סיקור מקיף

חיקוי עקרונות מן הטבע בפיתוח חומרים סינטטיים

המעבדה לביו-חומרים בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, בניהול של פרופ' בעז מזרחי, עוסקת בפיתוח חומרים חדישים, חלקם בהשראת הטבע ותוך יישום עקרונות מן הטבע.

בין הפיתוחים שנעשו במעבדה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון נכללים מדבקות לכיבים בפה, שפותחו בהשראת יכולת ההיצמדות של שממיות. צילום:  Brocken Inaglory, Wikimedia.
בין הפיתוחים שנעשו במעבדה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון נכללות מדבקות לכיבים בפה, שפותחו בהשראת יכולת ההיצמדות של שממיות. צילום: Brocken Inaglory, Wikimedia.

מאת: יעל הלפמן כהן

פרופ' מזרחי מספר שהפרוייקטים הביומימטיים מתחילים בעקבות זיהוי תכונה ייחודית בטבע, וחקר התכונה הזאת בהיבטים של מבנה וכימיה. המחקר נועד להבהיר איך מקנים הכימיה והמבנה יחד את הייחודיות המזוהה, ובהמשך מתורגם הידע הזה ליישומים שונים. את אותן תכונות ייחודיות מזהה פרופ' מזרחי במאמרים שמספקים כיווני מחקר והשראה, אך התוצרים, לפי הערכתו של מזרחי, לפחות כאשר היבטים יישומיים נכנסים לתמונה, לא באמת מגיעים לרמת הביצועים של הטבע.

אחד העקרונות שיושמו במעבדה הוא חיקוי יכולת התגובה של חומרים לשינויים קלים בסביבתם. בהשראת יכולת ההצמדות של שממיות, הנגזרת ממיליוני ריסונים מפוצלים שנצמדים באמצעות כוחות ון דר ואלס, פותחה מדבקה שמודבקת על כיבים בפה ומתמוססת אחרי 6-8 שעות. המדבקה מבוססת על פולימר מצולב ודחוס, הכולל קשר יוני חלש עם הרקמה הרירית של הפה, ומבוסס על עיקרון של ריבוי תת יחידות של קשרים חלשים.

פרויקט אחר עסק בפיתוח דבק צדפות. צדפות, כידוע, נצמדות לריף או לגופים מתכתיים על מנת לא להיסחף ליבשה עם השפל. הצדפה מפרישה נוזל שהופך לסיב קשיח וגמיש. בתהליך מעורבת גם חומצה אמינית בשם DOPA, שמתחמצנת על ידי יוני ברזל המופרשים ליצירת קשרים קוולנטים חזקים. בנוסף, חומצה אמינית זו יודעת לייצר קומפלקסים עם יוני הברזל ליצירת סיב בעל גמישות מרבית ויכולת לריפוי עצמי במקרה של קריעה. הצדפה שולחת רגל ואז מפתחת סיבים שמחברים אותה למשטח. לאחר ההצמדה, הרגל מתנתקת וחוזרת לצדפה. במעבדה סונתז פולימר סינטטי בצורת כוכב ובקצוות שלו חובר דופמין. כמו בטבע, לאחר שהוסיפו יוני ברזל, התקבל חומר קשה.

לפיתוח יתכנו שימושים שונים ובהם הזרקת חומר נוזלי שיתקשה בגוף, תוך שליטה על דרגת הקושי שלו בהתאם לרקמה בגוף, וזאת באמצעות וויסות ריכוזי הברזל. ניתן גם לשלוט בזמן ההתכלות ע״י רמות הברזל. כשאין ברזל בכלל החומר נספג בגוף תוך שעות. כשמעלים את ריכוז ברזל החומר שורד זמן ארוך יותר. פרויקט אחר במעבדה עסק בפיתוח משטחים מטיטניום עם תכונת Antifouling (מניעת הידבקות) לציפוי סטנטים, שתלים אורתופדיים או סנסורים. גם חומר זה הונדס בזכות חיקוי יכולת ההדבקה של הצדפה.

תמונה באדיבות פרופ' בועז מזרחי.
התמונה באדיבות פרופ' בועז מזרחי.

פרויקט נוסף עוסק בפיתוח חומרים פוטו-טריגרד, תוך יישום יכולת התגובה של חומרים טבעיים לאור, ובהשראת צמחים הנעים בתגובה לאור (הליוטרופיזם). סונתז פולימר סינטטי המכיל נגזרת של חומצה צינמית. ניתן לשלוט במבנה שלו באמצעות אור בתחום ה-NIR (של 700-850 ננו מטר) , אור שאינו מסכן את גוף האדם וחודר אליו בקלות. בין השימושים האפשריים: שחרור ממוקד של תרופה באזור גידול, לאחר שחלקיקים הנושאים את התרופה יגיעו עם מחזור הדם לאזור הגידול, המוקרן באור NIR, שם יתפרקו וישחררו את התרופה. שימוש אחר יכול להיות Self-healing לחומרים, כאשר פולימרים ובתוכם ננו חלקיקי זהב, מוארים ב-NIR.  הזהב פולט חום והפולימר מותך באזור בו נדרש ריפוי למבנה, עקב שריטות, למשל.

את הפוטנציאל הרב של למידה מהטבע תמצת פרופ' מזרחי במשפט "Nature can always publish in Nature". אכן, החדשנות באה לידי ביטוי במגוון הפיתוחים החדשניים במעבדת הביו- חומרים בטכניון, בהשראת חומרים, תהליכים, ועקרונות מן הטבע. הטבע מספק חזרות רבות של ניסוי, וכר פורה ללמידה. בהצלחה!

*הידיעה נכתבה בעקבות הרצאה שנתן החודש פרופ' מזרחי בערב בוגרי הטכניון, בנושא חיקוי עקרונות מן הטבע בפיתוח חומרים סינטטיים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן