علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
The Science of Skin: Chemical engineer Zhenan Bao strives to re-create nature’s ultimate electronic system
(Sam Scott – بقلم: سام سكوت)
ملخص المقالة:
حقق مختبر البروفيسور زينان باو على مدى عقدين مكاسب علمية ثابتة، وأصبح ينتج الآن نسخًا أساسية من الجلد الإلكتروني القابل للشفاء ذاتيًا والقابل للتحلل، والذي يمكن أن يعمل عند شده إلى ضعف طوله الأصلي، ولديه حساسية لـ “الإحساس” بخطى الخنفساء، ويمكنه تحويل هذه الإشارات إلى نبضات إلكترونية مفهومة للخلايا العصبية.
( المقالة )
أي شخص خشي يومًا من تمزيق ضمادة – ناهيك عن إعادة تضميد جرح خطير – سيكون لديه تقدير سهل لقيمة اختراع حديث من مختبرات أستاذة الهندسة الكيميائية بجامعة ستانفورد البروفيسور زينان باو وأستاذ الجراحة الفخري غيفري غورتنر. والجهاز النموذجي – ضمادة ذكية تلتصق بالجسم بهيدروجيل (هلام مائي) مرن موصّل – يسقط دون ألم بعيدًا عن الجلد عند تسخينه إلى درجات قليلة فوق درجة حرارة الجسم العادية، على سبيل المثال، بمجفف شعر. وبعدها تأتي المفاجئة.
وهذه فقط إحدى قواها. والضمادة، التي تجمع الطاقة من ترددات الراديو، تتعقب أيضًا علامات الشفاء والعدوى وتستجيب بالتحفيز الكهربائي للإسراع بالشفاء. وفي الدراسات التي أجريت على الحيوانات، أدت الضمادة إلى شفاء أسرع بنسبة 25 في المائة، وزيادة تدفق الدم إلى الأنسجة المصابة، وتقليل التندب. وعلى الرغم من أنها بعيدة عن رفوف الصيدليات – تم بناء النموذج الأولي على نطاق الفئران – إلا أن الإصدارات المستقبلية من الضمادة قد تساعد يومًا ما الأشخاص الذين يعانون من الجروح المزمنة بسبب ضعف جهاز المناعة أو أمراض مثل مرض السكري أو المصابين بحروق. وليس سيئًا بالنسبة للجهاز غير القابل للالتصاق والذي لا يكون هيدروجيله العلاجي أكثر سمكًا من طبقة طلاء مطاط.
والضمادة هي أحد الأمثلة على كيفية قيام البروفيسور باو وزملاؤها بالجمع بين الكيمياء العضوية وهندسة المواد الجديدة لإعادة تخيل الأجهزة الطبية بطرق أكثر قوة وشخصية وغير بارزة. لقد طوروا مستشعرات للقلب تلتصق مثل الطوابع البريدية بالعضو النابض لتحديد مكان الرجفان الأذيني؛ أجهزة استشعار لاسلكية لمراقبة نمو الورم؛ وأجهزة الاستشعار اللينة القابلة للزرع التي تدخل أنسجة المخ والأمعاء بشكل غير ضار لقياس مستويات الدوبامين[1] والسيروتونين[2]. ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة للبروفيسور باو، نظرًا للصعوبات التي واجهتها في مجال الصحة العقلية بين أصدقائها وعائلتها، هو المستشعر اللاصق الذي يطوره مختبرها والذي يقيس موصلية الجلد، وتباين معدل ضربات القلب، ومستويات الكورتيزول – وكلها نتائج طبيعية للقلق والتوتر. ويمكن أن يعطي الأطباء النفسيين مقاييس جديدة لتقييم الاكتئاب.
وبقدر ما قد تكون هذه الأجهزة مثيرة للاهتمام، إلا أنها من بعض النواحي مجرد نتاج ثانوي لملاحقة أعظم شغلت البروفيسور باو منذ انضمامها إلى هيئة التدريس بجامعة ستانفورد في عام 2004. وقد انتهت بما يقرب من عقد من الزمان في مجال الأبحاث الصناعية في مختبرات شركة بيل، حيث كانت رائدة العمل على الإلكترونيات المرنة – بما في ذلك تطوير المواد التي دخلت في أول “ورق إلكتروني” مرن، وهو مقدمة للشاشات القابلة للانحناء التي تُرى الآن في بعض الهواتف الذكية. ومع بداية جديدة في الأوساط الأكاديمية، أرادت البروفيسور باو إعادة تعيين معالمها في المستقبل. وكان أحد زملائها الجدد، أستاذ الهندسة الميكانيكية، البروفيسور مارك كتكوسكي، يبني بعد ذلك صراصير آلية قادرة على تسلق الجدران بمهارة مثل الحشرات الحقيقية. ومع ذلك، افتقرت الحشرات إلى ردود الفعل الحسية الدقيقة لتعرف متى وصلت إلى القمة، وكانت تتراجع إلى الأرض.
وجعل هذا البروفيسور باو مهتمة بإنشاء مستشعرات تشبه الجلد يمكن أن تشعر باللمس. وفي المقابل، سرعان ما بدأت في محاولة تقليد النطاق الأوسع من القوى التي تجعل الجلد النظام الإلكتروني القابل للارتداء النهائي.
؛؛وقد يبدو الجلد عاديًا مثل أكبر عضو لدينا لمن يتجولون فيه دون تفكير، فهو مادة سحرية تقريبًا، قادرة على الاستشعار والتوصيل والانحناء والتمدد والشفاء والتحلل والتواصل مع أدمغتنا؛؛
وتقول البروفيسور باو إنها في البداية كانت قلقة من أنها وضعت هدفًا عالي المقام. هل ستكون محاولة توحيد العديد من الإمكانات في جهاز واحد أكثر من اللازم؟ لكنها قررت أنه من الأفضل أن تكون جريئة. قالت: “اعتقدتُ، إذا لم نحدد هدفًا طموحًا، فلن نصل إليه أبدًا”.
وفي ما يقرب من عقدين منذ ذلك الحين، حقق مختبرها مكاسب ثابتة. وتنتج الآن نسخًا أساسية من الجلد الإلكتروني القابل للشفاء ذاتيًا والقابل للتحلل – يبدو مثل المطاط – والذي يمكن أن يعمل عند شده إلى ضعف طوله الأصلي، ولديه حساسية لـ “الإحساس” بخطى الخنفساء، ويمكنه تحويل هذه الإشارات إلى نبضات إلكترونية مفهومة للخلايا العصبية. والهدف النهائي – الذي يمكن أن يجلب يومًا ما الإحساس للأشخاص الذين يستخدمون الأطراف الصناعية – يظل بعيدًا.
وفي الوقت نفسه، تقول البروفيسور باو، يعمل الجلد كهدف ودافع وإلهام. وتقول: “إنه يتيح لطلابي أن يكونوا أكثر إبداعًا لأنهم يرون أن هذه هي الصورة الأكبر. ثم يمكنهم أن يقولوا: نحن نفتقد هذا الجزء من وظيفة الجلد أو كمادة، فإن الجلد له هذه الخاصية. لماذا لا ندمج ذلك أيضًا؟’”.
وسعياً وراء هذا الهدف الأكبر – لمحاكاة قدرات الجلد – وهو تحقيق مختبرها اختراقات تنتقل إلى أجهزة أصغر، مثل الضمادة الذكية مع الهيدروجيل الموصّل، أو أجهزة قياس ضغط الدم غير الجراحية لحديثي الولادة، والتي تستخدم قدرة مفهوم جلدها الإلكتروني للشعور. ثم يلهم أداء هذه الأجهزة طرقًا لمواصلة تحسين الكيمياء الأساسية وراء المواد المتقدمة للمختبر، وهو مجال البحث الذي يهم البروفيسور باو أكثر من أي اختراع فردي. إنه مدار للتغذية الراجعة ترى البروفيسور باو أنه يؤدي إلى نموذج جديد من الأجهزة الطبية غير البارزة والمستقلة التي تطمس الخط الفاصل بين الإنسان والآلة من خلال العمل بشكل متناغم في المناطق الأكثر حساسية في أجسامنا وداخلها.
الجلد الأصلي
لطالما كان كتاب الخيال مفتونين بفكرة المزج بين الإنسان والتكنولوجيا، بدءًا من جنرال الحرب المشدود في فيلم ادغار ألين بو “الرجل الذي استهلك” (The Man Who Was Used Up) الى استبدال اصطناعي نابض بالحياة لليد التي خسرت للسيف الضوئي لدارث فيدر. وجعل مثل هذه المآثر الخيالية واقعية يأتي مع تحديات خطيرة، ليس أقلها كيفية توصيل الأجهزة بالجهاز العصبي. ولكن حتى الإلكترونيات الحيوية الأكثر تواضعًا، مثل المستشعرات أو الضمادات، تواجه تحديًا أساسيًا آخر: الأنسجة الرخوة والمنحنية والمتحركة للجسم الحي لا تتزاوج جيدًا مع المكونات غير العضوية والهشة وغير العضوية التي تعتبر جوهر معظم التقنيات المتقدمة. واتضح أن الأجهزة تحمل اسمًا جيدًا. كما هو الحال مع رقائق الكمبيوتر، المصنعة من رقاقة السيليكون الصقلي والمرن.
