تطوير جلد صناعي أيوني مرن ذاتي الشفاء

طور باحثون بجامعة دونغهوا الصينية ومركز يوليش لعلوم النيوترونات (JCNS) في ألمانيا أخيرا جلدًا أيونيًا صناعيًا جديدًا واعدًا للغاية يعتمد على شبكة نانوية مرنة قابلة للشفاء ذاتيًا؛ وهي بنية متشابكة تشبه جلد الإنسان.
وهذا الجلد الصناعي، الذي تم تقديمه في بحث نُشر بمجلة Nature Communications ناعم وخالٍ من التعب وذو قابلية للشفاء الذاتي، وذلك حسبما نشر موقع «phys.org» العلمي المتخصص.
وقال صن شينغتونغ أحد باحثي الدراسة «كما نعلم، الجلد هو أكبر عضو في جسم الإنسان، والذي يعمل كطبقة واقية وواجهة حسية للحفاظ على صحة الجسم وإدراكه... ومع التطور السريع للذكاء الصناعي والروبوتات اللينة، يحاول الباحثون حاليًا تغطية الروبوتات الشبيهة بالبشر بجلد صناعي يكرر جميع الخصائص الميكانيكية والحسية لجلد الإنسان، حتى يتمكنوا أيضًا من إدراك البيئة الخارجية المتغيرة مثلنا».
ونظرًا لأن جلد الإنسان نظام معقد للغاية ومتطور، فإن محاكاة جميع وظائفه يمكن أن يكون أمرًا صعبًا للغاية؛ فعلى سبيل المثال، يمكن لجلد الإنسان أن يشعر بمجموعة متنوعة من التغيرات البيئية، بما في ذلك الضغط وتشوه سطحه وتغيرات درجة الحرارة، وذلك ببساطة عن طريق التقاط الإشارات الإلكترونية القائمة على الأيونات.
ويضيف صن «يشعر جلد الإنسان بالنعومة، لكنه يصبح شديد الصلابة عند التمدد. ويمكن للجلد أيضًا أن يشفي الجروح بشكل طبيعي في غضون أيام قليلة عن طريق الإصلاح الكامل لهيكله ووظائفه. والأهم من ذلك، أن أكثر من مليون دورة من التشوهات سنويًا جنبًا إلى جنب مع حركات الجسم، لن تحلل خصائص الجلد، ما يشير إلى خصائص جيدة جدًا لمكافحة التعب».
وعلى الرغم من أن علماء المواد قد ابتكروا أخيرًا العديد من الجلود الصناعية، والتي يشار إليها أيضًا بالجلود الإلكترونية أو الأيونية، إلا أن معظم هذه الأنظمة يمكنها فقط إعادة إنتاج جزء من السمات الطبيعية للبشرة. لذا حاول صن وزملاؤه تصميم مواد أكثر واقعية وشبيهة بالجلد لعدة سنوات.
ويوضح صن «أثناء إجراء دراساتنا، لاحظنا أن الجلد يجمع بين العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام من خلال بنية هرمية من الألياف النانوية، والتي يتم تحديدها بواسطة سقالة ليفي كولاجين صلبة مدمجة في مصفوفة الإيلاستين المتشابكة الناعمة. ولا تلتئم هاتان المرحلتان بمساعدة الخلايا الليفية الجلدية عند الجرح فحسب، بل تضفي أيضًا صلابة عالية جدًا للكسر على جلد الإنسان عن طريق تثبيت الضرر في الألياف النانوية الصلبة للكولاجين».
واستلهامًا من البنية الطبيعية للبشرة، شرع الباحثون في تصميم جلد صناعي جديد يعتمد على شبكة نانوية ذاتية الشفاء ومصفوفة أيونية يمكنها تكرار وظائف الكولاجين والإيلاستين على التوالي. وقد نتج عن ذلك مادة شبيهة بالجلد تكون ناعمة ولكنها تصبح صلبة عند شدها، وهي خاصية تعرف باسم «التقوية بالتوتر».
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للجلد الصناعي الجديد أن يشفي نفسه بشكل مستقل بعد تعرضه للتلف، وهو مقاوم للتعب ويستجيب بسرعة لتشوهات الشكل؛ وهذا أمر مرغوب فيه بشكل خاص لتطبيقات الاستشعار.
