مادة تشبه العضلات تتوسع وتنقبض استجابة للضوء

نجح العلماء في تطوير مادة مبتكرة تتمدد وتنكمش استجابة للضوء المسقط عليها

تمامًا كما تطلق الأدوية ذات الإطلاق المتحكم فيه شحنتها ببطء بعد أن "تستشعر" تغيرًا في مستوى حموضة الجسم، فإن "العضلات الاصطناعية" المزروعة ستكون قادرة في يوم من الأيام على التوسع والتقلص استجابة للضوء المسلط على الجلد.

وقال الباحث الرئيسي: "لقد تمكنا من تطوير بوليمر بآلية مبتكرة للمواد التفاعلية - تلك المواد القادرة على التعاقد أو التوسع أو الحفاظ على بنية محددة - استجابة لمحفز خارجي بسيط". يتم حاليًا تطبيق المواد التي تتفاعل مع المحفزات الخارجية في مجموعة متنوعة من الصناعات. على سبيل المثال، بعضها يغير لونه ويستخدم كطلاء للزجاج الأمامي للسيارات لمنع إصابة السائقين بالعمى. ويمكن تصميم مواد أخرى على شكل أوعية تستجيب للتغيرات في تركيزات العناصر الغذائية وتغذية المحاصيل الزراعية حسب الحاجة. يتم حاليًا تضمين تطبيقات أخرى أيضًا في مجالات الطب الحيوي.

وكان هدف الباحثين من جامعة واشنطن هو اختبار ما إذا كانت المادة الجديدة قادرة على القيام بعمل، وهي خاصية يمكن أن تساعد في تطوير عضلة صناعية. قام الباحث الرئيسي خلال دراسته بفحص مجموعة من الجزيئات، المعروفة باسم الفيولوجينات، والتي تغير لونها بعد عمليات التأين (إضافة أو طرح الإلكترونات). افترض الباحث أنه إذا كان من الممكن ربط العديد من هذه الجزيئات معًا، فإنها ستطوى لتشكل بنية تشبه الأكورديون، لأن الأجزاء التي تستقبل إلكترونًا واحدًا تتعرف على بعضها البعض. وتساءل أيضًا عما إذا كانت عملية الطي يمكن أن تؤدي إلى ظهور شبكة ثلاثية الأبعاد تسمح بالحركة، وإذا كان من الممكن إنشاء مثل هذه العملية التي يمكن عكسها أيضًا.

ولاختبار ذلك، قام الباحث بتصنيع سلاسل بوليمرية مع جزيئات فيوجينات متصلة بأطرافها. عندما تم تسليط ضوء LED أزرق على الجزيئات، فإنها تطوى في نسيج مطوي بمساعدة محفز معروف لإعادة تدوير الصور قادر على نقل الإلكترونات إلى جزيئات الكمان. وفي الخطوة التالية، قام الباحثون بدمج البوليمرات في هيدروجيل ثلاثي الأبعاد مرن وقابل للذوبان في الماء. وعندما سلط فريق الباحثين الضوء على الهلام، تقلص النظام إلى عُشر حجمه الأصلي. وعندما توقف العرض، عاد النظام إلى حجمه الأصلي بسبب تمدد المادة. أثناء تغيير حجمه، تغير لون الجل أيضًا. "إن جمال نظامنا يكمن في حقيقة أننا قادرون على أخذ كمية صغيرة من البوليمر الخاص بنا، المسمى بولي فيولوجين، وإدخالها في أي شبكة ثلاثية الأبعاد، مع تحويلها إلى مادة تستجيب للمحفزات الخارجية"، يوضح ذلك. الباحث الرئيسي. يتطلب النظام أقل من واحد بالمائة من الهيدروجيل حتى يكون لديه نظام سريع الاستجابة. لذا فإن البوليمر الموجود بتركيز قليل جدًا، لا يؤثر مطلقًا على الخواص الأخرى للمادة التي يوجد فيها. ولاختبار ما إذا كانت المادة المبتكرة قادرة على القيام بالعمل، قام الباحثون بتوصيل الجل بشريط من الأسلاك الكهربائية مع قطعة من الأسلاك في النهاية. أخذ الباحثون كمية صغيرة من السلك ووضعوا الهيدروجيل أمام الضوء الأزرق. وتمكن الجل من رفع وزن صغير - وهو مقدار يزن 30 مرة وزن المادة الفعالة بولي فيولوجين - وبعد خمس ساعات ارتفع حتى بضعة سنتيمترات.

ومنذ ذلك الحين، أجرى الباحثون المزيد من التحسينات على نظامهم، على سبيل المثال، مما جعل المواد الهلامية أقوى وأكثر مرونة، بل وجعلتها أسرع من حيث معدل حركتها. بالإضافة إلى ذلك، طور الباحثون أيضًا بوليمرات تستجيب للعديد من المحفزات في نفس الوقت. كما قاموا بتطوير مواد هلامية تستجيب لأطوال موجية مختلفة. والمواد التي تستجيب للضوء الأحمر أو الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، أي الأشعة القادرة على اختراق الأنسجة البشرية، يمكن استخدامها في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل أجهزة توصيل الأدوية، أو في نهاية المطاف، كعضلات اصطناعية. ويقول الباحث الرئيسي إن مجموعته البحثية بدأت للتو في اختبار حدود هذه المواد الجديدة. حاليًا، يقوم الباحثون بدراسة خصائص الإصلاح الذاتي للهيدروجيلات المحتوية على البوليفيولوجين، بالإضافة إلى إمكانية طباعة البوليمرات ثلاثية الأبعاد في أنواع مختلفة من المواد الأخرى.

أخبار الدراسة