لتجاوز مشكلة التوافق هذه، طور بعض المهندسين – وخاصة عالم المواد البروفيسور جون روجرز (أستاذ علوم وهندسة المواد والهندسة الطبية الحيوية وجراحة الأعصاب) في جامعة نورث وسترن (بمدينة ايفانستون – ولاية الينوي) – طرقًا بارعة لتكييف أجهزة النحاس والسيليكون التقليدية مع الجسم. وقام البروفيسور روجرز، زميل البروفيسور باو في مختبرات شركة بيل، بسك الأشكال الهندسية النانوية – باستخدام أنماط سربنتين[3] وشرائح أكثر رقة – للحث على سلوك مرن في المواد غير المرنة بطبيعتها.
وفي عام 2021، على سبيل المثال، نشر البروفيسور روجرز ورقة بحثية عن أول منظم “عابر” لضربات القلب – وهو نموذج أولي لاسلكي خالٍ من البطاريات تم اختباره على الحيوانات والذي يذوب عند عدم الحاجة إليه، متجنبًا الحاجة إلى إجراء عملية جراحية ثانية لإزالة الجهاز.
وفي الواقع، في حين أن المشابك الذرية المعبأة بإحكام في بلورات السيليكون تشكل طريقًا سريعًا افتراضيًا للشحنات الكهربائية، فإن البوليمرات تشبه إلى حد كبير الطرق الريفية المتعرجة. ولكن العلماء لديهم قدرة أكبر بكثير على العبث بالمواد العضوية القائمة على الكربون – والتي تشمل مواد تركيبية مثل البلاستيك – مقارنة بالمواد غير العضوية مثل السيليكون.
وعلى مدى سنوات من التجارب باستخدام البنية الجزيئية وطريقة ترتيب البوليمرات، ابتكر مختبر البروفيسور باو مواد بلاستيكية ضيقت – وإن لم تكن بالتأكيد – فجوة الأداء مع السيليكون. وعلى حد تعبير البروفيسور باو، لقد سخروا شيئًا يسمى تأثير الحجز النانوي لجعل الطرق الريفية هذه أقل وعورة وتعرجا. وفي الوقت نفسه، تمكنوا أيضًا من جعل المواد قابلة للتمدد وذاتية الشفاء وقابلة للتحلل. النتيجة: أعاد مختبر البروفيسور باو ابتكار الجرأة المألوفة للتقنية – أشباه الموصلات وأجهزة الاستشعار وحتى الدوائر المتكاملة – من البلاستيك المرن القابل للمط بطبيعته.
ويقول البروفيسور جو ديسيمون، أستاذ الهندسة الكيميائية بجامعة ستانفورد: “يتطلب الأمر قدرًا مذهلاً من التصميم، والتصميم الجزيئي، لإنشاء الكيميائيات التي تحقق ذلك. وقد فعلت البروفيسور باو ذلك”.
“أتذكر أنني كنت أفكر منذ فترة طويلة، حسنًا، كما تعلمون، سيكون ذلك مثيرًا للاهتمام، ولكن، يا إلهي، هناك الكثير من الأشياء التي يجب حلها”، يقول البروفيسور كيرتس فرانك، الذي تقاعد مؤخرًا من العمل كأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية. ويضيف: “لقد قامت البروفيسور باو بحلهم جميعًا”.
ومن الناحية العملية، قد يكون للنهج التكيفي للإلكترونيات الحيوية التي أطلقها البروفيسور روجرز تأثير أكبر في العالم الحقيقي على المدى القريب، كما يقول البروفيسور ديسيموني. ومن الأسهل دفع المواد المعروفة إلى حدود جديدة بدلاً من إنشاء مواد جديدة، ناهيك عن تصنيعها على نطاق واسع. ويضيف: “هناك القليل جدًا من قدرة [(البروفيسور) باو] على التأثير. عليها أن تصنعها بنفسها”. وبمرور الوقت، على الرغم من ذلك، يقول: “قد تمثل إلكترونيات البروفيسور باو اللينة والعضوية والمطاطية – وهي أكثر ملاءمة لأنسجتنا الطبيعية وبالتالي تقل احتمالية تحفيز رفض الجسم للأجسام الغريبة – الحل النهائي. هذه هي الطريقة التي يعمل بها الجسم على المستوى الجزيئي”.
ولم تكن مواد وأجهزة البروفيسور باو الجديدة حتى أكثر المفاهيم التي تعمل عليها. فبالتعاون مع أستاذ الهندسة الحيوية والطب النفسي والعلوم السلوكية البروفيسور كارل ديسيروث الحاصل على الدكتوراه في العام 1998 ودكتوراه في الطب في العام 2000، وأستاذة الكيمياء كارولين بيرتوزي، يستكشف مختبر البروفيسور باو تغيير الخلايا وراثيًا لصنع البوليمرات الخاصة بها.
