مختبر المواد الحيوية في كلية التكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية في التخنيون، تحت إدارة البروفيسور بباز مزراحي، يتعامل مع تطوير المواد الحديثة، بعضها مستوحى من الطبيعة وتطبيق مبادئ من الطبيعة.
بقلم: يائيل هالفمان كوهين
ويقول البروفيسور مزراحي إن مشاريع المحاكاة الحيوية تبدأ بعد التعرف على سمة فريدة في الطبيعة، ودراسة هذه الميزة في جوانب البنية والكيمياء. يهدف البحث إلى توضيح كيف توفر الكيمياء والبنية معًا التفرد المحدد، ثم يتم ترجمة هذه المعرفة لاحقًا إلى تطبيقات مختلفة. ويحدد البروفيسور مزراحي نفس السمات الفريدة في المقالات التي تقدم توجيهات بحثية وإلهامًا، لكن المنتجات، وفقًا لتقييم مزراحي، على الأقل عندما تدخل الجوانب التطبيقية حيز التنفيذ، لا تصل حقًا إلى مستوى أداء الطبيعة.
أحد المبادئ المطبقة في المختبر هو تقليد قدرة المواد على التفاعل مع التغيرات الطفيفة في بيئتها. مستوحاة من قدرة الالتصاق لدى الأبراص، والتي تشتق من ملايين القيود المنقسمة التي تلتصق باستخدام قوى فان دير فال، تم تطوير ملصق يتم لصقه على قرح الفم ويذوب بعد 6-8 ساعات. يعتمد الملصق على بوليمر متصالب ومضغوط، يتضمن رابطة أيونية ضعيفة مع الأنسجة المخاطية للفم، ويعتمد على مبدأ الوحدات الفرعية المتعددة للروابط الضعيفة.
وتناول مشروع آخر تطوير غراء المحار. المحار، كما نعلم، يتشبث بالشعاب المرجانية أو الأجسام المعدنية حتى لا ينجرف إلى الشاطئ عند انخفاض المد. يفرز المحار سائلاً يتحول إلى ألياف صلبة ومرنة. تتضمن العملية أيضًا حمضًا أمينيًا يسمى DOPA، والذي يتأكسد بواسطة أيونات الحديد التي يتم إفرازها لتكوين روابط تساهمية قوية. بالإضافة إلى ذلك، يعرف هذا الحمض الأميني كيفية إنتاج مجمعات مع أيونات الحديد لإنشاء ألياف تتمتع بأقصى قدر من المرونة والقدرة على الشفاء الذاتي في حالة التمزق. يرسل المحار ساقًا ثم يقوم بتكوين ألياف تربطها بالسطح. بعد التعلق، تنفصل الساق وتعود إلى الصدفة. في المختبر، تم تصنيع بوليمر اصطناعي على شكل نجمة وتم ربط الدوبامين بأطرافه. كما هو الحال في الطبيعة، بعد إضافة أيونات الحديد، يتم الحصول على مادة صلبة.
وقد يكون للتطوير استخدامات مختلفة، منها حقن مادة سائلة تتصلب في الجسم، مع التحكم في درجة صلابتها حسب الأنسجة الموجودة في الجسم، وذلك من خلال تنظيم تركيزات الحديد. ومن الممكن أيضًا التحكم في وقت التحلل من خلال مستويات الحديد. وفي حالة عدم وجود الحديد على الإطلاق، يمتص الجسم المادة خلال ساعات. عندما يتم رفع تركيز الحديد، تبقى المادة لفترة أطول. وتناول مشروع آخر في المختبر تطوير أسطح التيتانيوم ذات الخصائص المضادة للحشف على الدعامات أو الغرسات العظمية أو أجهزة الاستشعار. وقد تم تصميم هذه المادة أيضًا بفضل تقليد قدرة المحار على الالتصاق.
ويتناول مشروع آخر تطوير المواد المحفزة ضوئيًا، مع تطبيق قدرة المواد الطبيعية على التفاعل مع الضوء، والمستوحاة من النباتات التي تتحرك استجابة للضوء (هليوتروبسم). تصنيع بوليمر اصطناعي يحتوي على مشتق من حمض السيناميك. ويمكن التحكم في بنيته باستخدام الضوء في نطاق NIR (700-850 نانومتر)، وهو ضوء لا يعرض جسم الإنسان للخطر ويخترقه بسهولة. من بين الاستخدامات المحتملة: الإطلاق المستهدف للدواء في منطقة الورم، بعد وصول الجزيئات التي تحمل الدواء مع الدورة الدموية إلى منطقة الورم، وتعريضها لضوء NIR، حيث ستتحلل وتطلق الدواء. يمكن استخدام آخر وهو الشفاء الذاتي للمواد، عندما يتم إضاءة البوليمرات التي تحتوي على جزيئات الذهب النانوية بداخلها في NIR. يبعث الذهب الحرارة ويتم صهر البوليمر في المنطقة التي تتطلب شفاء الهيكل، بسبب الخدوش على سبيل المثال.
لقد لخص البروفيسور مزراحي الإمكانات الكبيرة للتعلم من الطبيعة في جملة "الطبيعة يمكنها دائمًا النشر في الطبيعة". في الواقع، ينعكس الابتكار في مجموعة متنوعة من التطورات المبتكرة في مختبر المواد الحيوية في التخنيون، المستوحاة من المواد والعمليات والمبادئ من الطبيعة. توفر الطبيعة العديد من التكرارات للتجربة، وأرضية خصبة للتعلم. بالنجاح!
*تم نشر الخبر في أعقاب محاضرة ألقاها هذا الشهر البروفيسور مزراحي في أمسية خريجي التخنيون، حول موضوع تقليد مبادئ الطبيعة في تطوير المواد الاصطناعية.
