تطبيقات المواد النانوية الكهروإجهادية في هندسة الأنسجة وخصائصها
الاستاذ الدكتوره : ندى يحيى فيروز
- مقدمة
على مدى عقود طويلة، انصبّ تركيز البحث في مجال المواد الحيوية على تصميم مواد متوافقة حيوياً قادرة على التفاعل مع النظام البيولوجي
1
والمعروفة بالمواد النشطة بيولوجياً (إندرل، 2005). وفي الوقت الحاضر، حظيت المواد الذكية بيولوجياً، القادرة على الاستجابة للمؤثرات الخارجية ومحاكاة الأنسجة البيولوجية الطبيعية، باهتمام ملحوظ (بنيامين وآخرون، 2006؛ هوكر وكلي، 1996). وتُشير المواد الذكية بيولوجياً (وتُسمى أيضاً المواد التفاعلية أو المواد المستجيبة أو المواد الوظيفية الذكية) (إيبارا وآخرون، 2014) إلى خاصية مميزة، حيث تلعب المادة دوراً فعالاً، وتُحدد “ذكاؤها” بقدرتها الفطرية على استشعار المؤثرات الخارجية وتشخيصها والاستجابة لها (روي وآخرون، 2010؛ غاو وآخرون، 2019).
تشمل أمثلة هذه المحفزات الخارجية تغيرات درجة الحرارة (فيرمان وأكرفيلدت، 2005)، ودرجة الحموضة، ومواد كيميائية محددة، والمجالات الكهربائية أو المغناطيسية (أنجو وآخرون، 2021)، حيث يمكن لكل هذه المحفزات إحداث تغيير محدد في خصائص المادة الذكية بطريقة مضبوطة (جاكوب وآخرون، 2018). ونظرًا للإمكانيات المتعددة لاستخدام المواد الذكية كمرشحات لإنتاج الجيل القادم من الأجهزة الطبية الحيوية، والغرسات المؤقتة، ووسائل توصيل الأدوية، فقد أثارت هذه المواد اهتمام العلماء والأطباء على حد سواء (فرنانديز وآخرون، 2019).
تتوفر حاليًا مجموعة متنوعة من أنواع المواد الذكية (وادلي، 1996؛ تزاو وآخرون، 2004)، ويجري تطوير أنواع جديدة منها يوميًا (أخراس، 2000؛ نيركار وآخرون، 2022). ومن أبرز هذه التطورات الجديدة المواد الكهروإجهادية (فيجايا، 2012)، والمواد الكهروحرارية (تزو وآخرون، 2004)، ومواد الذاكرة الشكلية (أوتسوكا ووايمان، 1999)، والمواد الملونة (غارسيا هوتي، 2017)، والمواد المغناطيسية الانسيابية (أحمد وآخرون، 2018)، والمواد الضوئية (مارشال وديموفا-مالينوفسكا، 2002)، والمواد الفيروكهربائية (كورديرو-إدواردز وآخرون، 2017).
… تشمل بعض تطبيقات المواد الذكية في الطب التجديدي هندسة الأنسجة (وانغ 2017ب، 2016)، وإيصال الأدوية (سبونشيوني وآخرون 2019)، والتشخيص (جو وآخرون 2020)، والأجهزة الطبية الحيوية مثل العضلات الاصطناعية (شاهينبور وآخرون 2007)، ودعامات النيتينول فائقة المرونة ذاتية التمدد
(دويريج وآخرون 2003)، والمشابك ودبابيس النيتينول (تشودري وآخرون 2021)، والمواد المستخدمة في تقويم الأسنان (مكابي وآخرون 2011)، ومرشح سيمون المستخدم في علاج أمراض القلب والأوعية الدموية (بيتريني وميغلياكا 2011)، والمواد الخاصة المستخدمة في صناعة دبابيس الذاكرة الشكلية لجراحة العظام (سيل وويبستر 2008).
1.1 ظاهرة الكهروضغطية
1
الكهروضغطية، أو ما يُعرف أيضًا بالكهرباء الضاغطة أو التأثير الكهروضغطي، هي خاصية فريدة لبعض المواد العازلة تجعلها تستجيب للمؤثرات الميكانيكية بتوليد شحنة كهربائية (الشكل 1) (سميث وكار-نارايان 2022؛ أرناو وسواريس 2009). هذه العملية قابلة للانعكاس، ما يعني إمكانية إحداث تشوه ميكانيكي في هذه المواد (مما يؤدي إلى تغيير في أبعادها) بتطبيق مجال كهربائي (سيوفاني ومينسياسي 2012). تشير الكهروضغطية الحيوية إلى الانتشار الواسع لظاهرة الكهروضغطية في العديد من الأنظمة والجزيئات البيولوجية (ستابلتون وآخرون 2016) (لاي وآخرون 2021).
الشكل 1: التأثير الكهروضغطي. يوضح الرسم التخطيطي أ- التأثير الكهروإجهادي المباشر، حيث يتم توليد شحنة كهربائية استجابةً للإجهاد الميكانيكي المُطبق، و ب- التأثير الكهروإجهادي العكسي، حيث يتم توليد انفعال تحت تأثير مجال كهربائي مُطبق.
1.2 آلية الكهروإجهادية
الكهروضغطية هي تفاعل بين الأنظمة الكهربائية والميكانيكية ضمن ترتيب بنيوي غير متناظر مركزيًا (كوفاتشي وجونتيان، 2020). يتضمن التأثير الكهروضغطي، كما هو موضح في الشكل 2، توليد ثنائي قطب كهربائي في المادة نتيجةً لتطبيق قوة خارجية. قبل تطبيق قوة خارجية على المادة، يكون محصلة ثنائي القطب الناتج عن الوحدة البنيوية صفرًا (والذي يمكن اعتباره تداخلًا بين الجانبين الموجب والسالب لثنائي قطب)، مما ينتج عنه ترتيب متعادل كهربائيًا (بارك وآخرون، 2020). مع ذلك، عند تطبيق إجهاد ميكانيكي خارجي، يتشوه الترتيب البنيوي الأساسي، مُنتجًا محصلة ثنائي قطب، أي فصل المركزين الموجب والسالب للجزيء. ونتيجةً لذلك، تعود الإلكترونات داخل المادة إلى حالة التوازن، وتظهر شحنات ثابتة على السطحين المتقابلين للمادة، فتصبح المادة مستقطبة كهربائيًا (ستار ووانغ، 2015).
الشكل 2: مادة كهروضغطية. يمثل الشكل شبكة ثنائية الأبعاد. تُظهر الصورة خلية وحدة مُحددة بخطوط متقطعة. في الشكل الأيسر، وبدون أي ضغط خارجي، يتطابق مركز الشحنات الموجبة والسالبة ويُشار إليه بنقطة سوداء. عند ضغط المادة (الشكل الأيمن)، تبقى المسافة بين الذرات ثابتة، وهو ما لا يتحقق إلا بتمديد المادة أفقيًا. يؤدي هذا بدوره إلى إبعاد الشحنات الموجبة والسالبة المشار إليها بنجمة (*)، فلا يتطابق مركزها، بل يُشار إليه بنقطتين زرقاء وحمراء، مما يُنشئ ثنائي قطب كهربائي. المصدر: مُقتبس من Onscale (2022).
- الكهرباء الضغطية داخل جسم الإنسان
الجدول 1: معامل كهرضغطية لبعض البوليمرات الحيوية الطبيعية
البوليمر الطبيعي معامل كهرضغطية،
d14 (كمبيوتر/N)
الكولاجين (زاسزكزينسكا وآخرون. 2020) العظام والجلد 0.2
وتر 2.0
الكيراتين (Zaszczynska et al. 2020) الصوف 0.1
الفيبرين (ريبيرو وآخرون 2015) الحمض النووي (100 درجة مئوية) 0.07
شيتين (فوكادا 1995) قشرة السلطعون 0.2
الأسمنت (مارينو وجروس 1989) 0.027
دينتين (مارينو وجروس 1989) 0.028
1تنشأ ظواهر مثل الكهروإجهادية من إمكانية إحداث توزيع غير متماثل للشحنات في المواد. وعلى مستويات تنظيمية مختلفة، تمتلك العديد من المواد البيولوجية، إن لم تكن جميعها، شكلاً حلزونياً (الجزيئات الكبيرة، الأنسجة، إلخ). ولأن الأشكال الحلزونية تفتقر إلى مركز تناظر، فإن غالبية المواد البيولوجية، مثل الخشب والعظام، تتمتع بقدرات كهروإجهادية (Wojnar 2012) بالإضافة إلى اقترانها الكهروميكانيكي (Jiang et al. 2003). ويُظهر الجهاز العصبي، والحركة العضلية التي يتم التحكم فيها بالجهد، ونواقل الأيونات خصائص كهروإجهادية نتيجةً لهذا الاقتران الميكانيكي (Bystrov et al. 2012). في عام 1940، قاس مارتن الجهد الكهربائي الناتج عن حزمة من الصوف تم سحقها بواسطة لوحين معدنيين، وبذلك سجل أول ظاهرة كهروإجهادية في الأنسجة البيولوجية (Martin 1941). الكيراتين، ذو الشكل الحلزوني ألفا، هو المكون الرئيسي للشعر والقرون والصوف. من المعروف أن البنية عالية التنظيم للكيراتين والاستقطاب المتأصل في حلزوناته ألفا (الذي تحافظ عليه الروابط الهيدروجينية بين الهيدروجين في مجموعة الأمين والأكسجين في مجموعة الكربونيل) مسؤولان عن الخاصية الكهروإجهادية للأنسجة (تيليغا ووجنار، 2002).
2.1 المواد الكهروإجهادية العضوية القابلة للتحلل الحيوي
تنشأ الخاصية الكهروإجهادية للجزيئات الحيوية الصغيرة، مثل الأحماض الأمينية أو ثنائيات الببتيد، من عدم التناظر المركزي. كما تلعب البنية الهرمية، مثل الطي وشبكة الروابط الهيدروجينية للجزيئات الكبيرة، دورًا حاسمًا في النشاط الكهروإجهادي. اعتمادًا على طريقة القياس، تُقاس معاملات الكهروإجهاد بوحدة بيكو كولوم/نيوتن (بناءً على التأثير الكهروإجهادي الموجب) أو بيكومتر/فولت (بناءً على التأثير الكهروإجهادي العكسي). ستُناقش الخصائص الكهروضغطية المرتبطة بها في الجلسات التالية، وذلك من خلال دراسة الجزيئات الكهروضغطية الصغيرة، والمواد الكهروضغطية ذات البنية المعقدة، والمواد الكهروضغطية الكهربائية.
تتميز هذه الخصائص الاستثنائية بقلة المواد العازلة، ويمكن تصنيف المواد الكهروضغطية إلى أربع فئات رئيسية: البلورات، والبوليمرات الكهروضغطية، والمركبات الكهروضغطية، والسيراميك الكهروضغطي.
وادلي، هـ. ن. (1996). خصائص ومعالجة المواد الذكية. في جامعة فرجينيا، الهياكل والمواد الذكية: تطبيقاتها على الطائرات العسكرية من الجيل الجديد، ص (انظر N 97–1147501–23).
تزو، هـ.، لي، هـ. ج.، أرنولد، س. (2004). المواد الذكية، أجهزة الاستشعار/المحركات الدقيقة، الهياكل الذكية، والأنظمة الإنشائية. مجلة ميكانيكا المواد المتقدمة والهياكل، 11: 367–393. https://doi.org/10.1080/15376490490451552.
أخراس، ج. (2000). المواد الذكية والأنظمة الذكية للمستقبل. المجلة العسكرية الكندية، 1: 25–31.
نيركار، ب. س.، تاوالي، س. ج.، ساوجي، س. م.، دوي، أ. د. (2022). تقييم المواد الحيوية الذكية في جراحة العظام وهندسة الأنسجة. وقائع المؤتمر الدولي للأنظمة الصناعية والتصنيعية (CIMS-2020). سبرينغر، ص 587-600. https://doi.org/10.1007/978-3-030-73495-4_40.
فيجايا، م. (2012). المواد والأجهزة الكهروإجهادية: تطبيقات في الهندسة والعلوم الطبية. مطبعة CRC.
جامعة كربلاء، كلية العلوم التطبيقية
أوتسوكا، ك.، ووايمان، س.م. (1999). مواد ذاكرة الشكل، مطبعة جامعة كامبريدج.
غارسيا هوتي، ن. (2017). تطوير وتطبيقات البوليمرات شبه البلورية: من ذاكرة الشكل إلى المواد ذاتية الإصلاح.
أحمد، ر.، تشوي، س.ب.، فردوس، م.م. (2018). أحدث ما توصل إليه العلم في مجال المواد المغناطيسية الانسيابية وتطبيقاتها المحتملة. مجلة أنظمة ومواد ذكية 29: 2051-2095. https://doi.org/10.1177/1045389X18754350.
مارشال، ج. م.، وديموفا-مالينوفسكا، د. (2002). المواد الكهروضوئية والمواد النشطة ضوئيًا: الخصائص والتكنولوجيا والتطبيقات.
كورديرو إدواردز، ك.، ودومينغو، ن.، وعبد اللهي، أ.، وسورت، ج.، وكاتالان، ج. (2017). المواد الكهروإجهادية كمواد ميكانيكية ذكية. المواد المتقدمة 29: 1702210. https://doi.org/10.1002/adma.201702210.
وانغ، ز. ل.، وسونغ، ج. (2006). مولدات نانوية كهرضغطية تعتمد على مصفوفات أسلاك نانوية من أكسيد الزنك. العلوم 312: 242-246. https://doi.org/10.1177/1045389X18754350. org/10.1126/science.112400
سبونشيوني، م.، بالميرو، يو. سي.، موسكاتيلي، د. (2019). البوليمرات المستجيبة للحرارة: تطبيقات المواد الذكية في توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة. علوم وهندسة المواد، ج 102: 589-605. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.04.069
جو، ز.، ليو، هـ.، داي، و.، لي، ي. (2020). مبادئ الاستجابة وتطبيقات المواد الذكية في الاستشعار الحيوي. المواد الذكية في الطب 1: 54-65. https://doi.org/10.1016/j.smaim. 2020. 07. 001.
دويريج، ت.، بيلتون، أ.، ستوكل، د. 2003. نظرة عامة على التطبيقات الطبية للنيتينول. علم وهندسة المواد: أ، إلسيفير.
تشوداري، ر.، ديشموخ، س.، باتيل، أ.، كولكارني، ب. 2021. مشابك النيتينول ودبابيس الذاكرة الشكلية للتطبيقات الطبية الحيوية. مواد اليوم: وقائع، إلسيفير.
مكابي، ج. ف.، وولس، أ. و. ج.، تايلور، د. ف. 2011. المواد المستخدمة في تقويم الأسنان. مواد طب الأسنان التطبيقية، بلاكويل للنشر.
بيتريني، ل.، ميغلياكا، ف. 2011. التطبيقات الطبية الحيوية لسبائك الذاكرة الشكلية. مجلة علم المعادن، مؤسسة هنداوي للنشر. https://doi.org/10.1155/2011/501483
سيل، ج. ت.، وويبستر، ت. ج. 2008. سبائك وبوليمرات ذاكرة الشكل لتطبيقات تقويم العظام. مجلة أبحاث المواد الطبية الحيوية، الجزء أ، وايلي. https://doi.org/10.1002/jbm.a.31907
جامعة كربلة، مركز المعدات العلمية
سميث، ر.، وكار-نارايان، س. 2022. المواد والأجهزة الكهروضغطية: تطبيقات في الهندسة الطبية الحيوية. المواد المتقدمة، وايلي. https://doi.org/10.1002/adma.202104822
أرناو، أ.، وسواريس، د. 2009. محولات الطاقة الكهروضغطية وتطبيقاتها. سلسلة سبرينغر لأجهزة الاستشعار، سبرينغر. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77508-9
تشيوفاني، ج.، مينسياسي، أ. 2012. المواد النانوية الكهروضغطية للتطبيقات الطبية الحيوية. المواد المتقدمة، وايلي. https://doi.org/10.1002/adma.201201286
ستابلتون، س. إي.، نوه، هـ.، هارتمان، ف. 2016. الكهروضغطية الحيوية: التحفيز الميكانيكي والاستجابة البيولوجية. مواد الرعاية الصحية المتقدمة، وايلي. https://doi.org/10.1002/adhm.201600165
لاي، س.، تيو، ج. س. م.، تشين، إكس. 2021. المواد الكهروضغطية الحيوية في هندسة الأنسجة. أكتا بيوماتيريليا، إلسيفير. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.01.012
كوفاتشي، سي.، وجونتيان، أ. 2020. أساسيات الكهروضغطية وتطبيقاتها. مجلة أجهزة الاستشعار، MDPI. https://doi.org/10.3390/s20020491
بارك، ك. آي.، وسون، ج. هـ.، ووانغ، ز. ل. 2020. آليات الكهروضغطية في المواد غير المتناظرة مركزياً. مجلة المواد الوظيفية المتقدمة، وايلي. https://doi.org/10.1002/adfm.201907572
ستار، ج.، ووانغ، إكس. 2015. الآليات الأساسية للاستقطاب الكهروضغطي. مجلة طاقة النانو، إلسيفير. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.04.001
أون سكيل. 2022. سلوك المواد الكهروضغطية وتشوه الشبكة البلورية. وثائق برنامج المحاكاة OnScale. https://onscale.com
هونيغ، ب.، نيكولز، أ. 1995. الكهروستاتيكا الكلاسيكية في علم الأحياء والكيمياء. مجلة ساينس، 268، 1144-1149.
