غشاء PMMA/pPFPA بمحتوى منخفض من جزيئات TiO2 المعدلة لاحتجاز الأدوية بفعالية من الماء

لماذا يهم تنقية المياه الملوثة بالأدوية

تُوجد الآن آثار لأدوية يومية مثل المسكنات وأدوية القلب بانتظام في الأنهار والبحيرات وحتى في مياه الشرب. لم تُصمم محطات معالجة مياه الصرف التقليدية لالتقاط هذه الجزيئات الصغيرة، لذلك يمر العديد منها ويعود إلى صنابيرنا. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من المرشّحات البلاستيكية، أو الأغشية، التي لا تقتصر على تصفية الأدوية من الماء فحسب، بل تساعد أيضًا على تحطيمها إلى مواد غير ضارة عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية.

مرشح أذكى للملوثات العنيدة

سعى الباحثون إلى بناء غشاء يجمع ثلاث وظائف مفيدة في مادة واحدة: السماح بمرور الماء، واحتجاز جزيئات الدواء على سطحه، وتفكيكها باستخدام الضوء. خلطوا بوليمرين، PMMA وpPFPA، لتشكيل البنية الأساسية وأضافوا كمية صغيرة من جزيئات أكسيد التيتانيوم (TiO2) المعدلة خصيصًا. يُعرف أكسيد التيتانيوم بكونه منظفًا يتنشط بالضوء، لكنه غالبًا ما يتكتل أو يُغسل من الأغشية. هنا، طُليت الجسيمات لتكوين روابط كيميائية قوية مع البوليمر، مما يساعدها على الثبات في مكانها والعمل بكفاءة مع مرور الوقت.

ضبط البنية الداخلية للغشاء

لضبط كيفية مرور الماء والملوثات عبر المادة، صنع الفريق نسختين من الغشاء. الأولى (M1) احتوت فقط على خليط البوليمر الأساسي وTiO2. الثانية (M2) أضافت كذلك مادتين محبّتَين للماء، PEG وPVP، تعملان كعوامل مكونة للمسام أثناء التصنيع. كشفت صور المجهر أن M1 امتلكت مسامات كبيرة مفتوحة نسبياً، بينما طوّرت M2 بنية أكثر كثافة تشبه الإسفنج مع مسامات أصغر بنحو مرتبة من حيث الحجم وأكثر انتظامًا. أظهرت القياسات أن قطر المسامات المتوسط تقلَّص بنحو 85٪، وأصبح السطح أكثر محبّة للماء، مما يسهل بلل الماء وتدفقه عبر الغشاء.

كيف يتصرف الغشاء الجديد في الماء

قاس الفريق بعناية الشحنة السطحية وسلوك البلل لكلتا الغشائين، لأن هاتين الخصائصين تتحكمان في كيفية تفاعل الأدوية مع المادة. عبر قيم الحموضة المألوفة للمياه، حمل كلا الغشائين شحنة سالبة، ما يميل إلى صد الجزيئات الدوائية سالبة الشحنة وتقليل التلوث الدائم. كان غشاء M2، بفضل PEG وPVP، أقل سلبية قليلاً لكنه أكثر محبةً للماء، فاستوعب الماء بسهولة أكبر. كشفت اختبارات امتصاص الغازات أنه تحت البنية المرئية احتوت M2 على شبكة دقيقة من المسامات على مقياس النانومتر ذات مساحة سطح أعلى من M1. أعطى هذا المزيج من المسامات الصغيرة المتصلة جيدًا والكيمياء المحبّة للماء توازنًا جيدًا بين نفاذية الماء والكثير من مواقع السطح حيث يمكن احتجاز الملوثات.

اختبار الغشاء عمليًا

ثم تحدّى الباحثون غشاء M2 بمزيج من ثلاثة أدوية شائعة: ديكلوفيناك (مسكّن للألم)، أيبوبروفين، وميتوبرولول (دواء للقلب). في نظام تجريبي متدفق يحاكي الترشيح الفعلي، أزال الغشاء أقل من ثلث كل دواء بعبور بسيط عبر المسامات، مما يعكس صغر حجمها مقارنة بفتحات المسامات. مع ذلك، عندما تُرك الغشاء في ماء ساكن، التصق ما يصل إلى 70٪ من بعض الأدوية بسطحه عبر الامتزاز. أما الاختراق الحقيقي فكان عند تشغيل الأشعة فوق البنفسجية؛ حيث ولّدت جسيمات TiO2 المعلّقة جذورًا تفاعلية للغاية هاجمت جزيئات الدواء، مفككة حلقاتها ومحوّلة إياها في النهاية إلى مواد أصغر وأقل ضررًا مثل ثاني أكسيد الكربون والماء.

تنظيف مدفوع بالضوء من الداخل إلى الخارج

أثناء اختبارات التحفيز الضوئي، حقق الغشاء إزالة كاملة لجميع الأدوية الثلاثة خلال نحو ساعتين تحت إضاءة فوق بنفسجية، متفوقًا كثيرًا على فلاتر مشابهة وردت في دراسات سابقة. والأهم من ذلك، أن كمية صغيرة جدًا فقط من أكسيد التيتانيوم — أقل من 0.05٪ — لوحِظت وهي تخرج من الغشاء، مما يظهر أن استراتيجية الربط الكيميائي تُثبّت الجسيمات النانوية بفعالية. فصلت التجارب أيضًا بين مساهمات الغربلة البسيطة، والامتزاز السطحي، والتحلل المدفوع بالضوء، مبيّنة أن الامتزاز والتحفيز الضوئي، لا الرفض القائم على الحجم وحده، هما المحركان الرئيسيان لإزالة الملوثات في هذا التصميم.

ماذا يعني ذلك لمياه الشرب في المستقبل

بشكل عام، تُقدّم الدراسة غشاءً نشطًا بالضوء وقويًا يمكنه معالجة تلوث الأدوية عبر مزيج من الاحتجاز الفيزيائي والتدمير على السطح، حتى مع كميات قليلة جدًا من المُحفّز. للمستخدم العادي، يعني هذا الانتقال من فلاتر تقتصر على الاحتفاظ بالملوثات إلى مواد تساعد على محوها. إذا تم توسيع نطاق الإنتاج وربطها بمصادر فوق بنفسجية مناسبة، فقد تمكّن مثل هذه الأغشية خطوات معالجة مياه مدمجة تنظف بقايا الأدوية بهدوء قبل وصولها إلى صنابيرنا، مقدّمة أداة واعدة لمياه شرب أنظف وأكثر أمانًا.

الاستشهاد: Pasichnyk, M., Schmitt, C., Plank, M. et al. PMMA/pPFPA membrane with low content of modified TiO₂ nanoparticles for effective retention of pharmaceuticals from water. Sci Rep 16, 10506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45387-3

الكلمات المفتاحية: الأدوية في المياه, أغشية ضوئية التحفيز, جسيمات أكسيد التيتانيوم النانوية, معالجة المياه المتقدمة, نانومرکبات البوليمر