כימאים מהאוניברסיטה העברית פיתחו שיטה להדפיס ג'לים על בסיס מים להתקנים רפואיים, בלי צורך בהוספת ממסים רעילים
תחום ההדפסה התלת-ממדית צובר תאוצה רבה בשנים האחרונות, בין השאר בייצור שתלים רפואיים והתקנים יחודיים למחקר ביולוגי. תת-תחום ייחודי הוא ההדפסות בתוך תמיסה. השיטה מבוססת על תהליך מקומי של יצירת פולימרים, בלי צורך להזריק את החומר המודפס.
בשיטה הזו ממיסים את המונומרים (אבני הבניין של הפולימר), ומוסיפים לתמיסה פוטואיניציאטורים, כלומר חומרים שמתחילים תגובה כימית כשמקרינים עליהם אור באורך גל מסוים. במקרה הזה הפוטואיניציאטורים מגיבים לקרינה על-סגולה (UV), והקרן הדקיקה יכולה לפגוע בכל נקודה באמבט התמיסה. כשהקרן מאירה נקודה מסוימת, הפוטואיניציאטורים גורמים למונומרים להתחבר זה לזה ליצירת פולימר, וכך נוצר העצם התלת-ממדי שאנו מדפיסים.
הבעיה מתחילה כשרוצים להדפיס הידרוג'לים – חומרים מוצקים על בסיס חומר פולימרי ומים, שיש להם שימושים רבים בהנדסה ביו-רפואית. למשל, כשרוצים לייצר איברים מלאכותיים במעבדה צריך שלד מוצק שעליו יישבו התאים, ואם אין שלד טבעי כזה אפשר להדפיס אותו.
הידרוג'לים יש להדפיס בתוך מים, ולא בתמיסות אחרות. אחדים מהחומרים המקובלים לשימוש בהדפסה באמבט רעילים לתאים, כך שאין להם תועלת ביישומים רפואיים כאלה. הבעיה היא שהפוטואיניציאטורים, הדרושים ליצירת הפולימר בתוך המים, הם חומרים אורגניים שכמעט אינם מסיסים במים. כתוצאה מכך אי אפשר להשתמש בהם להדפסה בסביבה מימית, אלא אם כן מוסיפים ממסים, שרובם רעילים גם הם לתאים, ולכן אינם מתאימים להדפסת עצמים לשימוש ביולוגי או רפואי.
מים הם סוג של ממס קוטבי. כלומר, הם ממיסים חומרים שמתפרקים לשני קטבים – מרכיב בעל מטען שלילי ומרכיב בעל מטען חיובי. מלח שולחן, למשל, מורכב מנתרן וכלור ולכן הוא מתמוסס במים בקלות. הנתרן בעל המטען החיובי נמשך לחמצן השלילי במים, והכלור בעל המטען השלילי מגיב עם המימן של המים. רוב הפוטואיניציאטורים המסחריים הם חומרים אורגניים, שאינם מתפרקים לחומר שלילי וחיובי ואינם מגיבים עם המים, כשם שמולקולות שמן אינן מתערבבות עם המים אלא יוצרות טיפות משלהן.
כאן נכנס לתמונה פרופ' שלמה מגדסי, מהמכון לכימיה והמרכז לננו-טכנולוגיה באוניברסיטה העברית בירושלים. מעבדתו עוסקת בתחום ההדפסה התלת-ממדית ובפיתוח ננו-חלקיקים אורגניים לתעשיית התרופות והקוסמטיקה. במחקר שהתפרסם בכתב העת Science Advances שילבו את שני התחומים כדי ליצור פוטואיניציאטורים מסיסים, או ליתר דיוק מורחפים בקלות במים.
כדי לעשות זאת, השתמשו מגדסי ועמיתיו בננו-חלקיקים המתאימים לפיזור במים. הם פיתחו תהליך ליצירת אבקת ננו-חלקיקים המורכבים ממולקולות הפוטואיניציאטור. כל גרגיר של אבקה כזו מכיל אלפי מולקולות של פוטואיניציאטור, מצופה בחומר מסיס במים. את האבקה אפשר לפזר בקלות במים, והפוטואיניציאטורים שומרים שם על תכונותיהם הכימיות ומזרזים יצירה של פולימרים בתגובה לקרינה המתאימה.
הדפסה מדוייקת. פרחי הידרוג'ל שהדפיסה קבוצת המחקר | צילום באדיבות פרופ' מגדסי
פוטנציאל כלכלי
במחקר השתתפו ד"ר אמול אשוק פאוואר (Pawar), ד"ר לירז לרוש ותלמידי המחקר עידו קופרשטיין וגבי סעדה, ובשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ' נמג'ון צ'ו (Cho) מהאוניברסיטה הטכנולוגית של סינגפור (NTU). החוקרים כבר הגישו בקשה לרישום פטנט בארה"ב על הפיתוח, בשל הפוטנציאל הכלכלי הרחב שלו. "השיטה יכולה לעבוד עם מגוון רחב של פוטואיניציאטורים, ויש לה יישומים בהדפסה תלת-ממדית של פיתוחים במגוון תחומי הביולוגיה והרפואה", אומר מגדסי לאתר מכון דוידסון.
הפוטנציאל של הפיתוח החדש אינו מוגבל רק לתחומים האלה, וגם לא רק להדפסה תלת-ממדית. "רבים מהחומרים המשמשים בהדפסת שלטי חוצות ענקיים והדפסות מסחריות אחרות הם חומרים מתפלמרים שאינם מסיסים במים, בין השאר בגלל בעיית הזמינות של פוטואיניציאטורים מסיסי מים", אומר מגדסי, "כך שאת הפתרון המוצע יהיה אפשר ליישם בשוק בעל פוטנציאל רחב".
בשלב הבא מקווים במעבדה של מגדסי להתקדם להדפסה בארבעה ממדים. כלומר חומר תלת-ממדי עם מה שהם מכנים "דרגת חופש נוספת". טכנולוגיות כאלה עשויות לנצל את התכונות של הידרוג'לים לספוח מים, ולייצר גופים שמסוגלים למשל לשנות צורה במגע עם מים, או להתחיל לנוע באופן מסוים. בהמשך יוכלו חומרים כאלה אפילו לנוע בתגובה לשינוי הלחות או הטמפרטורה. "הטכנולוגיות האלה עוד קצת רחוקות", אומר מגדסי, "אבל זה הצעד הראשון לקראתן".
