ساخت موجودات میکروسکوپی «شبه‌زنده» با استفاده از پلیمرهای هوشمند

در دنیایی که اتوماسیون و سیستم‌های هوشمند در حال تسخیر صنایع گوناگون هستند، پلیمرهای هوشمند (Smart Polymers) تنها دسته‌ای از مواد به شمار می‌روند که خاصیت هوشمندی را به شکلی ذاتی در ساختار مولکولی خود دارند. این مواد پلیمری پیشرفته می‌توانند مشخصات فیزیکی و شیمیایی خود را بر اساس تغییرات محیط پیرامون تغییر دهند؛ قابلیتی منحصر‌به‌فرد که کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های بیوتکنولوژی، تجهیزات زیست‌پزشکی و نانومواد ایجاد کرده است.

به‌تازگی تیمی از پژوهشگران دانشگاه هایدلبرگ آلمان (Heidelberg University) با بهره‌گیری از فناوری پرینت سه‌بعدی و پلیمرهای محرک‌پذیر، استراتژی نوآورانه‌ای برای تولید ریزساختارهای سه‌بعدی «شبه‌زنده» ابداع کرده‌اند که چشم‌انداز تازه‌ای پیش روی دنیای میکرو‌ربات‌ها و مهندسی پزشکی قرار می‌دهد.

ریزساختارهایی که رشد می‌کنند و تغییر فاز می‌دهند!

ویژگی شگفت‌انگیز این فناوری جدید در توانایی «رشد» و «تغییر خواص مکانیکی» ریزساختارها پس از فرآیند چاپ نهفته است؛ ویژگی‌هایی که پیش از این صرفاً در ارگانیسم‌های زنده مشاهده می‌شد.

تیم پژوهشی تحت هدایت دکتر بلاسکو (Blasco) موفق شد با استفاده از واکنش‌های شیمیایی هدفمند، خواص مکانیکی قطعات چاپ‌شده به کمک طراحی کامپیوتری (CAD) را پس از خروج از پرینتر به دلخواه کنترل و تنظیم کند.

مکانیزم پلیمریزاسیون؛ رشد ۸ برابری در عرض چند ساعت

یکی از فرآیندهای کلیدی در این پژوهش، استفاده از واکنش «گسترش زنجیره پلیمریزاسیون با واسطه نیتروکسید» (NMP) بود:

• تغذیه با مونومرهای جدید: با افزودن مونومرهای مکمل به نمونه‌های از پیش چاپ‌شده، شبکه پلیمری آغاز به گسترش درون‌ساختاری کرد.
• افزایش ابعاد بدون تغییر شکل: این قطعات توانستند تنها ظرف چند ساعت تا ۸ برابر حجم اولیه خود رشد کنند، بدون اینکه هندسه و فرم میکروسکوپی اولیه‌شان از دست برود.
• افزایش سفتی و استحکام مکانیکی: همگام با این رشد ابعادی، ساختار الاستیک و اولیه ماده به حالت سخت‌تر و مستحکم‌تر تغییر حالت داد.

چشم‌انداز کاربرد: از مواد قابل‌برنامه‌ریزی تا جراحی‌های کم‌تهاجمی

به گفته دکتر بلاسکو:

«تولید مواد پلیمری قابل‌برنامه‌ریزی که خواص مکانیکی آن‌ها بر اساس تقاضا و نیاز کاربر دگرگون شود، یکی از بزرگ‌ترین اهداف مهندسی مواد معاصر است.»

ریزساختارهای زنده مبتنی بر پلیمرهای هوشمند می‌توانند در آینده نزدیک به عنوان پایه‌ای برای کاربردهای زیر به‌کار گرفته شوند:

1. میکروربات‌های پزشکی: ربات‌های مینیاتوری زیستی جهت دارورسانی هوشمند هدفمند درون رگ‌ها و بافت‌ها.
2. داربست‌های زیستی پویا: بسترهایی در مهندسی بافت که با رشد سلول‌ها بزرگ‌تر و مستحکم‌تر می‌شوند.
3. حسگرهای فعال میکروسکوپی: آشکارسازهایی با واکنش سریع مکانیکی به تغییرات دما، $pH$ و نور محیط.

Ref. Making lifelike, 3D-printed microscopic creatures from smart polymers – Canadian Plastics Canadian Plastics