיחזרו לאורך כל המסמך: תאימות ביולוגית (biocompatibility), כלומר השפעת ההתקן על הרקמה והשפעת נוזלי הגוף על ההתקן, והרגולציה. "Bringing a new device to market is not unlike the development of a new drug" (הבאת התקן חדש לשוק אינה שונה מפיתוח תרופה חדשה), עם ניסויים קליניים ודרישות של ה-FDA.

מיקרו-מכונה בתוך המוח

הדוגמה הראשונה היא מיקרו-מכונה שפותחה בשיתוף אוניברסיטת אריזונה (ASU) ומעבדות סנדיה. כשמאבחנים את הכוונה לזוז, אות של מיקרו-וולטים מתאי העצב בקליפת המוח המוטורית מופיע כ-120 אלפיות שנייה לפני תנועת השריר, וגם אצל משותקים או קטועי גפיים. הבעיה היא שהגוף עוטף את האלקטרודות ברקמת צלקת, והן מאבדות מגע עם הנוירונים. הפתרון: מנוע זעיר, מסרק אלקטרוסטטי הרוטט בכ-40 הרץ בכ-15 וולט, שדרך תמסורת גלגלי שיניים (עם פרטים קטנים עד 50 מיקרון) מזיז את האלקטרודה פחות ממילימטר, במהירות של 1 עד 2 מילימטר לשנייה. ההתקן יוצר בתהליך SUMMiT V של סנדיה, טכנולוגיה של חמש שכבות פוליסיליקון, הושתל בחולדות, ותועדו ממנו רישומים של תאים בודדים לאורך שלושה ימים, בתמיכת תוכנית התותבות העצביות של NIH. באותו פרק מופיעה גם פסקה על "Neural Probe chip" עם מפעילים תרמיים, צעד של 8.8 מיקרון ותנועה של עד 5 מילימטר, שנראה כי מתארת התקן אחר; המסמך אינו מבחין ביניהם.

משאבות, חיישני דם והבעיה שלא נפתרה

בפרק על התקנים פלואידיים מופיעה תחזית של Nexus Task Force, ששוק ה-BioMEMS "צפוי להגיע ל-18 מיליארד דולר ב-2005", תחזית שמובאת בלשון עתיד במסמך מ-2010. משאבת אינסולין מסוג MEMS (איור 6) מתוארת כהתקן המושתל מתחת לעור, עם ממברנת גומי למילוי ורכיב פיאזואלקטרי המופעל בטיימר; השקף המצורף, של החברה השווייצית Debiotech, מציין שליטה בנפחים של ננו-ליטרים וכי 450,000 איש בעולם נושאים משאבות אינסולין. המחבר מציין שהמשאבה מתאימה גם ל-5-fluorouracil לטיפול בסרטן ולתאופילין לאסתמה.

מכאן לחיישנים המושתלים. המחבר מביא שתי הגדרות ל"חיישן ביולוגי": חיישן המודד גדלים בתוך מערכת ביולוגית, או חיישן המכיל רכיב ביולוגי (אנזים, תאים, נוגדנים), ההגדרה המקובלת באירופה. חיישן pH מסוג ISFET, טרנזיסטור עם שער מסיליקון ניטריד, עובד שעות ספורות לפני שחלבונים נדבקים אליו ומסיטים את הכיול, ו"לא ידוע" בדיוק מה מתרחש על הממברנה. חיישן חמצן אופטי משתמש בציפוי רותניום הזוהר בכתום באור כחול.

כאן מופיע המשפט המרכזי של המסמך: "So far, despite decades of work, no continuous monitoring sensor that is self contained and implantable has been successful for long term usage" (עד כה, למרות עשרות שנות עבודה, אף חיישן לניטור רציף, עצמאי ומושתל, לא הצליח בשימוש ארוך טווח). הגוף הוא "סביבה עוינת במיוחד", והחיישנים נכשלים בתוך ימים או שבועות, בעיקר בגלל שחיקת הכימיה והתקפת מערכת החיסון, ולא בגלל חומרי ההתקן.

חיישני גלוקוז: מאנזים לחום

החיישן המבוקש ביותר הוא חיישן גלוקוז מושתל שיפעיל משאבת אינסולין בלולאה סגורה, "לבלב אנדוקריני מלאכותי". רוב החיישנים מבוססים על האנזים גלוקוז אוקסידאז, המפרק גלוקוז וחמצן לגלוקונולקטון, מי חמצן וחום (79 קילו-ג'אול למול); המדידה החשמלית של מי החמצן סובלת מ"קו בסיס נסחף". חיישן מסחרי של Advanced Biosensors (איור 11), באורך מילימטר ורוחב 200 מיקרון, נשאר במקומו 3 עד 7 ימים.

החלופה שפותחה באוניברסיטת אריזונה מודדת את החום של אותה תגובה. בריכוזי גלוקוז רגילים בדם עליית הטמפרטורה היא כ-10 אלפיות מעלה, ולכן משתמשים בתרמופייל (thermopile): שכבות דקות של אנטימון וביסמוט שיוצרות עשרות צמתים בטור, על פי אפקט זבק (Seebeck effect), במדידה דיפרנציאלית. החיישן נבנה על מצע מיילר, גולגל לצינור בתוך קטטר, והושתל לזמן קצר בחזיר, שבו רשם את ירידת הגלוקוז לאחר מתן אינסולין (איור 16). אבל גם כאן האנזים דועך והכיול נסחף. "These problems have no easy solution" (לבעיות אלה אין פתרון קל), כותב המחבר, וחוקרים עובדים על חיישני כימיית דם "ארבעים שנה או יותר".

ממשקי מוח-מכונה, רשתית וגירוי עצבי

הפרקים על הנדסה עצבית מתחילים בגלווני ובוולטה ומגיעים למערכי אלקטרודות: מערך טיטניום של 96 ערוצים שנוצר בעיבוד בפריקה חשמלית (EDM), בגודל פחות מסנטימטר רבוע, ומערך מאוניברסיטת יוטה שכיתובו מתאר 1,141 אלקטרודות (איור 21). יישומים קליניים של ממשקי מוח-מכונה (BMI) עשויים לדרוש דגימה בו-זמנית של "מאות או אלפי נוירונים", אך מערכים צפופים מדי פוגעים בזרימת הדם וברקמה. אלקטרודות עשויות רק ממתכות אצילות, פלטינה, אירידיום וזהב, ובמידה מסוימת טונגסטן. המסקנה המאופקת: "Crude forms of these thought-controlled devices have been shown in research laboratories to be feasible, even if they are at present not practical" (צורות גסות של התקנים הנשלטים במחשבה הוכחו כאפשריות במעבדות מחקר, גם אם כיום אינן מעשיות).

שתלי רשתית (איורים 24 עד 27) ממירים תמונת מצלמה לפולסים חשמליים המעוררים "פוספנים", נקודות אור במוח; דוגמה מרכזית היא פרויקט השתל הרשתי של בוסטון, המוזן באינדוקציה מגנטית, כשגודל הסליל הוא שקובע את גודל השתל המינימלי. בגירוי עצבי, קוצבי לב דורשים החלפת סוללה בערך כל שבע שנים, ולכן ב-ASU פותח מגרה עצבי בגודל 0.9 על 1.2 מילימטר, העובר דרך מחט מזרק ומוזן באולטרסאונד בתדר של כמגה-הרץ, באמצעות ערימת יריעות פולימר פיאזואלקטרי (PVDF) בעובי 25 מיקרון. הוא הושתל בחולדות ונמצא יעיל. (הטקסט מתאר תחילה הזנה "באינדוקציה", ואילו ההתקן עצמו מוזן באולטרסאונד.)

מעבדה על שבב, תרביות בחלל וזיזים

מערכות מיקרופלואידיות בזכוכית מזיזות ננו-ליטרים ואף פיקו-ליטרים; מעבדות על שבב של חברות כמו Caliper, Nanogen ו-Agilent מחליפות אלקטרופורזה בג'ל ומוזילות ניתוח לדגימה פי עשרה. לנאס"א פותחה באוניברסיטת אריזונה מערכת אוטומטית לגידול תאים בנפח של פחות ממיליליטר, עם משאבות, שסתומים וחיישני גלוקוז, חמצן ו-pH, ובה חיידקי E. coli שהונדסו בידי המיקרוביולוגית ולרי סטאוט (Valerie Stout) לזהור כשגן rec-A פעיל, סימן לנזק מסביבת החלל. המסמך מציין שטיסה בחלל "actually makes some bacteria more dangerous" (למעשה הופכת חיידקים מסוימים למסוכנים יותר).

הפרק האחרון עוסק בזיזים מיקרוסקופיים: קורות זעירות שמתכופפות, או שתדירות התהודה שלהן יורדת, כשמולקולה נקשרת אליהן, "כמו מזלג כוונון שמשנה את הצליל כשנוגעים בו". זיז ברוחב מיקרון ובאורך 10 מיקרון זיהה חלקיק בודד של נגיף הווקסיניה (vaccinia), ומערכי זיזים מצופי נוגדנים מפותחים לאבחון סרטן. הסיכום בן עמוד אחד מבטיח מעבר ל-NEMS, מערכות ננו-מכניות, וקובע: "This field is expanding rapidly" (התחום מתרחב במהירות).

