นักวิจัยในจีนพัฒนาซูเปอร์เจลที่สามารถเปลี่ยนรูปแบบได้อย่างต่อเนื่อง จำลองกระบวนการเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิต

ซูเปอร์เจลรูปแบบใหม่ที่นักวิจัยจีนพัฒนาสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่ต่อเนื่องนานถึงสี่สัปดาห์หลังจากสัมผัสแสงอินฟราเรดใกล้เพียงครั้งเดียว ทีมวิจัยสร้างวัสดุนี้เพื่อחקותกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพที่ช้า รวมถึงการฟื้นฟูบาดแผลและการพัฒนาของอัคคีชีพ ระบบดังกล่าวซึ่งชื่อว่า STERS ใช้อนุภาคโลหะเหลวที่มีฐานเป็นกาลเลียมเพื่อรองรับปฏิกิริยา เปลี่ยนรูปร่างของเจลอย่างค่อยเป็นค่อยไป ให้แพลตฟอร์มที่เป็นไปได้สำหรับโครงรองรับเนื้อเยื่อที่ปรับตัวได้ อินเทอร์เฟซกลไก-สมاغ และหุ่นยนต์ยืดหยุ่น การวิจัยรวมถึงการสาธิตในห้องปฏิบัติการกับเซลล์ต้นกำเนิดและอิเล็กโตรดที่ใช้ตรวจสอบสัญญาณไฟฟ้าระหว่างการพัฒนาอัคคีชีพของหนูทดลอง

ผู้เขียนงานวิจัย ศาสตราจารย์ Du Xuemin จากสถาบันเทคโนโลยีขั้นสูงเชนไจ้ของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน ระบุว่าการวิจัยวัสดุอัจฉริยะของเขาได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิตอย่างพืชตอบสนองและจิ้งจกเปลี่ยนสี เขา指出ว่าความก้าวหน้าของวัสดุเปลี่ยนรูปมีความรวดเร็วมาก บางการเปลี่ยนแปลงตอนนี้เกิดขึ้นภายในมิลลิวินาที อย่างไรก็ตาม กระบวนการชีวภาพที่ช้ากว่านั้นนำเสนอความท้าทายที่แตกต่างกัน เขากล่าวว่า: "ผมตระหนักว่า แม้สิ่งมีชีวิตจะเปลี่ยนรูปได้อย่างรวดเร็ว แต่ก็ยังผ่านการเปลี่ยนแปลงเชิงวิวัฒนาการที่ช้าและยาวนาน" โดยเขาอ้างถึงกระบวนการอย่างการฟื้นฟูบาดแผลและการพัฒนาอัคคีชีพ โครงรองรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อมักพกพาสารประกอบที่มีชีวิตชีวาเพื่อสนับสนุนการรักษา Du ระบุว่าวัสดุเดิมๆ ไม่ว่าจะเปลี่ยนแปลงเร็วเกินไป หรือไม่สามารถเปลี่ยนรูปได้เลย

חקותกระบวนการเปลี่ยนรูปในธรรมชาติ

เขากล่าวว่า: "ดังนั้นผมจึงอยากทราบว่าสามารถחקותกระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปทรงที่ช้ากว่าในธรรมชาติเหล่านี้ได้หรือไม่ เพื่อสร้างวัสดุที่เปลี่ยนรูปอย่างช้า"

