שערות ומברשות

01.09.2004
פרופ' יעקב קליין והחוקר הבתר- דוקטוריאלי, ניר קמפף. סיכה מלאכותית
 
בשטחי החיכוך המאומצים של מפרקי גופנו פועלים חומרי סיכה מופלאים, והדבר לא יכול היה להיות אחרת. הפרקים מהווים את איזור המפגש שבין עצמות שונות בגופנו, והם אלה המאפשרים לנו לנוע, ללכת, להתכופף, להשתמש באצבעות, לשחק בכדור, לרקוד, ועוד, והם אמורים לשרת אותנו כל החיים. השירות הזה מתאפשר הודות לאותם חומרי סיכה שזהותם מהווה תעלומה המעסיקה מדענים רבים במקומות שונים בעולם. יכולת לחקות את חומרי הסיכה היעילים במיוחד האלה עשויה להביא לפיתוח יישומים שונים בתחומי התעשייה והרפואה.
 
פרופ' יעקב קליין, מהמחלקה לחומרים ופני השטח במכון ויצמן למדע, הצליח באחרונה לחקות כמה מתכונותיה החשובות של מערכת הסיכה הביולוגית, וגילה חומר סיכה סינתטי אשר מפחית את החיכוך פי אלף או יותר בהשוואה לחומרי סיכה רגילים. המחקר, אשר התפרסם בכתב העת המדעי "נייצ'ר", עשוי להוביל לפיתוח מיגוון יישומים, החל ממיקרו-מכונות עמידות ודיסקים קשיחים בעלי קיבולת גדולה יותר, ועד להתקנים ביו-רפואיים, כולל שתלים משופרים למפרק הירך וטיפול בסינדרום של יובש עיניים.
 
מחקרים קודמים רמזו, שמערכות סיכה ביולוגיות, כמו אלה הקיימות במפרקים ובעיניים שלנו, כוללים מולקולה הקרויה "היאלורונן", אשר מכסה את אזורי החיכוך ומגינה עליהם משחיקה מכנית. היה גם ידוע שההיאלורונן נמשך מאוד למים. אך כיצד שתי העובדות הללו משתלבות כדי ליצור מערכת סיכה יעילה? התשובה לשאלה זו נותרה בגדר תעלומה.
 
פרופ' קליין וחברי קבוצת המחקר שלו שיערו שבמפרקים עשוי ההיאלורונן להיקשר לשכבה דקה של סחוס אשר מכסה את העצם, ושהקצה השני של המולקולה הארוכה נכנס - כמו שערות של מברשת - לנוזל הסינוביאל, שמצוי בין העצמות. המדענים שיערו ש"שערות" אלה מתפקדות כחומר סיכה יעיל במיוחד.
 
כדי לבחון את התיאוריה שלהם, פיתחו המדענים דגם סינטתי שחיקה מערכת בעלת שתי מברשות. הם עיגנו שתי מולקולות ארוכות, גמישות ובעלות מטען (פוליאלקטרוליטים), בשני משטחי קרמיקה שהועמדו אחד מול השני, ואחר כך הניעו אתה"מברשות" כשהן מתחככות זו בזו. המערכת גילתה עמידות רבה מאוד לחיכוך, במיוחד כאשר התהליך בוצע בתמיסה על בסיס מים. "המברשות מנסות להימנע מהמגע אחת עם השנייה, הן מתנגדות להיכנס זו לזו אפילו כאשר מופעל עליהן כוח חיצוני אשר דוחף אותן קרוב אחת לשנייה. זה מאפשר להן לגלוש בקלות אחתעל פני השנייה", אומר פרופ' קליין.
 
הסבר אפשרי ליעילותה של מערכות הסיכה הפועלות בגוף החי מבוסס על הדימיון בין תכונותיהן החשמליות של המברשות הסינתטיות לבין חומרי הסיכה שחקר פרופ' קליין. מולקולת ההיאלורונן הטבעית נושאת לאורכה מטען חשמלי, וכך גם המולקולות המהוות את המברשת הסינתטית שחקר פרופ' קליין. המטען הזה קושר אליו מולקולות מים, דבר שמסביר אתהעובדה שהמברשות היו יעילות ביותר בתמיסה על בסיס מים. "מולקולות המים נקשרות חזק למטענים שבמברשות, וגורמות להן לתפקד כמעין מסבים מולקולריים אשר מפחיתים חיכוך", אומר פרופ' קליין. תכונה זו של מטענים חשמליים המתפקדים כמסבים מולקולריים נחקרה קודם לכן על-ידי קבוצת המחקר של פרופ' קליין.
 
משתתפים אחרים בתסריט המחשמל הזה הם יונים קטנים שנלכדים בחלל שבין שערות המברשת. כאשר השערות מתקרבות זו לזו, ענני היונים החיוביים שלהן דוחים אלה את אלה, ובכך מוסיפים לרתיעת השערות מלהיכנס זו לתחומה של האחרת. חיקוי זה של הטבע עשוי לאפשר שימושים רבים נוספים בעקרונות פעולה שהתפתחו והשתכללו במשך מיליוני שנים. כפי שכבר נאמר, אין חכם כבעל ניסיון.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם