يمثل هذا الإنجاز نقلة نوعية في مجالات التئام الجروح، الروبوتات اللينة، الجلد الاصطناعي، وإيصال الأدوية.
نواجه في حياتنا اليومية أنواعًا مختلفة من المواد الهلامية (الهيدروجيل)، مثل تلك الموجودة في منتجات الشعر، الأطعمة، وحتى داخل أجسامنا. ومع ذلك، يتميز الجلد البشري بخصائص فريدة يصعب تكرارها — فهو يجمع بين القوة والمرونة مع قدرة مذهلة على الشفاء الذاتي خلال 24 ساعة بعد الإصابة. أما المواد الهلامية الاصطناعية، فقد تمكنت من تحقيق واحدة فقط من هذه الخصائص في كل مرة.
تمكن علماء من جامعة آلتو وجامعة بايرويت الآن من تجاوز هذه الحدود. فقد تم تحقيق إنجاز كبير في علم المواد بعد تطوير هيدروجيل قوي ومرن وقادر على الشفاء الذاتي. يفتح هذا الإنجاز نافذة على إمكانيات جديدة في مجالات التئام الجروح، الروبوتات اللينة، الجلد الاصطناعي، وإيصال الأدوية.
اختراق في تصميم الهيدروجيل
لتحقيق هذه الخصائص في الهيدروجيل الصلب، استخدم الباحثون ألواحًا نانوية رقيقة جدًا من الطين. قامت هذه الألواح بإنشاء شبكة كثيفة ومتشابكة من البوليمرات عززت قوة الهيدروجيل ومنعتها من أن تكون لينة للغاية. كما زادت من قدرة المادة على الإصلاح الذاتي.
قام الباحثون بخلط مسحوق من المونومرات مع الماء الذي يحتوي على الألواح النانوية. ثم تم تعريض الخليط لأشعة فوق بنفسجية. يوضح تشين ليانغ، أحد المؤلفين: “تسبب الأشعة فوق البنفسجية في ارتباط الجزيئات الفردية معًا بحيث يصبح كل شيء مادة صلبة مرنة — أي هيدروجيل.”
تعتمد هذه الابتكارات بشكل كبير على التفاعلات اللاحقة للبوليمرات. يضيف هانغ تشانغ من جامعة آلتو: “التشابك يعني أن الطبقات الرقيقة من البوليمرات تبدأ في الالتفاف حول بعضها البعض مثل خيوط الصوف الصغيرة، ولكن بشكل عشوائي. عندما تكون البوليمرات متشابكة بالكامل، تصبح غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. إنها ديناميكية للغاية على المستوى الجزيئي، وعندما تقطعها، تبدأ في التشابك مرة أخرى.”
عملية الشفاء سريعة بشكل مذهل
يتم إصلاح الهيدروجيل بنسبة 80-90% خلال الساعات الأربع الأولى من القطع، ويتعافى بالكامل بعد 24 ساعة. يحتوي الهيدروجيل على حوالي 10,000 طبقة من الألواح النانوية في عينة بسمك ملليمتر واحد، مما يسمح له بتحقيق صلابة مشابهة لجلد الإنسان مع القدرة على التمدد.
مواد مستوحاة من الطبيعة بإمكانيات حقيقية
يقول أولي إيكالا من جامعة آلتو: “هذا العمل مثال مثير على كيفية إلهام المواد البيولوجية للبحث عن تركيبات جديدة من الخصائص للمواد الاصطناعية. تخيل روبوتات ذات جلود قوية وقادرة على الشفاء الذاتي، أو أنسجة اصطناعية تصلح نفسها تلقائيًا.”
ويضيف: “إنه نوع من الاكتشافات الأساسية التي يمكن أن تجدد قواعد تصميم المواد.”
بعد مزيد من التطوير والبحث لأغراض تجارية، يمكن أن تستفيد الأنسجة الاصطناعية ذاتية الشفاء، الروبوتات المرنة ذات الطبقات الخارجية الواقية، والمواد الطبية القادرة على إصلاح نفسها تلقائيًا من هذه الدراسة.
دراسة ثورية
يختتم تشانغ: “لطالما كانت الهيدروجيلات القوية والمرنة والقادرة على الشفاء الذاتي تحديًا. لقد اكتشفنا آلية لتقوية الهيدروجيلات اللينة تقليديًا. يمكن أن يحدث هذا ثورة في تطوير مواد جديدة ذات خصائص مستوحاة من الطبيعة.”
تم نشر الدراسة في مجلة Nature Materials.
المصدر: Nature Materials