חוטי שרירים מלאכותיים בעלי השראה ביולוגית מתכופפים ומתפתלים עם שינויי טמפרטורה

הטבע גדוש בחוטים דקים שמתכופפים ומתפתלים – מגפני ענבים מטפסים, דרך חלבונים מקופלים ועד גזעי פילים שיכולים להרים בוטן אבל גם להוריד עץ.

מדענים מאוניברסיטת הרווארד המבקשים להעניק לחומרים סינתטיים סוג זה של שליטה פיזית בהשראת הטבע פיתחו אסטרטגיית הדפסה תלת-ממדית שהופכת חוטים רכים דמויי שיער ל"שרירים מלאכותיים" הניתנים לתכנות שמתכופפים, מתפתלים, מתרחבים או מתכווצים בעת חימום או קירור. זהו צעד חדשני לקראת יצירה מחדש של המורכבות של השרירים הביולוגיים, המורכבים מצרורות של סיבים הפועלים יחד כדי לייצר תנועות מורכבות.

פריצת הדרך היא מהמעבדה של ג'ניפר לואיס, הפרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית של האנסיורג וייס בבית הספר להנדסה ומדעים יישומיים של ג'ון א. פולסון (SEAS), ומתוארת בהליכי האקדמיה הלאומית למדעים על ידי הסופר הראשון והחוקר הפוסט-דוקטורט מוסטפא עבדלרחמן ועמיתיו.

הדפסת תלת מימד סיבובית רב-חומרית

במחקרם השתמשו החוקרים בטכניקה שפותחה במעבדת לואיס שנקראת הדפסת תלת מימד מרובת חומרי סיבוב כדי להדפיס חוטים ייחודיים המורכבים מרכיבים שמשנים צורה ורכיבים שלא, או מה שהם מכנים חומרים פעילים ופסיביים. החומר הפעיל שלהם הוא אלסטומר גביש נוזלי, סוג מיוחד של פולימר שמשך עניין מחקרי כמועמד לשריר מלאכותי מכיוון שהוא "מתכווץ" לאורך כיוון מועדף כאשר הוא מחומם מעל טמפרטורת מעבר.

החומר הפסיבי שלהם הוא אלסטומר רך השומר על צורתו למרות שינויי טמפרטורה ושקשיחותו פועלת כמנחה תנועה מכני. על ידי הוצאת שני החומרים זה לצד זה דרך זרבובית מסתובבת, החוקרים יכולים למקם אזורים פעילים ופסיביים בדיוק היכן שהם רוצים אותם סביב כל החתך של חוט הלהט.

מכיוון שאלסטומר הגביש הנוזלי הפעיל מתכווץ לאורך כיוון היישור המולקולרי הפנימי שלו כאשר הוא מחומם, והחומר הפסיבי לא מתכווץ, אפילו חוט דו-שכבתי פשוט מתכופף כאשר צד אחד מתקצר והשני מתנגד. סיבוב הזרבובית תוך כדי הדפסה "כותב" ביעילות יישור סליל של המולקולות הפעילות לתוך החוט.

התוצאה היא חוט נימה שהעקמומיות והפיתול הטבעיים שלו בעת הפעלה מתוכנתים מראש במהלך ההדפסה – אין צורך בהרכבה של מספר שכבות או עיבוד מכני מכני.

לפני שהצטרף למעבדת לואיס, עבדלרחמן יצר גיליונות של אלסטומרים גבישים נוזליים תוך שימוש בשיטות מורכבות יותר לשרטוט תכונותיהם וחיפש לחקור תהליכים הניתנים להתאמה אישית יותר. "ראיתי את זה באמת יפה (פלטפורמת הדפסה תלת מימדית סיבובית) וחשבתי, 'מה אם נחבר חומרים פעילים ונעצב אותם בתוך חוט הלהט – האם נוכל לגרום לשינוי צורה כך?'"

כדי לאמת ולחזות את התנהגות החומרים, הצוות עבד בשיתוף פעולה הדוק עם פרופסור L. Mahadevan, שקבוצתו מתמחה במכניקה של מבנים טבעיים, ופרופסור ג'ואנה אייזנברג, שהמעבדה שלה סייעה לאפיין את היישור המולקולרי של האלסטומרים הגבישים הנוזליים באמצעות מדידות פיזור קרני רנטגן שבוצעו במעבדה הלאומית ברוקהייבן.

