חלבונים סייעו לפתח פולימרים ביולוגיים מוליכים

כתב העת Advanced Materials מדווח על הצלחה של חוקרי הטכניון ביצירת התקנים מוליכים, הרלוונטיים בין השאר בייצור אנרגיה סולארית ובהנדסה ביו-רפואית, תוך שימוש בתוצרי לוואי של תעשיית המזון שאחרת היו נזרקים לאשפה. הטכנולוגיה המודגמת במאמר מאפשרת ייצור פשוט, מהיר, זול וידידותי-לסביבה של רכיבים שונים ובהם חיישנים לניטור מדדים פיזיולוגיים.

המחקר נערך בפקולטה לכימיה ע"ש שוליך בטכניון בהובלת ד"ר נדב אמדורסקי, ראש המעבדה לפולימרים ביולוגיים וביואלקטרוניקה, והדוקטורנטים ראמש ננדי ויובל אגם. לדברי ד"ר אמדורסקי, "הטרנד הירוק העובר על העולם אינו פוסח על התעשיה, וקבוצות רבות ברחבי העולם עובדות על פתרונות חדשים שיצמצמו את הזיהום הנגרם מייצור חומרים מלאכותיים ומעצם נוכחותם. אחת האלטרנטיבות היא כמובן שימוש בחומרים טבעיים, והאתגר הגדול הוא להתאים אותם לצורך הנדרש".

שני הכיוונים העיקריים בכימיה המתחשבת בסביבה הם כימיה סביבתית - יצירה של חומרים ידידותיים לסביבה; וכימיה בת קיימא - ייצור המבוסס על חומרים זמינים שאינם מתכלים ועל תהליכים חסכוניים באנרגיה. המחקר הנוכחי משלב את שני הכיוונים האלה באמצעות תהליך ייצור ידידותי לסביבה המפיק מוצרים ידידותיים לסביבה, וזאת בהקשר של פולימרים מוליכים.

פולימרים הם שרשראות ארוכות של אלפי אבני בניין הקרויות מונומרים. סיבי משי, צמר וכותנה הם דוגמאות לפולימרים טבעיים, ואילו ניילון ו-PVC הם פולימרים מלאכותיים. פולימרים מוליכים הם תת-קבוצה של פולימרים, והם משמשים במגוון עצום של יישומים באלקטרוניקה, באגירת אנרגיה, בתאי דלק, ברפואה ועוד. כיום מיוצרים פולימרים אלה בתהליכים יקרים ומזהמים מנגזרות של נפט, גז ודלק מאובנים.

החלופה שמציגים חוקרי הטכניון היא פולימרים חלבוניים - מולקולות המצויות ברקמות ביולוגיות שונות כגון סיבי משי וצמר, קורי עכביש, שערות וציפורניים. כאן כאמור הן נלקחו מתוצרי לוואי של תעשיית המזון שאחרת היו נזרקים לאשפה. לדברי ד"ר אמדורסקי, "ההשראה לשימוש בחלבונים ליצירת פולימרים מוליכי חשמל נובעת מהתפקוד הייחודי של חלבונים בטבע, שהם האחראיים הבלעדיים להובלת נושאי מטען שונים בעולמות החי והצומח - למשל העברת המטען בתהליך הנשימה התאי או בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים".

בהשראת מבנים חלבוניים טבעיים יצרו החוקרים יריעות פולימר שקופות בעלות מוליכות גבוהה. יריעות אלה מתאימות לשימושים ביולוגיים וביו-רפואיים שכן הן אינן רעילות, הן מתכלות בגוף האדם ואפשר למתוח אותן בכ-400% מאורכן המקורי מבלי לפגוע משמעותית בתכונותיהן החשמליות. מוליכותן החשמלית היא מהגבוהות שהתגלו בחומרים ביולוגיים.

לדברי ד"ר אמדורסקי, "ייצור היריעות במחקר שלנו הוא תהליך רציף (one-pot process), ספונטני, זול, מהיר, חסכוני באנרגיה ולא מזהם. במאמר אנחנו מדגימים את השימוש ביריעות אלה כ'עור מלאכותי' המנטר באופן בלתי פולשני אותות אלקטרופיזיולוגיים. אותות כאלה ממלאים תפקיד משמעותי בפעילות המוח והשרירים ולכן ניטור חיצוני שלהם הוא אתגר חשוב מאוד".

אמדורסקי מדגיש כי מאחר שמדובר בטכנולוגיות המיועדות ליישום ולמסחור, "השיקול הכלכלי מרכזי ולכן חשוב מאוד להוזיל את תהליכי הייצור כך שיפיקו מוצר שיתחרה גם במחירו בפולימרים מבוססי פטרוכימיקלים, ולשמחתי הצלחנו בכך. זאת בנוסף לצמצום הנזק הסביבתי גם בשלב הייצור וגם בשלב השימוש. הפולימר החדש יכול להתפרק פירוק ביולוגי באופן מלא בתוך פחות מ-48 שעות, זאת בניגוד לפולימרים הסינטטיים שאינם ניתנים לפירוק ביולוגי ולכן מזהמים את עולמנו".