מה המסמך אינו אומר

המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP, כלי טיס או טכנולוגיה זרה, ואינו מציע יישום אווירי. בתוך 12 התחומים הטכניים של AAWSAP הוא מתאים לתחומי "הממשק האנושי" (ממשקי מוח-מכונה, שליטה במכונות במחשבה) ו"ההשפעות על האדם" (ניטור פיזיולוגי), ולקטגוריית הנושאים התומכים. הזיקה הביטחונית היחידה היא משפט על כשירות חיילים: חייל מותש יראה pH דם חומצי, מתחת לכ-7.3, ו"קריאה אלקטרונית מרחוק של מידע מחיישן ביולוגי של חייל אל מרכז פיקוד היא כיום חומר לסרטי מדע בדיוני, אך משקפת רצונות אמיתיים של הצבא". נאס"א מוזכרת בהקשר של ניטור אסטרונאוטים ותרביות תאים בחלל.

זהו סקר ברמה של מבוא אוניברסיטאי, לא מחקר מקורי. אין בו רשימת מקורות, וכיתובי האיורים מפנים בין היתר לוויקיפדיה, לאתר קורס של אוניברסיטת בראון ולשקפים של יצרנים, חלקם משנת 2003. יש בו גם ניסוחים רפואיים רופפים, כמו הצגת קטואצידוזיס כ"התעלפות". הערכות הזמן בו מסתכמות ב"שני העשורים הבאים" ובטכנולוגיות "שצפויות להופיע בשנים הקרובות".

משמעות

ערכו של המסמך לחוקר UAP מוגבל: הוא מראה עד כמה רחב היה המנדט של AAWSAP, שכלל גם סקר של טכנולוגיה רפואית אזרחית כמעט לחלוטין. מבחינת תוכנו, הוא תמונת מצב כנה של התחום ב-2010, ובעיקר של כישלונו המתמשך לייצר חיישן מושתל שיחזיק מעמד בגוף. הציון 4 נשמר: סקר מפורט ומבוסס, אך רחוק מנושאי הליבה של התוכנית ומכל קשר לתצפיות.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"With the rapid pace of development, it is probable that within the next two decades we will have as many medical treatments based on microdevices as there are pharmaceutical solutions today." (בקצב הפיתוח המהיר, סביר שבתוך שני העשורים הבאים יהיו לנו טיפולים רפואיים מבוססי מיקרו-התקנים רבים כמו הפתרונות התרופתיים של היום.) -- עמוד 6

"In the realm of the very small, the force of gravity is far less important than electrical charge and viscosity." (בעולם הקטן מאוד, כוח הכבידה חשוב הרבה פחות ממטען חשמלי וצמיגות.) -- עמוד 8

"Remote electronic readout of biosensor information of a soldier to a central command center is presently the stuff of science fiction movies but reflects real desires of the military." (קריאה אלקטרונית מרחוק של מידע מחיישן ביולוגי של חייל אל מרכז פיקוד היא כיום חומר לסרטי מדע בדיוני, אך משקפת רצונות אמיתיים של הצבא.) -- עמוד 16

"So far, despite decades of work, no continuous monitoring sensor that is self contained and implantable has been successful for long term usage." (עד כה, למרות עשרות שנות עבודה, אף חיישן לניטור רציף, עצמאי ומושתל, לא הצליח בשימוש ארוך טווח.) -- עמוד 19

"The human body is an exceptionally hostile environment for foreign materials." (גוף האדם הוא סביבה עוינת במיוחד לחומרים זרים.) -- עמוד 19

"These problems have no easy solution. Investigators have been working with various forms of blood chemistry sensors for forty years or more." (לבעיות אלה אין פתרון קל. חוקרים עובדים על צורות שונות של חיישני כימיית דם כבר ארבעים שנה או יותר.) -- עמוד 25

"Crude forms of these thought-controlled devices have been shown in research laboratories to be feasible, even if they are at present not practical." (צורות גסות של התקנים אלה, הנשלטים במחשבה, הוכחו במעבדות מחקר כאפשריות, גם אם כיום אינן מעשיות.) -- עמוד 29

"This field is expanding rapidly." (התחום מתרחב במהירות.) -- עמוד 45