وقد تسمح هذه القدرة للعلماء يومًا ما بتنمية بوليمرات موصلة فوق الخلايا العصبية الخاطئة لعلاج حالات مثل الصرع، أو حتى تطوير أجهزة مثل أجهزة الاستشعار داخل الجسم. وقد يوفر هذا النهج أيضًا طريقة لنسخة مستقبلية من الجلد الإلكتروني للتواصل مباشرة مع عصب معين. وتقول البروفيسور باو:
“إذا تمكنا من اختيار العصب الذي يغير خصائصه الكهربائية، فمن المحتمل أن نتمكن من الاتصال لاسلكيًا بهذا العصب فقط”.
إن حيوية رؤية البروفيسور باو – أن تمضي في طريقها الخاص، لصنع مواد جديدة – جعلتها نقطة جذب لأفضل طلاب الدراسات العليا والباحثين، مثل (البروفيسور) هيلين تران، وهي الآن أستاذة مساعدة في جامعة تورنتو، والتي جاءت إلى مختبر البروفيسور باو بصفتها طالبة ما بعد الدكتوراة، مستهواة بخلاقية البروفيسور باو. وتقول البروفيسور تران: “أردت أن أعمل على أحدث طراز مع من يقوم بالأشياء المجنونة”. وأضافت: “من الممتع أكثر ككيميائي أن تحلم حقًا بهذه الأفكار المجنونة التي تشبه الخيال العلمي. إنها (أي البروفيسور باو) تحاول حقًا تغيير النموذج”.
ويتجاوز التأثير المحتمل الأجهزة الطبية. تخيل، كما تقول البروفيسور تران، يومًا لا تضطر فيه إلى حمل هاتف أو محفظة – يمكنك فقط وضع وشم مؤقت على يدك، أو ارتداء سوار، يمكنه القيام بجميع المهام التي ستؤديها هذه العناصر. وتتابع: “تخيل كل الوظائف ولكن عبئًا أقل عليك. أعتقد أنها تخلق الخطوة الأولى لتحقيق هذا الحلم”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
The Science of Skin | STANFORD magazine
ملاحظة من المترجم: حذفنا من المقالة الجزء الذي غطى شخصية البروفيسور زينان باو ويتعلق بسيرتها الشخصية (أين ولدت وأين تعلمت وتأثير والديها عليها ودورهما في تحديد معالم مستقبلها)، وبطبيعة مقاربتها لأبحاثها الأكاديمية، وعلاقتها بطلبة وطالبات الدراسات العليا والباحثين العاملين معها في مختبرها.
الهوامش:
[1] يُعتبر الدوبامين من الناقلات العصبيّة المُهمّة في الدماغ، حيث إنّه مسؤول عن العديد من الوظائف والأنشطة الرئيسة في جسم الإنسان. ويؤثر على المشاعر، والحركة، والإحساس بالسعادة والألم أيضاً، فهو يعمل على تنظيم المزاج والسلوك والإدراك، ويساعد على اتخاذ القرارات والإبداع. ويرتبط بالشعور بالسرور، ذلك أنّه يعمل على التأثير في مناطق معينة في الدماغ تتحكم بمشاعر السرور والتحفيز والمكافأة، ويتم إنتاجه في خلايا خاصة موجودة في منطقة في أوسط الدماغ تسمى بمادة نيغرا (Substantia Nigra) التي تعتبر منطقة مهمة جداً لدورها في السيطرة على الأعراض الحركية. المصدر: https://altibbi.com [2] السيروتونين (بالإنجليزية: Serotonin)، أو ما يعرف بهرمون السعادة، هو أحد أهم النواقل العصبية الكيميائية التي تستخدمها خلايا الدماغ للتواصل فيما بينها. ويساعد في سلامة وصحة العقل حيث أن بقاءه ضمن المستوى الطبيعي يجعل الإنسان سعيداً، وهادئاً، وأكثر تركيزاً، وأقل قلقاً وأكثر استقراراً عاطفياً. وتعتبر نسبة السيروتونين في الجسم طبيعية إذا كانت بين 101-283 نانوغرام/مل. قد تختلف وحدة النسبة اعتماداً على تحليل هرمون السيروتونين المستخدم. ويؤثر هرمون السعادة على جميع أعضاء الجسم، ومن الأمثلة على وظائف السيروتونين في الجسم حركة الأمعاء والمزاج والغثيان والنوم وتخثر الدم وصحة العظام والوظيفة الجنسية. المصدر: https://altibbi.com [3] نمط سربتين هو نمط مرتب على طول خطوط متموجة (جيبية) تذكرنا بحركات الزواحف. المصدر: https://artlandia.com/wonderland/glossary/SerpentineStripes.html