تثبیت یک اسید آمینه ساده مسیری را به سوی حسگرهای زیست تخریب پذیر باز می کند

توسط Emma Foehringer Merchant، دانشگاه استنفورد

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اسید آمینه متواضع گلیسین - ساده ترین اسید آمینه - در همه جا وجود دارد. بدن انسان آن را تولید می کند و به ساخت پوست، استخوان ها و رباط های ما کمک می کند. در گوشت هایی مانند گوشت گاو یافت می شود و حتی در دنباله دارهایی که از فضا بازگردانده شده اند نیز کشف شده است.

اکنون، محققان استنفورد در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه گلیسین ممکن است مهندسی مواد نسل بعدی، مانند بیوالکترونیک و حسگرهای محیطی را که می‌توانند پس از اتمام کارشان، تجزیه بیولوژیکی شوند، امکان‌پذیر کند. مقاله جدیدی در Advanced Functional Materials، مواد جدیدی را معرفی می کند که توسط تیمی در دانشکده مهندسی طراحی شده است که به موانع سرسخت در مسیر دستیابی به دستگاه های پزشکی برق دار مبتنی بر گلیسین می پردازد.

ویویان فیگ، استادیار مهندسی مکانیک در دانشکده مهندسی و نویسنده ارشد مقاله، می‌گوید: «گلایسین واقعا جالب است زیرا بسیار فراوان است. ما می دانیم که چگونه آن را پردازش کنیم، بدن ما می داند که چگونه آن را تجزیه کند، و ارزان و واقعا در دسترس است.

آزمایشگاه Feig بر توسعه مواد کاربردی پویا برای استفاده در پزشکی متمرکز است، مانند مواد جدیدی که در طول زمان در بدن تجزیه می شوند یا می توانند از طریق روش های کم تهاجمی معرفی شوند.

فیگ می‌گوید: «زمانی که در حال ساخت مواد جدید هستیم، به کل طول عمر عملکرد یک دستگاه و همچنین محدودیت‌های عملی در مورد نحوه استقرار آن فکر می‌کنیم. ما سعی می‌کنیم از بلوک‌های ساختمانی بسیار تثبیت‌شده و ایمن همراه با رویکردهای نوآورانه برای مهندسی مواد استفاده کنیم تا به مواد آشنا ویژگی‌های استثنایی یا بدیع بدهیم تا موارد استفاده‌ای را که قبلا وجود نداشته است باز کنیم.»

این کار بخشی از تحقیقات آنها در مورد استفاده از خواص پیزوالکتریک گلیسین - توانایی آن در تولید انرژی از تنش مکانیکی است. دستگاه های پیزوالکتریک در محصولات خانگی مانند زنگ هشدار دود و ساعت، مانیتورهای محیطی و دستگاه های پزشکی مورد استفاده برای تصویربرداری اولتراسوند یا به عنوان حسگرهای تشخیصی استفاده می شوند.

دانشمندان قبلا متوجه شده بودند که گلیسین می تواند یک ماده پیزوالکتریک فوق العاده خوب بسازد. اما اشکالات مهمی نیز دارد: هنگامی که با آب تماس پیدا می کند، در عرض چند ثانیه متلاشی می شود و شکل کریستالی که ماده به طور طبیعی ترجیح می دهد، اصلا پیزوالکتریک نیست.

"طبیعت و بدن ما می توانند آن را دفع کنند. اما چگونه از پتانسیل آن استفاده کنیم؟" گفت فیگ. ما باید بسیاری از مشکلات مختلف را حل می کردیم.

محققان راه حل های مختلفی برای عیوب گلیسین ارائه کردند. اول، برای حفظ گلیسین در شکل پیزوالکتریک مطلوب، فیگ و همکارانش یک فرآیند مهندسی جدید ایجاد کردند که یک میدان الکتریکی را در زمانی که گلیسین در زیر محصور شدن نانو متبلور می‌شود، اعمال می‌کند.

این فرآیند ذرات را در فضاهای بسیار کوچک جدا می کند و در این مورد، کریستال های گلیسین را با قطبیت هم تراز می کند و به آنها اجازه می دهد تا خواص پیزوالکتریک خود را حفظ کنند. آنها همچنین تثبیت کننده های مولکولی را به دم کرده اضافه کردند تا از انتقال گلیسین به فاز کریستالی که پیزوالکتریکی آن را خنثی می کند، جلوگیری کنند، در حالی که مواد را به اندازه کافی برای استفاده بالقوه در بدن انسان انعطاف پذیر نگه می دارند.

برای در نظر گرفتن اینکه چگونه ممکن است این ماده را توسعه دهند، این تیم استراتژی های مهندسی را از تحقیقات گذشته Feig در تحویل تاخیری دارو به عاریت گرفتند. فیگ توضیح داد که بسیاری از داروها به آسانی مانند گلیسین در آب حل می شوند، بنابراین دانشمندان و شرکت های داروسازی آنها را در پلیمرهایی محصور می کنند که کندتر تجزیه می شوند.

تخریب گلیسین بخشی از چیزی است که آن را به یک ماده مطلوب تبدیل می کند، اما فقط تا زمانی که این فرآیند کند و قابل کنترل باشد. محققان با استفاده از یک ماتریس پلیمری، تجزیه گلیسین را به حدی کاهش دادند که پس از 60 روز، مخلوط آنها عملکرد پیزوالکتریک را حفظ کرد. با آزمایش‌های بیشتر، این تیم انتظار دارد که خواص پیزوالکتریک آن حتی بیشتر دوام بیاورد.

ژومین ژانگ، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه فیگ و اولین نویسنده مقاله، گفت: پیشرفت این تیم در پایداری مواد و تشکیل کریستال نشان‌دهنده یک جهش بزرگ است.

ژانگ گفت: «وقتی به دستاوردهایمان فکر می‌کنم، بسیار هیجان‌زده می‌شوم زیرا به یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های محدود کردن استفاده از مواد پیزوالکتریک مبتنی بر گلیسین پرداختیم.» این کار میدان را یک قدم به سمت کاربردهای زیست پزشکی عملی نزدیک‌تر می‌کند، جایی که پایداری طولانی‌مدت در محیط‌های فیزیولوژیکی ضروری است.

در مرحله بعد، تیم امیدوار است که پایداری این ماده را در محیط‌های شدیدتر آزمایش کند: برای مثال، در دمای بدن انسان، و در محیط‌های مختلف pH که شرایطی مانند دستگاه گوارش را نشان می‌دهد. محققان در حال بررسی همکاری با دانشکده پزشکی هستند، جایی که محققان علاقه مند به حسگرهای زیست تخریب پذیر هستند که می توانند جایگزین دستگاه های نظارتی فعلی مورد استفاده پس از عمل جراحی یا ایمپلنت شوند. آنها همچنین برای افزایش پایداری و پیزوالکتریک به کار خود ادامه می دهند و قابلیت های مواد را بیشتر می کنند.

فیگ گفت: «اکنون ما یک پلتفرم واقعا خوب داریم که بتوانیم برای این زمینه‌های مختلف تنظیم و دوباره بهینه‌سازی کنیم.

ژئومین ژانگ و همکاران، پیزوالکتریک های پایدار در آب، زیست تخریب پذیر و انعطاف پذیر مبتنی بر گلایسین از طریق مهندسی کامپوزیت در مقیاس چندگانه، مواد عملکردی پیشرفته (2026). DOI: 10.1002/adfm.78513

اطلاعات مجله: Advanced Functional Materials

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →