חלקי חילוף לגוף
03/06/2020
פעמים רבות כאשר הגוף עובר פגיעה, הוא נזקק לתמיכה בזמן הריפוי - שתחליף זמנית את החיזוק שמספקות עצמות או סחוסים, בצורת תותבים פנימיים. התקנת תותבים בתוך הגוף הינה אתגר, כזה שדורש שנמצא חומר חזק, שאינו מזיק, ושגם יהיה קל להוציא אותו. מה יכול להיות טוב יותר מתותב מותאם אישית, מחומר חדשני ולא מזיק, וכזה שמתכלה מעצמו?
מי שעובר בזמן האחרון בקמפוס של אוניברסיטת תל-אביב רואה תנופת בנייה – הרבה בניינים חדשים מוקמים, בורות נחפרים ליסודות, פיגומים נבנים...רגע, למה פיגומים? אין פיגומים בשום בניין גמור.
הבניין הגמור תוכנן כך שיעמוד בכוחות עצמו. אבל בעודו נבנה, חלקים ממנו נזקקים לתמיכה עד שייבנו החלקים התומכים הקבועים, ואילו לחלקים אחרים צריך לאפשר גישה נוחה לבנאים – גישה שלא תידרש בבניין המוגמר – ולשם כך דרושים פיגומים. הפיגומים הם זמניים ויוסרו בתום הבנייה, כשלא יהיו נחוצים יותר.
גם הגוף האנושי זקוק לפעמים לפיגומים – יודע כל מי ששבר עצם והסתובב מגובס. גבס הוא פיגום חיצוני, שקל להציב ולהסיר. אבל לפעמים זה לא מספיק, והחלק הפגוע דורש חיזוק פנימי – מסמרי טיטאניום, אולי אפילו תותבים. שימוש בפיגומים פנימיים יוצר שלוש בעיות עיקריות: אם אמרנו שפיגום הוא זמני – הרי שיידרש ניתוח כדי להוציא פיגום פנימי מהגוף, וניתוחים הם מקור לסיבוכים אפשריים. בנוסף, אם נשאיר את הפיגום במקומו – הרי יש לנו עצם זר בגוף, ועלינו לדאוג שלא יזדהם, יתקלקל, או ירעיל את הגוף. הסיבוך השלישי קשור לכך שהפיגום עלול להפריע לגוף לתקן את עצמו. הגוף בונה את עצמו בעיקר בתגובה למאמץ חיצוני (תחשבו מה אתם צריכים לעבור כדי "לפתח שריר"). אם הפיגום נושא ברוב המאמץ, החלק המתוקן שייבנה יהיה חלש מדי.
אבל מה אם הפיגום ייעלם בהדרגה? כך הוא יוכל להעביר בהדרגה את העומס לאיבר בתהליך התיקון, כל פעם קצת, אף פעם לא מעבר לכושר הנשיאה הנוכחי, ובסוף התהליך נישאר עם איבר שלם, בלי לנתח כדי להוציא פיגומים, ובלי גופים זרים איפה שלא צריכים להיות כאלה. זה השלב שבו הולכים למהנדסי החומרים ושואלים אותם "איזה חומר יכול להיות לא רעיל, חזק מספיק להחליף חלקי מבנה בגוף, ומתפרק בקצב ידוע ונשלט?"
מהנדסי החומרים מגרדים קצת בפדחתם. פּולִי-חומצת חלב (PLA, בקיצור) הוא פולימר מתכלה ביולוגית, לא רעיל, ואפשר לשלוט בקצב ההתפרקות שלו אם מתכננים מראש את המבנה הגבישי שלו. עוד בונוס חביב שיש לחומר הזה: מדובר בחומר הנפוץ ביותר בשימוש במדפסות תלת-ממד ביתיות. כלומר – ניתן להתאים את הפיגום ספציפית לאדם הזקוק לו על ידי כך שבונים מהפולימר את הצורה המתאימה. הבעיה היחידה היא שגם יחסית לפולימרים, ובטח יחסית לעצמות וסחוסים, PLA הוא חומר רך וחלש מדי.
טוב, אומרים מהנדסי החומרים, זו נקודת מוצא לא רעה. בואו נחשוב על דרכים לחזק את ה-PLA. אבל רק כאלה שלא יפריעו לו להתפרק ולא יהיו רעילות, אומרים אנשי הרפואה. מהנדסי החומרים שוב מגרדים בפדחתם. התקלתם אותנו.
ואז הם נזכרים בננו-צינוריות - עצמים ארוכים וחלולים שהקוטר שלהם נמדד במליארדיות מטר (שעליהן כבר כתבנו [1]). בננו-צינוריות פחמן (החומר החביב עליי) אי אפשר להשתמש מאחר וחלקן ידוע כבר כמזיק לתאים בגוף. תידרש הרבה עבודה כדי לשכנע את אנשי הרפואה שאפשר להשתמש בסוג ספציפי, ושהוא בטוח לשימוש. אבל פחמן הוא לא החומר היחיד שיכול ליצור ננו-צינוריות, ומהנדסי החומרים מציעים לשריין את הפולימר בננו-צינוריות מחומר אחר - טונגסטן דו-גופרי. טונגסטן דו-גופרי הוא חומר שכבתי (כמו גרפיט), שהמבנה הבסיסי שלו הוא "סנדוויץ'" של שכבה של אטומי טונגסטן בין שתי שכבות של אטומי גופרית. בשל האינטראקציה בין האטומים האלה, טונגסטן טעון חיובית בעוד שגופרית טעונה שלילית. עובדה זו עוזרת לפזר את הצינוריות בתוך הפולימר, כי אם שני "סנדוויצ'ים" נצמדים זה לזה, הם מפנים אחד לשני את הצד השלילי שלהם, מה שגורם לצינוריות להחליק זו על גבי זו וקל, יחסית, לפזר אותן בפולימר. מצד שני, כיוון שננו-צינורית תהיה, לכל אורכה, שכבה אחת בלבד – אנחנו שוב מקבלים חומר מאוד חזק, שיכול להקשות פולימרים רכים. נקבל גם את הבונוס הבא: בניגוד לצינוריות פחמן, צינוריות טונגסטן דו-גופרי יוצאות מהגוף בלי ליצור איתו אינטראקציה או להפריע לשום דבר בדרך. הפולימר יתפרק, הננו-צינוריות שישתחררו יפונו בלי פגע, ואנשי הרפואה יקבלו את הפיגום המתכלה שלהם.
רגע, רגע, אומרים מהנדסי החומרים לרופאים: רציתם להכין את הפיגום שלכם במדפסת תלת-ממד, לא? מי אמר לכם שאתם יכולים?
ובכן, אנחנו אמרנו. ״אנחנו״ הם אני ופרופ' רשף טנא ממכון ויצמן למדע, ובעיקר סטודנטית המחקר המשותפת שלנו – הילה שלום. ו"אמרנו" זה פרסמנו מאמר בכתב העת לגישה חופשית מבית "נייצ'ר" – סיינטיפיק ריפורטס [2]. מה שעשינו היה לערבב PLA עם חצי אחוז, בערך, של ננו-צינוריות טונגסטן דו-גופרי, ואז הדפסנו דוגמאות ובדקנו שני דברים: מה עושה תוספת הננו-צינוריות, ומה עושה תהליך ההדפסה עצמו.
לשמחתנו גילינו שלהדפיס PLA עם ננו-צינוריות זה בדיוק כמו להדפיס PLA בלי ננו-צינוריות, שזה אומר שכל ילד עם מדפסת יכול. אני חייבת לציין שאותי זה קצת הפתיע, כי נסיונות להדפיס PLA עם גרפן, למשל, דורשים כוונון קפדני של תנאי ההדפסה, אחרת המדפסת נסתמת, הפולימר נשבר, או שהדגמים יוצאים מעוותים. פרופ' טנא – מגלה ננו-צינוריות הטונגסטן הדו-גופרי – דווקא לא התרגש: "יש להן תכונות ריאולוגיות מצוינות" ("ריאולוגיה" היא מדע תכונות הזרימה. דיברנו על זה פעם כשהתעסקנו בקקי [3]).
עוד לשמחתנו גילינו, שחצי אחוז משקלי (חמישה גרמים של ננו צינוריות על כל קילו של פולימר) מספיק בשביל לשפר בעשרות אחוזים את התכונות המכניות של PLA – מקדם אלסטיות, חוזק מתיחה ומעוות בכשל. בתרגום לשפת היומיום זה אומר שצריך להשקיע יותר כוח כדי למתוח PLA עם ננו-צינוריות מאשר בלעדיהן, צריך להשקיע יותר כוח כדי לשבור אותו, והוא יכול להתעוות יותר לפני שהוא נשבר.
אבל מה שבעיניי הכי מגניב זה שגילינו שתהליך ההדפסה שהשתמשנו בו – שבו מתיכים סליל של פולימר ו"מורחים" שכבות מותכות זו על גבי זו – למעשה עוזר לננו-צינוריות להתפזר באופן אחיד יותר בפולימר. מבחינתי זה אומר שמצאתי דרך קלה ונוחה ליצור חומר ננו-מרוכב אחיד והומוגני – וזה שיפור, מאחר וזה מאפשר לנו לחזות את התכונות שלו ביתר דיוק, שזה באופן כללי בכלל לא פשוט.
השיטה הנוכחית עדיין לא מייצרת ״פיגום״ חזק מספיק בשביל לשמש כתחליף עצם (זה השלב הבא במחקר), ועוד לא בדקנו כמה זמן בדיוק לוקח לו להתפרק בתוך הגוף (כי אנחנו אנשי חומרים, ולא מבינים כלום בביולוגיה - הביולוגים הם אלה שאמרו לנו מראש שהוא מתפרק ובטוח). החומר הזה הוא מועמד טוב לתותבים זמניים מבוססי סחוס, בעיקר כאלה שדורשים התאמה אישית – נגיד, אוזניים, או אף.
בתמונה: מנכ"ל @מדע גדול, בקטנה מדגמן אוזן מודפסת, עשויה PLA מרוכב עם ננו-צינוריות טונגסטן דו-גופרי. לא רע בשביל פעם ראשונה, נכון?
לקריאה נוספת ומקורות:
1) כתבה קודמת על ננו-צינוריות פחמן מאת הכותבת
2) המאמר המקורי בסיינטיפיק ריפורטס מבית נייצ׳ר
חברה בוועד המנהל של העמותה. חברת סגל במחלקה למדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב. מחקרה של נעה מתמקד במדידת תכונותיהם המכניות והחשמליות של חומרים מרוכבים, בדגש על ננו-צינוריות פחמן.