فيناتزي، ج.، وآخرون. 2015. قنوات الأيونات والتفاعلات الكهروستاتيكية في الأغشية البيولوجية. مجلة بيوكيميكا وبيوفيزيكا أكتا (BBA) – الأغشية الحيوية، إلسيفير.
إيوازومي، ت.، نوبل، د. 1989. الاقتران الكهروميكانيكي في انقباض القلب والعضلات. مجلة طب القلب الجزيئي والخلوي، إلسيفير.
ماخاتادزه، ج. إ. 2017. طي البروتين والتفاعلات الكهروستاتيكية. مجلة الكيمياء الفيزيائية الحيوية، إلسيفير.
ليونغ، س. س.، وآخرون. ٢٠٠٩. تفاعلات الجزيئات الحيوية المشحونة في الأنظمة البيولوجية. مجلة الكيمياء الفيزيائية ب، منشورات الجمعية الكيميائية الأمريكية.
جينيه، س.، وآخرون. ٢٠٠٠. العمليات الكهروستاتيكية المعتمدة على الرقم الهيدروجيني في الأنظمة البيولوجية. مجلة الفيزياء الحيوية، إلسيفير.
دا كوستا ريس، أ.، وأوليفيرا، أ. ل. ٢٠٢٠. التأثيرات الكهروضغطية في تجديد الأنسجة وإعادة تأهيلها. علم وهندسة المواد ج، إلسيفير.
جامعة كربلاء، الجهاز البصري العلمي
سيرولازا، م.، وآخرون. ٢٠١٧. الميكانيكا الحيوية والكهروضغطية في التئام الأنسجة الضامة. الأساليب الحسابية في الميكانيكا الحيوية والهندسة الطبية الحيوية، تايلور وفرانسيس.
ووجنار، ر. ٢٠١٢. الخصائص الكهروضغطية للمواد البيولوجية. أرشيف الميكانيكا، الأكاديمية البولندية للعلوم.
جيانغ، ش.، وآخرون. ٢٠٠٣. الاقتران الكهروميكانيكي في المواد البيولوجية. معاملات IEEE في الموجات فوق الصوتية، والمواد الكهروإجهادية، والتحكم في التردد، IEEE.
بايستروف، ف. س.، وآخرون. ٢٠١٢. الكهروإجهادية في الجهاز العصبي ونقل الأيونات. مجلة النمذجة الجزيئية، سبرينغر.
مارتن، ج. م. ١٩٤١. التأثيرات الكهروإجهادية في الأنسجة البيولوجية. نيتشر، ١٤٧، ٧٣٦-٧٣٧.
تيليغا، ج. ج.، ووجنار، ر. ٢٠٠٢. الكهروإجهادية للمواد البيولوجية القائمة على الكيراتين. أكتا ميكانيكا، سبرينغر.
كابات، ك.، وآخرون. ٢٠٢٠. المواد الحيوية الكهروإجهادية لهندسة الأنسجة والطب التجديدي. المواد الوظيفية المتقدمة، وايلي.