הדגמות של מבנים מורכבים

ברגע שהחוקרים הצליחו לתכנת באופן מוכח את שינוי הצורה של נימה בודדת, הם השתמשו בחוטים האלה כאבני בניין למבנים מורכבים יותר, אדריכליים.

הם הדפיסו חוטים סינוסואידיים – גדילים גליים שנראים בהתחלה זהים אך מעוותים בצורה שונה מאוד בהתאם למקום בו ממוקם האלסטומר הגביש הנוזלי הפעיל. כאשר אלסטומר הגביש הנוזלי מודפס על החלק החיצוני של עקמומיות הגל, החימום גורם ללהט להתיישר ולהתרחב. אבל כאשר האלסטומר הפעיל נמצא בפנים, אותו גירוי תרמי גורם ללהט להתכווץ ולהתכווץ.

על ידי אריגה של תאי יחידה אלה לתוך סריג שטוח, הצוות הוכיח את הפוטנציאל של מסננים פעילים – סריגים אשר, כאשר הם מחוממים, נפתחים כדי לאפשר לחלקיקים כדוריים לעבור דרכם, וכאשר הם מתקררים, מתכווצים כדי ללכוד אותם או לתמוך בהם. הם גם יצרו מעין תפס-ומקום – סריגים עומדים שניתן להוריד על גבי מוטות מרובים, לחמם כדי לאחוז ולהרים אותם, ואז לקרר כדי לשחרר את המוטות.

בניסוי אחד, סריג מודפס עם אזורים מתרחבים ומתכווצים לסירוגין הפך לצורה דמוית כיפה כאשר הוא מחומם באמבט שמן, תואם באופן הדוק לצורה שנחזה על ידי סימולציות.

הצוות בוחן את קנה המידה של הטכנולוגיה. עם חרירים מותאמים אישית ודיו מכוונים בקפידה, הם כבר הדפיסו חוטים קטנים כמו 100 מיקרון בקוטר ורואים הזדמנויות להקטין.

במונחים של מדרגיות, אתה יכול ליצור חרירים מורכבים יותר המשתלבים עם חומרים אחרים בעתיד – כמו תעלת מתכת נוזלית כדי לאפשר הפעלה, או שילוב פונקציונליות אחרת."

ג'קסון וילט, סטודנט לתואר שני ומחבר שותף

בעוד אלסטומרים גבישים נוזליים רק מתחילים להופיע במוצרים תעשייתיים, הם נחקרים באופן פעיל עבור רובוטיקה רכה, שיכוך אנרגיה ומכשירים ביו-רפואיים.

"מסגרת עיצוב והדפסה של חוטים יכולים להאיץ את המעבר של חומרים דמויי שרירים מלאכותיים מהמעבדה לטכנולוגיות בעולם האמיתי", אמר לואיס.

יישומים פוטנציאליים כוללים תפסנים רובוטיים רכים הניתנים להגדרה מחדש שיכולים לתמרן בעדינות אובייקטים רבים בבת אחת; מסננים ושסתומים פעילים שמסלולי הנקבוביות והזרימה שלהם ניתנים לכיוון הטמפרטורה; וחוטים סבוכים ניתנים להזרקה שיכולים להינעל במקומם וליצור מבנים נקבוביים בעלי שטח פנים גבוה – שימושיים, למשל, בהקשרים ביו-רפואיים שבהם יש צורך בקרישה מהירה של רקמה ביולוגית.

"הדפסה תלת-ממדית סיבובית של חוטים וסריגים אקטיביים-פאסיביים עם שינוי צורה שניתן לתכנות" נכתבה בנוסף על ידי Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink, ונטלי מ. Larson. התמיכה הפדרלית במחקר הגיעה מהקרן הלאומית למדע דרך ה-Harvard MRSEC (DMR-2011754) ותוכנית ARO MURI (W911NF-17-1-03; W911NF-22-1-0219). חלק מהעבודות בוצעו במרכז אוניברסיטת הרווארד למערכות ננומטריות, בתמיכת ה-NSF תחת פרס מס' ECCS-2025158. עבודה אחרת התבצעה ב-National Synchrotron Light Source II, המופעל על ידי DOE Office of Science על ידי Brookhaven National Laboratory תחת חוזה מס' DE-SC0012704.