חומר דמוי שריר המתרחב ומתכווץ בתגובה לאור

מדענים הצליחו לפתח חומר חדשני המתרחב ומתכווץ בתגובה לאור המוקרן עליו

פולימר (שמאל; חומר לבנבן) המתכווץ בתגובה לאור כחול (ימין). [באדיבות: Jonathan Barnes], אוניברסיטת וושינגטון
פולימר (שמאל; חומר לבנבן) המתכווץ בתגובה לאור כחול (ימין). [באדיבות: Jonathan Barnes], אוניברסיטת וושינגטון
[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]

בדיוק כמו שתרופות בשחרור מבוקר פולטות באיטיות את המטען שלהן לאחר שהן "חשות" בשינוי ברמת החומציות שבגוף, 'שרירים מלאכותיים' מושתלים יוכלו, ביום מן הימים, להתרחב ולהתכווץ בתגובה לאור המוקרן על גבי העור.

"הצלחנו לפתח פולימר בעל מנגנון חדשני עבור חומרים מגיבים – אותם חומרים המסוגלים להתכווץ, להתרחב או לשמר מבנה מוגדר – בתגובה לגירוי חיצוני פשוט," אמר החוקר הראשי. חומרים המגיבים לגירוי חיצוני מיושמים כיום במגוון תעשיות. למשל, חלקם משנים את הצבע שלהם ומשמשים כציפויים לשמשות רכב במטרה למנוע מנהגים מלהסתנוור. חומרים אחרים יכולים להיות מעוצבים בצורת כלי קיבול המגיבים לשינויים בריכוזי חומרי המזון ולהזין יבולים חקלאיים בהתאם לנדרש. יישומים אחרים מוטמעים כיום גם בתחומי הביו-רפואה.

המטרה של החוקרים מאוניברסיטת וושינגטון היתה לבחון באם החומר החדש שלהם מסוגל לבצע עבודה, תכונה שתוכל לסייע בפיתוח של שריר מלאכותי. במהלך לימודיו, החוקר הראשי בחן קבוצה של מולקולות, הידועות  בשם viologens, המשנות את הצבע שלהן בעקבות תהליכי יינון (הוספה או גריעה של אלקטרונים). החוקר שיער כי אם ניתן יהיה לחבר מספר מולקולות כאלו יחדיו הם תתקפלנה ליצירת מבנה דמוי אקורדיון מאחר ומקטעים המקבלים אלקטרון יחיד מזהים אחד את השני. הוא גם תהה אם פעולת הקיפול תוכל להוליד רשת תלת-ממדית המאפשרת תנועה, ואם בכלל ניתן ליצור תהליך כזה שיהיה גם הפיך.

על מנת לבחון זאת, החוקר סנתז שרשראות פולימר שלקצותיהן חוברו מולקולות viologens. כאשר אור לד כחול הוקרן על גבי המולקולות הן התקפלו לכדי מארג קפלים בסיועו של זרז פוטו-מחזר ידוע המסוגל להעביר אלקטרונים למולקולות ה-viologens. בשלב הבא החוקרים הטמיעו את הפולימרים בתוך הידרוג'ל תלת-ממדי מסיס מים וגמיש. כאשר צוות החוקרים הקרין אור לעבר הג'ל, המערכת התכווצה לכדי עשירית מגודלה המקורי. כאשר ההקרנה הופסקה, המערכת חזרה לגודלה המקורי בעקבות התרחבות החומר. במהלך שינוי הגודל שלו, הג'ל גם שינה את צבעו. "היופי של המערכת שלנו טמון בכך שאנו מסוגלים לקחת כמות קטנה של הפולימר שלנו, הקרוי בשם polyviologen, ולהכניס אותו לכל רשת תלת-ממדית, תוך כדי הפיכתה לחומר המגיב לגירוי חיצוני," מסביר החוקר הראשי. למערכת נדרש פחות מאחוז אחד של הידרוג'ל על מנת לקבל מערכת מגיבה. כך שהפולימר, הנמצא בריכוז מועט ביותר, אינו משפיע כלל על התכונות האחרות של החומר שבו הוא נמצא. בכדי לבדוק אם החומר החדשני מסוגל לבצע עבודה, החוקרים חיברו את הג'ל לרצועה של חוט חשמלי עם פיסת תיל בקצה. החוקרים לקחו כמות קטנה של התיל ומיקמו את ההידרוג'ל אל מול אור כחול. הג'ל הצליח להרים משקל קטן –כמות השוקלת פי 30 ממשקל החומר הפעיל polyviologen  – ולאחר חמש שעות הוא אפילו התרומם בסנטימטרים אחדים.

החוקרים ביצעו מאז עוד שיפורים במערכת שלהם, לדוגמה – הפיכת הג'לים לחזקים ולגמישים יותר, ואף הפיכתם למהירים יותר מבחינת קצב התנועה שלהם. בנוסף, החוקרים פיתחו גם פולימרים המגיבים למספר גירויים בו זמנית. הם גם פיתחו ג'לים המגיבים לאורכי גל שונים. חומרים המגיבים לאור אדום או תת-אדום קרוב, כלומר, קרניים המסוגלות לחדור דרך רקמות אנושיות, יוכלו לשמש ביישומים ביו-רפואיים, כגון התקנים להעברת תרופות, או, בסופו של דבר, בתור שרירים מלאכותיים. החוקר הראשי אומר כי קבוצת המחקר שלו רק החלה לבחון את הגבולות של חומרים חדשים אלו. כרגע, החוקרים בוחנים את תכונות התיקון העצמי של הידרוג'לים מכילי polyviologen, וכן את האפשרות להדפסה תלת-ממדית של הפולימרים אל תוך סוגים שונים של חומרים אחרים.

הידיעה על המחקר

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

2 תגובות

  1. כתבה מעניינת ומחקר מדהים! היישומים של חומרים כאלה הם אינסופיים, ולא רק במערכות ביולוגיות.
    רק שלוש הערות:
    1. לחומר המשנה את מימדיו הפיזיים וגם את צבעו בטווח ערכים גבוה, וזאת בצורה מחזורית על ידי שימוש ב"מתג" חיצוני כלשהו, יש חשיבות גבוהה במיוחד בכל שטחי המדע, הטכנולוגיה והתרבות, ואין צורך להגביל את השימוש בו רק למטרות ביולוגיות (שלמעשה גם הן רבות, מגוונות ומורכבות).
    2. בפסקה השלישית כתוב:
    "… למערכת נדרש פחות מאחוז אחד של הידרוג'ל על מנת לקבל מערכת מגיבה. כך שהפולימר, הנמצא בריכוז מועט ביותר, אינו משפיע כלל על התכונות האחרות של החומר שבו הוא נמצא…" – אולם 1% הוא מספר משמעותי ואיננו מספר נמוך בכלל! החדרת חומר נתון לחומר אחר בריכוז 1% (בדר"כ נחוץ ערבוב לשם פיזור הומוגני, אך לעיתים אפשר להסתפק גם בערבוב חלקי, תוך יצירת "איים" במטריצה הסופית) בהחלט משפיע על התכונות הכימיות, החשמליות, הביולוגיות, העמידות (כמו תגובה לחומרים משתכים), ועוד. לדוגמא, פולימר קשיח, אשר במהלך הפילמור שלו הוכנסו אליו מולקולות קטנות בריכוזים נמוכים (בדרך-כלל בריכוז 0.1%-1%) מתרכך משמעותית. דוגמא אחרת היא "לכלוך" חומרים שהם מוליכים למחצה (כדוגמת סיליקון וגרמניום) על ידי חומרים/אטומים שונים (כדוגמת זרחן, ארסניק וכו') בכמויות מזעריות (מסדר גודל של פרומיל ואפילו פחות) משנה באופן קיצוני ומשמעותי את תכונות ההולכה החשמליות שלו.
    3. לא ניתן להשתמש במחקר הזה לצרכים רפואיים בגלל ש-viologen ונגזרותיו הם חומרים מסוכנים (מסרטנים, מעקרים ופוגעים במערכת העצבים המרכזית ובמערכות ביולוגיות נוספות) – אך המחקר הזה מוכיח חד-משמעית את "הוכחת ההיתכנות" הראשונית. לכן אני מאמין שעכשיו הרבה מחקרים חדשים שישלבו חומרים אחרים – פחות רעילים ומסוכנים מ-viologens – "יעלו הילוך" והתחום הזה ימשיך להתפתח במהירות.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן