باحثون في الصين يطورون هيدروجيل قادر على التحول المستمر الشكل، يحاكي عمليات التحول البيولوجي

تمكن هيدروجيل جديد متغير الشكل طوره باحثون صينيون من إطلاق تفاعل كيميائي مستمر لمدة تصل إلى أربعة أسابيع بعد تعرض واحد لضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة. وقد ابتكر الفريق هذه المادة لمحاكاة العمليات البيولوجية البطيئة، بما في ذلك التئام الجروح وتطور الأجنة. ويُدعى نظامه STERS، ويستخدم جزيئات معدن سائل قائمة على الغاليوم لدعم التفاعل، مما يغير شكل الهلام تدريجياً، ويوفر منصة محتملة للدعامات النسيجية التكيفية، وواجهات الدماغ الميكانيكية، والروبوتات المرنة. وشملت الدراسة عروضاً مخبرية على الخلايا الجذعية وأقطاب كهربائية تُستخدم لمراقبة تطور الإشارات الكهربائية خلال تطور أجنة الفئران.

قال مؤلف البحث، البروفيسور دو شويه مين من معهد شنتشن للتكنولوجيا المتقدمة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، إن بحثه في المواد الذكية استلهم من كائنات مثل النبات الحساس والحرباء. وأشار إلى أن تقدم المواد المتغيرة الشكل سريع جداً، حيث يمكن أن تحدث بعض التغيرات الآن في أجزاء من الثانية. غير أن العمليات البيولوجية الأبطأ تطرح تحديات مختلفة. وقال: "أدركت أنه على الرغم من أن الكائنات الحية تتغير شكلها بسرعة، إلا أنها تمر أيضاً بتحولات تطورية بطيئة وطويلة الأمد"، مشيراً إلى عمليات مثل التئام الجروح وتطور الأجنة. وتحمل دعامات هندسة النسيج عادة مواد نشطة لدعم الشفاء. ولفت دو إلى أن المواد الحالية إما تتغير بسرعة كبيرة، أو لا تستطيع تغيير شكلها على الإطلاق.

محاكاة عمليات التحول الشكلية في الطبيعة

وقال: "لذلك تساءلت عما إذا كان يمكن محاكاة عمليات التحول الشكلي البطيئة هذه في الطبيعة، لبناء مواد تتغير شكلها ببطء."

يرمز اختصار STERS إلى "أنواع التفاعل المتطورة مكانياً وزمانياً". ويجمع هذا النظام بين جزيئات معدن سائل قائمة على الغاليوم والمونومرات الفينيلية، مما يساعد على دفع توليد المتفاعلات وبلمرة الهيدروجيل. ويبدأ ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة هذه العملية، بينما يستمر المعدن السائل في توليد المتفاعلات من خلال أكسدة سطحية متكررة وإزالة طبقة الأكسيد. وبمجرد إزالة هذه الطبقة، يتعرض المعدن مرة أخرى، مما يسمح باستمرار التفاعل. ويوفر هذا النشاط الكيميائي اللازم لتطور بنية الهيدروجيل بمرور الوقت. وذكر فريق البحث في ورقته: "تجعل هذه الطريقة الجديدة تطور الشكل القابل للبرمجة والشبيه بالبشري للهيدروجيل ممكناً، مغطية مقاييس من المجهري إلى الكلي، وأطراً زمنية من دقائق إلى أسابيع، ودورات تحويل من مرة واحدة إلى مرات متعددة."

التطبيقات السريرية المحتملة والتحديات

كما ابتكر الباحثون هيدروجيلاً يتغير لونه تدريجياً، مما أظهر إمكاناته كمؤشر بصري طويل الأمد. واستخدم الفريق الهيدروجيل لتوجيه تمايز الخلايا الجذعية إلى خلايا عظمية وخلايا شبيهة بالعصب. وقال دو: "بالإضافة إلى ذلك، استخدمنا هذه المادة لتعديل سطح أقطاب واجهات الدماغ الميكانيكية، لمراقبة تطور الإشارات الكهربائية خلال تطور أجنة الفئران." ووفقاً للباحثين، يمكن تعديل سرعة وحجم تغير المادة لتتناسب مع تغيرات دماغ الجنين النامي. ونظراً لأن المعدن السائل قد يضر بالأنسجة، تظل مخاوف السلامة الحيوية قائمة. وأشار دو إلى أن الفريق استخدم بنية ساندويش لتغليف المادة، ومنع تسربها إلى الأنسجة المحيطة.

لا تزال التطبيقات السريرية تواجه عدة تحديات، منها مطابقة التحول مع أنسجة محددة، وتحقيق تغيرات شكلية بطيئة، والتحكم في العملية عبر محفزات خارجية. وقال دو حالياً إن النظام مناسب للاستخدام في الاستشعار والعروض المخبرية في هندسة النسيج وواجهات الدماغ الميكانيكية. وقد نُشر البحث في دورية Matter.

تأثير تقنية الهيدروجيل على الطب الحيوي

تُظهر هذه الدراسة إمكانات الهيدروجيل في محاكاة العمليات البيولوجية، لا سيما في التئام الجروح وتطور الأجنة. ومن خلال محاكاة عمليات التحول الشكلية في الطبيعة، طور الباحثون مواد يمكن تعديل سرعة تغيرها، وهو ما له أهمية كبيرة لتطبيقات هندسة النسيج وواجهات الدماغ الميكانيكية. ومع ذلك، لا تزال مشكلات السلامة الحيوية للمعدن السائل بحاجة إلى الحل، مما قد يؤثر على جدوى تطبيقاتها السريرية. وسيُسهم تقدم هذه التقنية في تطوير مواد طبية أكثر ذكاءً في المستقبل.