ويؤكد صن «استيحاء من البنية الليفية النانوية القابلة للإصلاح للبشرة أنشأنا جلدًا أيونيًا صناعيًا من خلال دمج سقالة شبكية نانوية مرنة قابلة للشفاء ذاتيًا في مصفوفة أيونية ناعمة أخرى قابلة للشفاء ذاتيًا. وتم إنتاج الشبكة النانوية عن طريق الغزل الكهربائي للبولي يوريثين الصناعي الذي يمكن أن يشفي ذاتيًا عن طريق تبادل رابطة ثاني كبريتيد في درجة حرارة الغرفة. وقد تم تصنيع المصفوفة الأيونية عن طريق تبخير المحلول المائي لبولي (حمض أكريلاميد - أكريليك) وحمض الهيالورونيك و CaCl2 ، والتي يمكن أن تلتئم بمساعدة الترطيب. وبسبب قابلية المادتين الأم للشفاء يمكن للجلد الأيوني الهجين أيضًا أن يشفي الأضرار في غضون فترة زمنية قصيرة».
جدير بالذكر، يتميز الجلد الصناعي الجديد الذي ابتكره صن وزملاؤه ببنية فريدة من نوعها مرنة ونانوية ليفية تجعله شديد المقاومة للتعب. وبشكل أكثر تحديدًا، يمكن لألياف البولي يوريثان النانوية المدمجة أن تغطي أطوال نقل القوة الكبيرة، وبالتالي تخفف الشقوق وتمنعها من الانتشار.
وفي التقييمات الأولية، حقق نظام الجلد الصناعي نتائج واعدة للغاية؛ فقد وجد الفريق أنه حتى مع وجود شق مقطوع مسبقًا، ظل الأيوني الهجين سليمًا لأكثر من 10000 دورة تمدد. وان عتبة التعب المحسوبة للجلد الأيوني الهجين ~ 2950 Jm-2 ، أي أعلى مرتين تقريبًا من العضلات البشرية (1000 J m-2).
وفي هذا الاطار، يبين صن «ان النعومة وقابلية التمدد هما أهم خواص ميكانيكية لمواد استشعار الجلد. لكن مع ذلك، غالبًا ما تؤدي تصميمات المواد التقليدية للنعومة والمط إلى المتانة المنخفضة، والتي تتعارض مع عمر خدمة الجلود الأيونية. ولقد عالجنا هذه المشكلة من خلال إنتاج جلد أيوني هجين يحاكي البنية الليفية النانوية للجلد البشري».
ويعد النظام الشبيه بالجلد الذي أنشأه فريق الباحثين من بين أوائل الجلود الصناعية التي ليست فقط ناعمة وقابلة للتمدد، ولكنها أيضًا ذات شفاء ذاتي ومقاومة للإرهاق بشكل موثوق. وفي المستقبل، يمكن استخدام التصميم الذي اقترحه صن وزملاؤه لإنشاء هياكل قوية أخرى موصلة للأيونات بناءً على تركيبات المواد الأخرى.
وبينما ان نظام الجلد الصناعي يساعد في تطوير روبوتات بشرية تكون أكثر مقاومة للإجهاد وأداء أفضل ولا تتضرر بسهولة بمرور الوقت. حقق الجلد الأيوني الجديد للفريق نتائج ملحوظة حتى الآن، إلا أنه لا يزال يعاني من بعض القيود الملحوظة والتي يأمل صن وزملاؤه في النهاية التغلب عليها.
وختم صن بالقول «لأننا استخدمنا هيدروجيل استرطابي كمصفوفة أيونية، فإن الاستقرار البيئي ضعيف نسبيًا، خاصة في ظروف تغير الرطوبة... ففي الظروف البيئية شديدة الجفاف ستصبح المصفوفة الأيونية قاسية بفقدان الماء، وسيكون من الصعب أيضًا إدراك قدرة الجلد على الشفاء الذاتي. وللتغلب على هذا الحد، نحن الآن متحمسون لإنتاج جلود أيونية أكثر قوة يمكنها العمل بشكل موثوق في ظروف قاسية مثل درجات الحرارة المنخفضة والعالية أو تحت الماء أو في الفراغ أو في وجود مواد قابلة للتآكل. سيكون هذا مفيدًا جدًا للروبوتات اللينة التي من المتوقع أن تعمل في بيئات أكثر تعقيدًا وتغيرًا من تلك التي يعيش فيها البشر».