STERSS ย่อมาจาก Spatiotemporal Evolving Reaction Species (สปีชีส์ปฏิกิริยาแบบพัฒนาการในอวกาศ-เวลา) ระบบนี้รวมอนุภาคโลหะเหลวที่มีฐานเป็นกาลเลียมกับโมโนเมอร์ไวนิล ซึ่งช่วยขับเคลื่อนการผลิตสารตั้งต้นและการ重合ของซูเปอร์เจล แสงอินฟราเรดใกล้เป็นตัวเริ่มต้นกระบวนการนี้ ในขณะที่โลหะเหลวสร้างสารตั้งต้นอย่างต่อเนื่องผ่านการออกซิเดชันบนผิวและการกำจัดชั้นออกซไซด์ซ้ำๆ หลังจากชั้นนั้นถูกกำจัด โลหะก็จะถูกเปิดเผยอีกครั้ง ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ ซึ่งให้กิจกรรมเคมีที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างซูเปอร์เจลที่พัฒนาการไปตามเวลา ทีมวิจัยระบุในบทความของพวกเขาว่า: "วิธีการใหม่โน้นี้ทำให้ซูเปอร์เจลสามารถมี演化รูปทรงที่เขียนโปรแกรมได้และคล้ายมนุษย์ ครอบคลุมมาตราส่วนจากไมโครถึงแมโคร เวลาตั้งแต่นาทีถึงสัปดาห์ และสามารถทำวงจรการเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ครั้งเดียวจนหลายครั้ง"

การประยุกต์ใช้ทางคลินิกที่เป็นไปได้และความท้าทาย

นักวิจัยยังสร้างซูเปอร์เจลที่เปลี่ยนสีอย่างค่อยเป็นค่อยไป แสดงศักยภาพในฐานะตัวบ่งชี้ทางสายตาระยะยาว ทีมใช้ซูเปอร์เจลนำทางเซลล์ต้นกำเนิดให้แตกต่างเป็นเซลล์กระดูกและเซลล์แบบประสาท "นอกจากนี้ เรายังใช้วัสดุนี้ปรับเปลี่ยนผิวอิเล็กโตรดของอินเทอร์เฟซกลไก-สมاغ เพื่อตรวจสอบ演变ของสัญญาณไฟฟ้าระหว่างการพัฒนาอัคคีชีพของหนูทดลอง" Du กล่าว ตามนักวิจัย ความเร็วและขนาดของการเปลี่ยนแปลงของวัสดุสามารถปรับได้เพื่อจับคู่กับการเปลี่ยนแปลงของสมاغอัคคีชีพที่กำลังพัฒนา เนื่องจากโลหะเหลวอาจทำลายเนื้อเยื่อ ปัญหาความปลอดภัยทางชีววิทยาจึงยังคงเป็นข้อกังวล Du 指出ว่าทีมใช้โครงสร้างแบบแซนด์วิชห่อหุ้มวัสดุเพื่อป้องกันไม่ให้รั่วซึมไปยังเนื้อเยื่อรอบข้าง

การประยุกต์ใช้ทางคลินิกยังคงเผชิญหลายความท้าทาย รวมถึงการจับคู่การเปลี่ยนแปลงกับเนื้อเยื่อเฉพาะ การบรรลุการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่ช้า และการควบคุมกระบวนการผ่านกระตุ้นภายนอก ปัจจุบัน Du ระบุว่าระบบนี้เหมาะสำหรับการตรวจจับและสาธิตในห้องปฏิบัติการสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อและอินเทอร์เฟซกลไก-สมاغ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Matter

ผลกระทบของเทคโนโลยีซูเปอร์เจลต่อการแพทย์ชีววิทยา

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของซูเปอร์เจลในการจำลองกระบวนการชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการฟื้นฟูบาดแผลและการพัฒนาอัคคีชีพ ผ่านการחקותกระบวนการเปลี่ยนรูปในธรรมชาติ นักวิจัยพัฒนาวัสดุที่สามารถปรับความเร็วการเปลี่ยนแปลงได้ ซึ่งมีความสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อและอินเทอร์เฟซกลไก-สมاغ อย่างไรก็ตาม ปัญหาความปลอดภัยทางชีววิทยาของโลหะเหลวยังคงต้องได้รับการแก้ไข ซึ่งอาจส่งผลต่อความเป็นไปได้ของการประยุกต์ใช้ทางคลินิก ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้จะช่วยให้เกิดวัสดุการแพทย์ที่อัจฉริยะขึ้นในอนาคต