מטפסים על הקירות עם ננו-חלקיקים

בשנת 1865 פרסם צ׳רלס דרווין מחקר מקיף על צמחים מטפסים. בין השאר הוא ניסה למצוא את הגורם שמאפשר לצמחים מטפסים להיצמד כל כך חזק לעצים ולבניינים, עד כדי כך שהם מחזיקים מעמד אפילו בסופות הוריקן וטורנדו. דרווין מספר כיצד לקח שורשונים של פיקוס (Ficus repens), מעך אותם על לוחית זכוכית וקיבל נוזל צמיגי ודביק בצבע צהוב. בדיקות שערך על הנוזל שהתקבל (חלקן ארכו שבועות רבים), הביאו אותו למסקנה שהנוזל אחראי ליכולתם של צמחים מטפסים להידבק בחוזקה למשטחים.

חומרים דביקים מעולם הצומח והחי מעוררים עניין גובר בשנים האחרונות בשל השימושים האפשריים שלהם במגוון תחומים, החל בדבקים חזקים וציפויים עמידים וכלה בקוסמטיקה. יותר מ-130 שנה לאחר מחקרו של דרווין שבים מדענים לחקור את המנגנונים שמאפשרים לצמחים מטפסים להידבק למשטחים, והפעם באמצעים טכנולוגיים מתקדמים.

בשנים האחרונות גילו חוקרים כי החומר הדביק שמפיקות שערות שורש זעירות בקיסוס החורש (English Ivy, ובשמו המדעי: Hedera helix) עשוי ננו-חלקיקים שמכילים מגוון של חומרים, ביניהם רב-סוכרים וחלבונים שונים. עם זאת, ההרכב הכימי המדויק של הננו-חלקיקים הללו, כמו גם הבסיס המולקולרי לפעילותם, לא פוענחו עד כה.

מחקר שפורסם בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences שופך לראשונה אור על אופן הפעולה של הננו-חלקיקים ועל המנגנון הכימי העומד מאחורי התהליך. החוקרים, בהובלת פרופ׳ מינג-ג'ון ז'אנג (Zhang) מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת אוהיו, גילו שהננו-חלקיקים מכילים בעיקר חלבוני ארבינוגלקטן (arabinogalactan), שהם חלבונים מסוכרים (glycoproteins) שמצויים לרוב בדופן התא של צמחים.

החוקרים מדדו את הצמיגות הפנימית של הננו-חלקיקים בנוזל הדביק וגילו שהיא נמוכה בהשוואה לחומרים אחרים, דבר שמאפשר להרטיב משטחים טוב יותר. בדיקה של מנגנון ההידבקות גילתה כי הכוח המניע של התהליך הוא תגובות בין החלבונים המסוכרים לבין פקטין (pectin) – רב-סוכר שנמצא גם הוא בנוזל הדביק, בתיווך של סידן.

"כשהקיסוס מטפס הוא מפריש את הננו-חלקיקים הזעירים האלה, שיוצרים מגע ראשוני עם המשטח. הודות למבנה האחיד שלהם ולצמיגות הנמוכה שלהם, הם יכולים להיצמד לאזורים נרחבים במגוון משטחים. לאחר שהמים מתאדים נוצר קשר כימי", מסביר ז'אנג. החוקרים אף גילו שהדבק נשאר לא רק על גבי המשטח שהקיסוס נצמד אליו, אלא מחלחל גם לתוך חריצים ומחזק את הקשר עוד יותר. "זה מנגנון מדהים של הידבקות חזקה שיצר הטבע", מוסיף ז'אנג. "כעת אנו יודעים את סוד הדבק ומבינים את המנגנון המולקולרי שעומד מאחוריו".  

מגוון אפשרויות
תודות למנגנון הפעולה הייחודי של החומר הדביק ועמידותו הטובה בתנאי סביבה קשים כמו לחות גבוהה וטמפרטורות קיצוניות, עשויים להיות לו שימושים במגוון תחומים. מהנדסי חומרים יוכלו לשלב חומרים דומים לציפוי של חומרי מגן ושריון, ולכן גם הצבא האמריקאי השתתף במימון המחקר.

בנוסף, דבקים חזקים בעלי מנגנון פעולה דומה יוכלו לשמש בהנדסת רקמות ולקבע תאים לאיברים מלאכותיים. שימוש נוסף בננו-חלקיקים יכול להיות בהובלה של תרופות למטרה ממוקדת בתוך הגוף. בניגוד למערכות קיימות של הובלת תרופות, הננו-חלקיקים של הקיסוס אינם מכילים מתכות שעלולות להיות רעילות.

ז'אנג מתעניין באפשרות להשתמש בדבק ממקור טבעי לאיחוי חתכים לאחר ניתוח. "הבנה של מנגנון הפעולה של החלבונים שמעניקים לקיסוס את יכולת ההדבקה פותחת דלת למגוון גישות להנדסה של חומרים דביקים בהשראת הטבע, שיכולים לשמש ברפואה ובתעשייה". אם נחזור לקיסוס עצמו, בארצות שהוא נפוץ בהן הוא מסב נזק למבנים וגשרים. הבנת אופן הפעילות שלו עשויה לסייע במציאת פתרון לבעיות שהוא גורם.