בטבע נהוג למצוא מבנים המשלבים חומר רך וקשיח כאחד. מבנים אלה אחראים על תכונות מכניות ותפקודים מגוונים של מערכות ביולוגיות. כדוגמה טיפוסית, לעמוד השדרה האנושי יש ערימות מתחלפות של עצמות קשות ודיסקים בין-חולייתיים רכים, שהיא ארכיטקטורה חיונית התומכת בגוף האדם תוך שמירה על גמישות הגוף. חיקוי המבנה הרך-קשה בטבע יכול, באופן עקרוני, להוות השראה לעיצוב של חומרים ומכשירים מלאכותיים, כגון מפעילים ורובוטים. עם זאת, המימוש היה מאתגר ביותר, במיוחד בקנה מידה מיקרו, שבו אינטגרציה ומניפולציה של חומרים הופכים פחות מעשיים ביותר.
במטרה לקדם חומרים ביומימטיים בקנה מידה מיקרו, צוות המחקר בראשות ד"ר יופנג וואנג מהמחלקה לכימיה של אוניברסיטת הונג קונג (HKU) פיתח שיטה חדשה ליצירת מבני על בקנה מידה מיקרו, הנקרא MicroSpine, בעלי רך וקשה כאחד. חומרים המחקים את מבנה עמוד השדרה ויכולים לפעול כמיקרו-מפעילים בעלי תכונות משנות צורה. פריצת דרך זו, שפורסמה בכתב העת המדעי המוביל התקדמות המדעהושג באמצעות הרכבה קולואידית, תהליך פשוט שבו ננו ומיקרו-חלקיקים מתארגנים באופן ספונטני לתבניות מרחביות מסודרות.
אורגניזמים ביולוגיים רבים, החל מיונקים ועד פרוקי רגליים ומיקרואורגניזמים, מכילים מבנים של רכיבים רכים וקשים המשולבים באופן סינרגטי. מבנים אלה קיימים באורכים שונים, ממיקרומטר ועד סנטימטרים, וגורמים לתפקודים המכניים האופייניים של מערכות ביולוגיות. הם גם עוררו את היצירה של חומרים והתקנים מלאכותיים, כמו מפעילים ורובוטים, שמשנים צורה, נעים או מופעלים בהתאם לרמזים חיצוניים.
למרות שקל לייצר מבנים רכים-קשים בקנה מידה מאקרו (מילימטר ומעלה), הרבה יותר קשה לממש אותם במיקרומטר (מיקרומטר ומטה). הסיבה לכך היא שזה הופך להיות יותר ויותר מאתגר לשלב ולתפעל רכיבים מובחנים מכנית בקנה מידה קטן יותר. שיטות ייצור מסורתיות, כגון ליתוגרפיה, עומדות בפני מספר מגבלות כאשר מנסים ליצור רכיבים בקנה מידה קטן באמצעות אסטרטגיות מלמעלה למטה. לדוגמה, תשואה נמוכה יכולה להתרחש מכיוון שתהליכי ייצור בקנה מידה קטן מורכבים יותר ודורשים דיוק רב יותר, מה שעלול להגביר את הסיכון לפגמים וטעויות במוצר הסופי.
כדי להתמודד עם האתגר, ד"ר וואנג והצוות שלו נקטו בגישה אחרת, שנקראת הרכבה קולואידלית. קולואידים הם חלקיקים זעירים בגודל 1/100 של שיער אדם וניתן ליצור אותם מחומרים שונים. כשהם מהונדסים כראוי, החלקיקים יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה, ולהתכנס באופן ספונטני למבני על מסודרים. כשיטה מלמטה למעלה, הרכבה קולואידית היא יתרון לייצור מבנים בקנה מידה מיקרו, מכיוון שהיא מאפשרת שליטה מדויקת על יצירת המבנים הרצויים מאבני בניין שונות, בעלי תשואה גבוהה יותר. עם זאת, הקושי הוא כיצד להנחות את החלקיקים להרכיב למבנה הרך-קשה הרצוי.
על ידי שימוש בעמוד השדרה כבסיס לתכנון, הצוות המציא חלקיקים חדשים שמקורם במסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), חומר מתעורר שיכול להרכיב עם כיווניות וספציפיות גבוהות. בהיותם גם הרכיב הקשיח, חלקיקי MOF אלה יכולים לשלב עם טיפות נוזלים רכים ליצירת שרשראות ליניאריות. הרכיבים הקשים והרכים תופסים תנוחות מתחלפות בשרשרת, מחקים את מבנה עמוד השדרה, כלומר ה-MicroSpine.
"אנו גם מציגים מנגנון שבאמצעותו הרכיב הרך של השרשרת יכול להתרחב ולהתכווץ כאשר MicroSpine מחומם או מקורר, כך שהוא יכול לשנות צורה בצורה הפיכה", הסבירה גב' דנגפינג LYU, המחברת הראשונה של המאמר, כמו גם הדוקטורט מועמד במחלקה לכימיה ב-HKU.
באמצעות מערכת MicroSpine, הצוות גם הדגים מצבי הפעלה מדויקים שונים כאשר החלקים הרכים של השרשרת עוברים שינוי סלקטיבי. בנוסף, השרשראות שימשו לעטיפה ושחרור של חפצים אורחים, הנשלטת על ידי טמפרטורה בלבד.
מימוש הפונקציות הללו הוא משמעותי לפיתוח העתידי של המערכת, שכן הוא יכול להוביל ליצירת מיקרורובוטים חכמים המסוגלים לבצע משימות מתוחכמות בקנה מידה מיקרו, כגון משלוח תרופות, חישה מקומית ויישומים אחרים. ניתן להשתמש ברכיבים בקנה מידה מיקרו אחיד ובנוי במדויק ליצירת מערכות אספקת תרופות או חיישנים יעילות יותר שיכולים לזהות מולקולות ספציפיות ברגישות ובדיוק גבוהים.
צוות המחקר מאמין שטכנולוגיה זו מהווה צעד חשוב לקראת יצירת מכשירים ומכונות מורכבות בקנה מידה מיקרו. לדברי ד"ר וואנג, "אם אתה חושב על מכונות מודרניות כמו מכוניות, הן מורכבות על ידי עשרות אלפי חלקים שונים. אנו שואפים להגיע לאותה רמת מורכבות באמצעות חלקים קולואידים שונים״. על ידי לקיחת השראה מהטבע, צוות המחקר מקווה לתכנן יותר מערכות ביומימטיות שיכולות לבצע משימות מורכבות במיקרוסקאל ומחוצה לה.
המחקר ממומן על ידי מועצת מענקי המחקר (RGC).
קישור לכתבת המקור – 2023-07-07 18:16:35
