سوف تمكن تقنية النانو الجديدة المبتكرة من إنتاج تيار كهربائي "صحي" داخل جسم الإنسان
سيسمح تطوير تكنولوجيا النانو الجديدة من قبل فريق بحث دولي بقيادة باحثين من جامعة تل أبيب بتوليد تيارات كهربائية وفولتية داخل جسم الإنسان من خلال تنشيط مختلف الأعضاء (القوة الميكانيكية). يوضح الباحثون أن التطور يتضمن مادة بيولوجية جديدة وقوية جدًا ، تشبه مادة الكولاجين ، وهي مادة غير سامة ولا تسبب أي ضرر لأنسجة الجسم. يعتقد الباحثون أن هذه التكنولوجيا النانوية الجديدة لها العديد من التطبيقات المحتملة في الطب ، بما في ذلك حصاد الطاقة النظيفة لتشغيل الأجهزة المزروعة في الجسم (مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب) من خلال حركات الجسم الطبيعية ، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات.
قاد الدراسة البروفيسور إيهود غازيت من مدرسة شموني للطب الحيوي وأبحاث السرطان في الكلية الحكيمة لعلوم الحياة ، وقسم علوم وهندسة المواد في كلية فليشمان للهندسة ، ومركز علوم النانو وتقنية النانو ، إلى جانب فريق مختبره ، الدكتور سانتو بيرا والدكتور وي جي.
كما شارك في الدراسة باحثون من معهد وايزمان وعدد من المعاهد البحثية في أيرلندا والصين وأستراليا. نتيجة للنتائج التي توصلوا إليها ، تلقى الباحثون منحتين من ERC-POC تهدفان إلى استخدام البحث العلمي من منحة ERC التي فازت بها Gazit سابقًا للتكنولوجيا التطبيقية. نشر البحث في مجلة مرموقة طبيعة الاتصالات.
البروفيسور ايهود غازيت. الائتمان: جامعة تل أبيب
يوضح البروفيسور غازيت ، وهو أيضًا المدير المؤسس لمركز BLAVATNIK لاكتشاف الأدوية: "الكولاجين هو البروتين الأكثر انتشارًا في جسم الإنسان ، ويشكل حوالي 30٪ من جميع البروتينات في أجسامنا. إنها مادة بيولوجية ذات بنية حلزونية ومجموعة متنوعة من الخصائص الفيزيائية المهمة ، مثل القوة الميكانيكية والمرونة ، وهي مفيدة في العديد من التطبيقات. ومع ذلك ، نظرًا لأن جزيء الكولاجين نفسه كبير ومعقد ، فقد بحث الباحثون منذ فترة طويلة عن جزيء بسيط وقصير وبسيط يعتمد على الكولاجين ويعرض خصائص مماثلة.
منذ حوالي عام ونصف ، في المجلة مواد الطبيعة، نشرت مجموعتنا دراسة استخدمنا فيها وسائل تقنية النانو لهندسة مادة بيولوجية جديدة تلبي هذه المتطلبات. إنه ثلاثي الببتيد - جزيء قصير جدًا يسمى Hyp-Phe-Phe يتكون من ثلاثة أحماض أمينية فقط - قادر على عملية بسيطة من التجميع الذاتي لتشكيل بنية حلزونية تشبه الكولاجين وتتميز بقوتها المماثلة لتلك الموجودة في التيتانيوم المعدني. في هذه الدراسة ، سعينا لفحص ما إذا كانت المادة الجديدة التي طورناها تحمل ميزة أخرى تميز الكولاجين - الكهرباء الانضغاطية. الكهرباء الانضغاطية هي قدرة مادة ما على توليد تيارات كهربائية وفولطية نتيجة لتطبيق القوة الميكانيكية ، أو العكس ، لتكوين قوة ميكانيكية نتيجة التعرض لمجال كهربائي ".
في الدراسة ، ابتكر الباحثون هياكل نانومترية من المواد المهندسة ، وبمساعدة أدوات النانو المتقدمة ، قاموا بتطبيق الضغط الميكانيكي عليها. كشفت التجربة أن المادة تنتج بالفعل تيارات كهربائية وفولطية نتيجة للضغط. علاوة على ذلك ، أظهرت الهياكل الصغيرة التي لا يتجاوز حجمها مئات النانومترات أحد أعلى مستويات القدرة الكهروضغطية التي تم اكتشافها على الإطلاق ، أو يمكن مقارنتها أو تفوقها على تلك الموجودة في المواد الكهرضغطية الموجودة بشكل شائع في السوق اليوم (تحتوي معظمها على الرصاص وبالتالي فهي غير مناسبة للتطبيقات الطبية) .
وفقًا للباحثين ، فإن اكتشاف كهرضغطية بهذا الحجم في مادة نانومترية له أهمية كبيرة ، لأنه يوضح قدرة المادة المهندسة على العمل كنوع من المحركات الصغيرة للأجهزة الصغيرة جدًا. بعد ذلك ، يخطط الباحثون لتطبيق طرق علم البلورات وميكانيكا الكم الحسابية (نظرية الكثافة الوظيفية) من أجل الحصول على فهم متعمق لسلوك المواد الكهروضغطية وبالتالي تمكين الهندسة الدقيقة للبلورات لبناء الأجهزة الطبية الحيوية.
يضيف البروفيسور غازيت: “معظم المواد الكهروإجهادية التي نعرفها اليوم هي مواد سامة قائمة على الرصاص ، أو بوليمرات ، مما يعني أنها ليست صديقة للبيئة وجسم الإنسان. ومع ذلك ، فإن مادتنا الجديدة بيولوجية تمامًا ، وبالتالي فهي مناسبة للاستخدامات داخل الجسم. على سبيل المثال ، قد يحل جهاز مصنوع من هذه المادة محل بطارية تزود الطاقة المزروعة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ، على الرغم من أنه يجب استبدالها من وقت لآخر. حركات الجسم - مثل دقات القلب ، وحركات الفك ، وحركات الأمعاء ، أو أي حركة أخرى تحدث في الجسم بشكل منتظم - ستشحن الجهاز بالكهرباء ، والتي ستنشط الغرسة باستمرار ".
الآن ، كجزء من بحثهم المستمر ، يسعى الباحثون إلى فهم الآليات الجزيئية للمادة المهندسة بهدف تحقيق إمكاناتها الهائلة وتحويل هذا الاكتشاف العلمي إلى تقنية تطبيقية. في هذه المرحلة ، ينصب التركيز على تطوير الأجهزة الطبية ، لكن البروفيسور غازيت يؤكد أن "المواد الكهروضغطية الصديقة للبيئة ، مثل تلك التي طورناها ، لديها إمكانات هائلة في مجموعة واسعة من المجالات لأنها تنتج طاقة خضراء باستخدام ميكانيكي القوة التي يتم استخدامها على أي حال. على سبيل المثال ، يمكن لسيارة تسير في الشارع أن تضيء إنارة الشوارع. قد تحل هذه المواد أيضًا محل المواد الكهرضغطية المحتوية على الرصاص والتي يتم استخدامها حاليًا على نطاق واسع ، ولكنها تثير مخاوف بشأن تسرب المعادن السامة إلى البيئة. "
المراجع:
"الهندسة الجزيئية للكهرباء الانضغاطية في تجميعات الببتيد التي تحاكي الكولاجين" بقلم سانتو بيرا وسارة غيرين وهوي يوان وجوزيف أودونيل ونيكولاس ب. رينولدز وأوغوزان مارابا ووي جي وليندا جي دبليو شيمون وبيير أندريه كازاد وسيد آم توفيل ، داميان طومسون ، روسين يانغ وإيهود غازيت ، 11 مايو 2021 ، طبيعة الاتصالات.
DOI: 10.1038/s41467-021-22895-6
"تجميعات صلبة تشبه الحلزونية من ثلاثي الببتيد ذاتي التجميع" بقلم Santu Bera و Sudipta Mondal و Bin Xue و Linda JW Shimon و Yi Cao و Ehud Gazit ، 15 أبريل 2019 ، مواد الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41563-019-0343-2
