חוקרים פיתחו הידרוג'ל עמיד במיוחד, שמתמודד בהצלחה עם לחצים מכניים חזקים מאוד וחוזר בסוף למצבו המקורי
הידרוג'לים הם חומרים מרתקים: ג'לים רכים מבוססי מים שיש להם פוטנציאל יישומי רב בתחומים רבים, כגון פיתוח רובוטים רכים, יצירת רקמות גוף מלאכותיות והכנת חומרים מתקדמים לריפוי פצעים. ההבטחה הגדולה נובעת מהשילוב הייחודי שהם מציעים בין רכות וגמישות, לצד קשיחות ותכונות יוצאות דופן כמו היכולת להחלים בכוחות עצמם. כעת, פיתוחו של הידרוג'ל חזק במיוחד, שיכול לשאת את משקלה של מכונית שלמה ועדיין לחזור לצורתו המקורית, פותח אפשרויות חדשות ליישומים עתידיים בתנאים קיצוניים.
הידרוג'לים בנויים מפולימרים – מולקולות ארוכות שכוללות יחידות חוזרות של מולקולות קטנות יותר. השרשראות הארוכות יוצרות רשת תלת-ממדית סבוכה שיכולה לכלוא בתוכה מולקולות מים רבות, במעין ספוג מולקולרי. למעשה, במקרים רבים ההידרוג'לים עשויים בעיקר ממים, שמהווים 90-50 אחוז ממשקלם.
אחוז המים הגבוה בהידרוג'לים דומה לזה שקיים ברבות מרקמות הגוף. זו אחת הסיבות לכך שהם מתאימים במיוחד לבוא במגע עם הגוף החי. כיום משתמשים בהידרוג'לים בביו-רפואה לייצור עדשות מגע רכות ולהכנת חומרים חכמים שיסייעו לאיחוי פצעים, יספקו לפצע המתאחה לחות וחומרים אנטיביוטיים ולעיתים אפילו יסייעו לנטר את מצב הפצע ולהגיב לתנאים משתנים.
חבישות עשויות הידרוג'ל משמשות לאיחוי וריפוי של פצעים מורכבים | MedstockPhotos, Shutterstock
חבית מולקולרית
הרשת התלת-ממדית שנוצרת משרשראות הפולימר הארוכות קובעת את תכונות הג'ל. ככל שהקשרים בין השרשראות רבים יותר, כך הג'ל חזק יותר ועמיד יותר ללחץ חיצוני. במחקר החדש השתמשו במולקולות במבנה מיוחד, שיוצרות מעין מבנה דמוי חבית זעירה שמסוגלת להכיל שתי מולקולות אורחות משתי שרשראות פולימר סמוכות. החבית הזאת כולאת בתוכה את המולקולות השכנות לפרק זמן ארוך יחסית, כך שנוצר בהן קשר זמני אך ממושך שמהדק יחד את שרשראות הפולימר למבנה צפוף המתאפיין בעמידות גבוהה ללחצים.
כשהחוקרים בדקו איך הג'ל החדש מגיב ללחצים חיצוניים הם נוכחו שהוא לא מתפרק גם כשהוא נתון תחת לחצים גבוהים, ואף מצליח לשמר את צורתו המקורית ולחזור אליה אחרי שהלחץ נפסק. כדי להבין איך הג'ל מצליח לשרוד כשמופעל עליו לחץ פיזי חזק, בחנו החוקרים איך הוא מתנהג תחת לחצים שונים. התברר להם שתחת לחץ גבוה הג'ל הרך והגמיש משנה את אופיו ומאמץ תכונות מכניות שמזכירות זכוכית קשה. כשהלחץ משתחרר, שרשראות הפולימר מתרחקות זו מזו והג'ל חוזר למצבו הגמיש. השינוי הקיצוני הזה בתכונות החומר תחת לחץ הוא המפתח לעמידותו הגבוהה.
כדי להעמיד במבחן את עמידות הג'ל, הניחו לו להתמודד עם דריסה תחת מכונית שמשקלה כ-1,200 ק"ג. גם אחרי שהמכונית דרסה אותו שוב ושוב, הג'ל נותר ללא פגע. כדי להדגים את המגוון הרב של היישומים האפשריים של החומר החדש, שילבו החוקרים את ההידרוג'ל בתוך גלאי לחץ והצמידו אותו לכף רגלו של מתנדב, במטרה לעקוב בזמן אמת אחרי הלחץ שמופעל על כף הרגל בכל רגע ורגע במהלך ביצוע פעולות יומיומיות כמו עמידה במקום, הליכה או קפיצה.
שילוב הידרוג'לים באיברי גוף מלאכותיים יאפשר להם לדווח על הלחצים שהם חווים בזמן אמת. הדפסת תלת-ממד של לב | Crevis, Shutterstock
מה צופן העתיד
הידרוג'לים משמשים חומרי בניין במנעד רחב במיוחד של שימושים עכשוויים. משתמשים בהם לספיגת נוזלים בחיתולים חד-פעמיים, להדפסת רקמות מלאכותיות ועוד כהנה וכהנה. המחקר הנוכחי ומחקרים דומים אחרים צפויים להרחיב את מנעד השימושים העתידיים בהם, במיוחד בתחומי הרובוטיקה הרכה והביו-רפואה, גם ליישומים שדורשים עמידה בתנאי לחץ גבוהים. פיתוחים פורצי דרך כאלה מאפשרים לשלוט במבנה הג'ל ובתכונותיו, להדפיס אותו בהדפסת תלת-ממד ולשלב אותו בגלאים והתקנים אלקטרוניים. נראה שבעתיד הלא רחוק איברי גוף מלאכותיים ורכיבים רובוטיים רכים יספקו דיווח בזמן אמת על הלחצים שהם חווים, לצד תמונת מצב עדכנית על היכולת שלהם להתמודד עם הלחצים הללו.
