طبقات PDMS مخلوطة من الكيتوزان والبوليكابرولاكتون تحسّن التوافق الحيوي للمطاط المغناطيسي المرن

روبوتات لينة يمكنها العيش بأمان داخل الجسم

يعمل المهندسون على تطوير آلات ناعمة صغيرة يمكنها الزحف عبر الأوعية الدموية، عصر الأعضاء بلطف، أو إطلاق الأدوية عند التعرض لحقل مغناطيسي. يجب أن تنحني هذه الأجهزة وتتحرك مثل الأنسجة الحية مع البقاء غير ضارة بالخلايا المحيطة. تتصدى الدراسة الموصوفة هنا لعقبة رئيسية: كيفية منع المغناطيسات القوية داخل هذه الروبوتات اللينة من التآكل ببطء وتسريب معادن سامة بمجرد محاصرتها بسوائل الجسم.

لماذا تصبح المغناطيسات القوية مشكلة صحية

تصنع العديد من الأجهزة الطبية اللينة الواعدة عن طريق تضمين جزيئات مغناطيسية قوية داخل مطاط سيليكوني مطاطي. يتيح هذا المزيج لحقل مغناطيسي خارجي أن يثبت المادة أو يحركها دون أسلاك أو بطاريات داخل الجسم. لكن الجسيمات المغناطيسية، المصنوعة من سبيكة تحتوي على النيوديميوم والحديد، لا تتوافق مع السوائل المالحة مثل الدم أو سائل الأنسجة. على مدى أسابيع وشهور، يتآكل سطح المعدن ويطلق شظايا معدنية مشحونة في السائل المحيط. في اختبارات المختبر، تصل هذه الشظايا بسرعة إلى مستويات ضارة بخلايا الحيوانات، مما يعرقل المسار نحو المزروعات طويلة الأمد ما لم تُحكم عزل الجسيمات.

تصميم غشاء واقٍ للمغناطيسات اللينة

سعى فريق البحث إلى بناء «جلد» رقيق ومرن يلتف حول القلب المغناطيسي ويعمل كحاجز ضد سوائل الجسم دون الإضرار بالأداء المغناطيسي. ركزوا على مادتين طبيتين معروفتين: الكيتوزان، مادة سكرية مشتقة من قشور القشريات ذات خواص مضادة للبكتيريا بطبيعتها، والبوليكابرولاكتون، بوليستر يتحلل ببطء ويستخدم في المزروعات القابلة للذوبان. لجعل هذه المواد تلتصق بالسيليكون الزلق بطبيعتها وتثني معه بدلاً من التشقق، مزج الفريق كل واحدة منها مع السيليكون نفسه وقاموا بتغليفها بطبقات رقيقة بسمك يقارب شعرة إنسان على كلا جانبي الشريحة المغناطيسية، مكونين هيكلًا شبيهًا بالسندويش.

تعريض الطبقات الجديدة لحمام طويل

قضت العينات المطلية وغير المطلية ما يقرب من نصف عام منقوعة في ماء مالح دافئ بدرجة حرارة الجسم. تابع العلماء التغيرات في حموضة السائل وخصائصه الكهربائية والكمية الدقيقة للمعدن التي تسربت. بدون أي طلاء، فقدت المغناطيسات كمية من النيوديميوم والحديد تكفي بسهولة لتتجاوز حدود السمية المعروفة. ساعدت طبقة السيليكون العادية قليلاً فقط، مؤكدة أن هذا المطاط بمفرده مسامي جداً ليعمل كحاجز للأيونات. بالمقابل، قلّلت كلتا الطبقتين المخلوطتين من إطلاق المعادن بأكثر من 95 بالمئة. كان مزيج الكيتوزان فعالاً بشكل خاص في حجز النيوديميوم، بفضل مجموعات كيميائية على سلاسله تلتقط وتحتجز أيونات المعادن، مما يحوّل الطبقة إلى مرشح نشط بدلًا من جدار مادي بسيط.

الحفاظ على الحركة ومكافحة الميكروبات

حماية الصحة ليست سوى نصف القصة؛ يجب أن تتحرك المادة أيضاً عند تطبيق حقل مغناطيسي. أظهرت قياسات مدى تصلب العينات تحت حقل مغناطيسي وجود مقايضة واضحة. حافظ مزيج البوليكابرولاكتون تقريباً على نفس التغير في الصلابة كما في المادة غير المطلية، ما يعني أنه يوفر قوة تشغيل تقريباً كاملة مع معاقبة تسرب الأيونات إلى مستوى منخفض. ضحى مزيج الكيتوزان بحوالي نصف قوة التشغيل لكنه قدّم الإغلاق الأحدث ضد هروب المعادن. أظهرت اختبارات مع خلايا الدم الحمراء وخلايا جلد الفأر أن جميع النسخ المطلية بقيت ودودة للأنسجة الحية، مع أضرار طفيفة لخلايا الدم وأشكال خلوية تبدو صحية على أسطحها. في اختبارات البكتيريا، أبعدت الطبقات نمو مُمرض شائع في المستشفيات بقوة، رغم أن فطرًا شائعًا شكل أفلامًا عنيدة، مما يشير إلى تحدٍ متبقٍ.

الاختيار بين أقصى درجات الأمان وأقصى القوة

تُظهر النتائج مجتمعة أنه من الممكن تحويل السيليكون المملوء بالمغناطيس—الذي كان في السابق متآكلًا جداً لاختلاطه الطويل مع الجسم—إلى منصة أكثر أمانًا للأجهزة الطبية اللينة ببساطة عن طريق إضافة نوع مناسب من الطلاء المخلوط الرقيق. يوفر إصدار البوليكابرولاكتون توازنًا قويًا: يسمح للجهاز بالحفاظ على «قوته» المغناطيسية كاملةً بينما يدفع تسرب المعادن إلى ما دون المستويات الضارة. يوفر إصدار الكيتوزان قبضًا كيميائيًا أقوى على الأيونات المتشردة، وهو مثالي عندما تكون السلامة القصوى أهم من القوة. مع مزيد من الاختبارات على الحيوانات واستراتيجيات أفضل ضد استعمار الفطريات، يمكن أن تشكل هذه المطاطات المغناطيسية المطلية أساس جيل جديد من المشغلات الناعمة الخالية من الأسلاك للقساطر، وكبسولات توصيل الأدوية، وغيرها من المزروعات الذكية.

الاستشهاد: Mystkowska, J., Łysik, D., Czerniakiewicz, A. et al. Chitosan and polycaprolactone blended PDMS coatings improve biocompatibility of magnetic elastomers. Sci Rep 16, 8545 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40085-6

الكلمات المفتاحية: المشغلات المغناطيسية اللينة, الطبقات المتوافقة حيويًا, الكيتوزان, البوليكابرولاكتون, الروبوتات اللينة المزروعة في الجسم