هيدروجيل نباتي يستخدم لصنع روبوتات صغيرة قابلة للملاحة وتغيير الشكل

قام الباحثون بتطوير هيدروجيل نباتي لإنشاء روبوتات صغيرة الحجم متغيرة الشكل وقابلة للملاحة مع تطبيقات محتملة في الطب الحيوي، بما في ذلك إجراء الإجراءات الطبية مثل الخزعات وتوصيل البضائع العلاجية إلى الخلايا والأنسجة.

على عكس الروبوتات الدقيقة الصلبة، تعد الروبوتات الدقيقة الناعمة أكثر ملاءمة للأنسجة لأنها يمكن أن تمر بسهولة أو تضغط على الأنظمة البيولوجية. ومع ذلك، يكمن التحدي في إنشاء روبوتات صغيرة ناعمة يمكنها الإحساس ببيئتها والتكيف معها، ولأنها أجسام غريبة، لا تؤدي إلى استجابة مناعية.

قام الباحثون في جامعة واترلو في المملكة المتحدة بتطوير هيدروجيل نباتي متوافق حيويًا لإنشاء روبوتات دقيقة قابلة للملاحة قادرة على تغيير شكلها استجابةً للمحفزات الكيميائية الخارجية.

وقال حامد شاهسافان، المؤلف المقابل للدراسة: “في مجموعتي البحثية، نقوم بالربط بين القديم والجديد”. “نحن نقدم الروبوتات الصغيرة الناشئة من خلال الاستفادة من المواد الناعمة التقليدية مثل الهلاميات المائية والبلورات السائلة والغرويات.”

الروبوتات الناعمة الصغيرة، التي يبلغ طولها الأقصى 0.4 بوصة (1 سم)، مصنوعة من مركبات هيدروجيل متقدمة تتضمن جسيمات نانوية من السليلوز المستمدة من النباتات. بالإضافة إلى كونها متوافقة حيويًا وغير سامة، فإن المادة ذاتية الشفاء؛ يمكن قصها ثم لصقها معًا مرة أخرى بدون غراء أو مواد لاصقة أخرى لتشكيل أشكال مختلفة لاستخدامها في تطبيقات مختلفة. يتغير شكل الهيدروجيل عند تعرضه للتحفيز الكيميائي، مما يسمح للباحثين بتوجيه جسيمات السليلوز النانوية حسب الرغبة، وبالتالي، “برمجة” تغيير شكل الروبوت، وهي قدرة مهمة للروبوت الناعم.

قام الباحثون بتصميم واختبار روبوتين صغيرين الحجم يستجيبان لدرجة الحموضة. الأول كان قادرًا على انتزاع ونقل وإطلاق شحنات بيولوجية ناعمة كروية أو غير منتظمة ناجمة عن الرقم الهيدروجيني. والثاني يمكنه نقل البضائع الخفيفة عبر المتاهة عن طريق الملاحة عن بعد باستخدام المجال المغناطيسي، كما يظهر في الفيديو أدناه، من إنتاج شركة Waterloo Engineering. بمجرد الانتهاء من المتاهة، يتسبب حمض الهيدروكلوريك في بسط الروبوت وإسقاط حمولته.

يقول الباحثون إن طبيعة الهيدروجيل المستجيبة لدرجة الحموضة تعني أن الروبوتات الدقيقة لديها القدرة على استخدامها في أعضاء الجسم ذات مستويات الحموضة الأصلية العالية، فضلاً عن قدرتها على تحمل بيئات الحموضة الحمضية، كما هو الحال في المثانة.

ويخطط الباحثون لتحسين تصميمهم قبل اختباره في تطبيقات العالم الحقيقي، بما في ذلك تطوير تركيبة هيدروجيل ذات خصائص ميكانيكية محسنة من شأنها أن تسمح بقدرة تحمل أعلى. ويخططون أيضًا لتصغير حجم الروبوتات إلى حجم النانو لاستخدامها في العلاج أو التشخيص.

يمثل تطوير هذا الهيدروجيل النباتي الابتعاد عن الهلاميات المائية المكونة من بوليمرات طبيعية، أحدها هو الجيلاتين المحصود من الأنسجة الحيوانية. وفي دراسة حديثة أخرى، ابتكر باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) سيدني هيدروجيل مصنوع في المختبر يحاكي الأنسجة البشرية وهو مضاد للميكروبات ويشفى ذاتيًا ولكنه لا يستخدم المنتجات الحيوانية.

وقال آشلي نغوين، المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة: “تُستخدم الهلاميات المائية الطبيعية في جميع أنحاء المجتمع – من تجهيز الأغذية إلى مستحضرات التجميل – ولكنها تتطلب الحصاد من الحيوانات، الأمر الذي يشكل مخاوف أخلاقية”. “كما أن المواد المشتقة من الحيوانات تمثل مشكلة عند استخدامها لدى البشر بسبب الاستجابة المناعية السلبية التي تحدث.”

وبدلاً من ذلك، قام الباحثون في جامعة نيو ساوث ويلز بإنشاء الهلام المائي الخاص بهم باستخدام ما يسمى بـ “سحابات التربتوفان”، أو Trpzip، وهي سلاسل قصيرة من الأحماض الأمينية مع العديد من التربتوفان، والتي تعمل بمثابة سحاب لتعزيز التجميع الذاتي.

وقال كريستوفر كيليان، المؤلف المقابل للدراسة: “نعتقد أن هيدروجيلات Trpzip والمواد المشابهة لها ستوفر بديلاً أكثر اتساقًا وفعالية من حيث التكلفة للمنتجات المشتقة من الحيوانات”. “ستكون نتيجة هائلة إذا خفضت مادتنا عدد الحيوانات المستخدمة في البحث العلمي.”

تم نشر كل من دراسة جامعة واترلو ودراسة جامعة نيو ساوث ويلز في المجلة اتصالات الطبيعة.

المصادر: جامعة واترلو، جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني