مستوحاة من العنكبوت المائي (Argyroneta aquaticaspider)، قام الباحثون بتطوير سطح كاره للماء للغاية بهيكل ثابت يمكن أن يستمر لعدة أشهر تحت الماء. يمكن استخدام هذه الأسطح في مجالات الطب الحيوي، مثل تقليل الالتهابات الجراحية، وفي المجالات الصناعية، مثل منع تآكل الأنابيب.
يعيش أحد أنواع العناكب حياته بأكملها تحت الماء، على الرغم من أن رئتيه لا تستطيعان سوى تنفس الأكسجين الجوي. كيف يتم ذلك؟ يحتوي العنكبوت، المسمى Argyroneta aquatica، على ملايين الشعر الخشن الكاره للماء على جسمه. تحبس هذه الشعيرات الهواء حول جسمها، وتشكل خزانًا للأكسجين وتعمل كحاجز بين رئتي العنكبوت والماء.
يحاول علماء المواد استغلال هذه الطبقة الواقية الرقيقة من الهواء منذ عقود. يؤدي القيام بذلك إلى إنشاء أسطح مقاومة للماء للغاية تحت الماء تمنع التآكل ونمو البكتيريا والتصاق الحياة البحرية والتلوث الكيميائي وغيرها من التأثيرات الضارة للسوائل على الأسطح. ولكن اتضح أن الدعامات غير مستقرة للغاية تحت الماء ولا يمكنها البقاء جافة على السطح إلا لبضع ساعات في المختبر.
الآن، قام فريق من الباحثين بقيادة كلية هارفارد جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS)، ومعهد ويس للهندسة المستوحاة بيولوجيًا في جامعة هارفارد، وجامعة فريدريش ألكسندر في إرلانجن نورمبرغ في ألمانيا، وجامعة آلتو في فنلندا، بتطوير سطح فائق الكارهة للماء مع غشاء بلازما مستقر يمكن أن يبقى في الماء لعدة أشهر. تتمثل الإستراتيجية العامة للفريق في إنشاء أسطح طويلة الأمد مقاومة للماء للغاية تحت الماء تطرد الدم وتقلل أو تمنع بشكل كبير التصاق البكتيريا والكائنات البحرية مثل البرنقيل وبلح البحر، مما يفتح مجموعة من التطبيقات في الطب الحيوي والصناعة.
قالت جوانا أيزنبرج، أستاذة علم المواد في جامعة إيمي سميث بيرلسون وأستاذة الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في SEAS، وهي مؤلفة مشاركة في الدراسة: "إن أبحاث المواد المستوحاة من الحياة هي مجال مثير للغاية ويستمر في تقديم حلول أنيقة تطورت في الطبيعة إلى عالم المواد التي يصنعها الإنسان، مما يسمح لنا بتقديم مواد جديدة بخصائص لم يسبق لها مثيل". "توضح هذه الدراسة أن الكشف عن هذه المبادئ يمكن أن يؤدي إلى تطوير الأسطح التي تظل كارهة للماء للغاية في الماء."
Aizenberg هو أيضًا عضو هيئة تدريس مشارك في معهد Wyss. ونُشر البحث في مجلة Nature Materials.
لقد عرف الباحثون منذ 20 عامًا أن وجود هيكل مستقر تحت الماء أمر ممكن من الناحية النظرية، ولكن حتى الآن، لم يتمكنوا من إثبات ذلك تجريبيًا.
واحدة من أكبر مشاكل الدعامات هي أنها تتطلب سطحًا خشنًا لتكوينها، مثل شعيرات Argyroneta aquatica. لكن هذه الخشونة تجعل السطح غير مستقر ميكانيكيًا، وعرضة لأي اضطرابات صغيرة في درجة الحرارة، أو الضغط، أو عيوب صغيرة.
السطح الأيروفيلي، المصنوع من سبيكة تيتانيوم شائعة الاستخدام وغير مكلفة، يحتوي على غشاء بلازمي متين ويظل جافًا بعد نقعه مئات المرات في أطباق زرع الدم. مصدر الصورة: ألكسندر ب. تيسلر/فريدريش ألكسندر-جامعة إرلانجن-نورنبرغ
التقنيات والاكتشافات المبتكرة
التقنيات الحالية لتقييم الأسطح فائقة الكارهة للماء المنتجة صناعيًا تأخذ بعين الاعتبار عاملين فقط، لا يوفران معلومات كافية حول استقرار جزيئات الهواء تحت الماء. أيزنبرج، جاكو ف. تيمونين وروبن هـ. قام راس من جامعة آلتو، وألكسندر ب. تيسلر وولفجانج جولدمان من جامعة فلوريدا وفريقهم بتحديد المزيد من العوامل، بما في ذلك خشونة السطح، والكارهة للماء لجزيئات السطح، وتغطية السطح، وزاوية التلامس وغيرها من المعلومات.
باستخدام هذا النهج الجديد وتقنية التصنيع البسيطة، قام الفريق بتصميم ما يسمى بالسطح المحب للهواء باستخدام سبيكة تيتانيوم شائعة الاستخدام وغير مكلفة تحتوي على غشاء بلازمي طويل الأمد يحافظ على السطح جافًا لآلاف الساعات أفضل من التجارب السابقة، بل ويدوم أكثر من أغشية البلازما للأنواع البيولوجية.
قال تيسلر، الذي عمل كزميل ما بعد الدكتوراه في SEAS ومعهد ويس وهو المؤلف الأول للبحث: "لقد استخدمنا طريقة توصيف طورها المنظرون قبل 20 عامًا لإظهار أن سطحنا مستقر، مما يعني أننا لم نصنع فقط نوعًا جديدًا من الأسطح الطاردة للغاية والمتينة للغاية والمقاومة للماء، ولكن لدينا أيضًا طريقة للقيام بذلك مرة أخرى باستخدام مواد مختلفة".
ولإثبات ثبات العمود، أجرى الباحثون اختبارات مختلفة على سطحه، مثل ثنيه، ولفه، ورشه بالماء الساخن والبارد، وصقله بالرمل والفولاذ لمنع سطحه من البقاء محبًا للهواء. تم نقعه في الماء لمدة 208 أيام ومئات المرات في أطباق بتري الدم. فهو يقلل بشدة من نمو الإشريكية القولونية والبرنقيل على سطحه ويمنع بلح البحر من الالتصاق تمامًا.
وقال ستيفان كولي، المؤلف المشارك للورقة البحثية، وهو طالب دراسات عليا في SEAS: "إن استقرار هذا النظام وبساطته وقابليته للتوسع يجعله ذا قيمة كبيرة للتطبيقات العملية". "من خلال طريقة التوصيف الموضحة هنا، نعرض مجموعة أدوات بسيطة لتحسين الأسطح شديدة الكارهة للماء لتحقيق الاستقرار، مما يغير مساحة التطبيق بشكل كبير."
وقال جولدمان، كبير مؤلفي الورقة والباحث السابق في جامعة هارفارد، إن مساحة التطبيق هذه تشمل تطبيقات طبية حيوية للحد من التهابات ما بعد الجراحة أو كغرسات قابلة للتحلل مثل الدعامات. ويمكن استخدامه أيضًا تحت الماء لحماية الأنابيب وأجهزة الاستشعار من التآكل. وفي المستقبل، يمكن أيضًا دمجها مع طبقات زلقة للغاية تسمى SLIPS (الأسطح المسامية المملوءة بالسائل) والتي طورتها آيزنبرغ وفريقها منذ أكثر من عقد من الزمن لزيادة حماية الأسطح من التلوث.