הגוף שלנו נמצא בתנועה מתמדת. המפרקים נעים זה מעל זה, העפעף מרפרף על העין, חומרים עוברים במערכת העיכול. אבל מה מאפשר לנו לקפוץ, לרקוד ולפקוק את אצבעותינו? התשובה טמונה ביעילות של חומרי הסיכה בגופנו. בזכותם המפרקים שלנו מסוגלים לשאת לחץ של אטמוספירות מרובות כמעט בלי להישחק.
חומרי סיכה, או מסככים, הם חומרים שנמצאים בין משטחים ותפקידם להקטין את החיכוך ביניהם וכך להקטין את שחיקתם. אנו משתמשים במסככים באופן יומיומי: בסבון כדי להוריד טבעת מהאצבע, בשמן כדי שהדלת תפיתח בקלות ועוד. אולם אלה אינם מסככים ביולוגיים. אם כן, מה מבדיל בין נוזל העין, שסך את העפעפיים, לבין השמן שמאפשר למכונות שלנו לנוע?
המסככים הביולוגיים שקיימים בגוף האדם, כגון נוזל העין, נוזל הסחוס ועוד, הם חומרים על בסיס מים, וכידוע תכונותיהם של המים שונות מאוד מאלה של שמן. אולם הם אינם מורכבים ממים בלבד, ומה שמעניק להם את היכולת לסכך בין משטחים הן מולקולות שונות שמומסות במים. המולקולות האלו הן שרשראות של סוכרים ומולקולות ארוכות וטעונות משלל שונים אחרים.
הגנה על העין והמפרקים
מסככים ביולוגים הפכו כיום לתחום מחקר נרחב ורב חשיבות, מכמה סיבות. הראשונה והבסיסית ביותר היא ניסיון מדעי טהור להבין את הטבע. תהליכי הסיכה, כאמור, נפוצים מאוד בגוף האדם ובמערכות ביולוגיות רבות אחרות. דוגמה לכך היא נוזל העין שמגן על העפעפיים. כל מי שהתנסה בהרכבת עדשות מגע למד בוודאי להעריך את יכולתה של העין לשמר את נוזל הסיכוך שלה.
כשאנחנו מבינים את התהליכים המתרחשים בטבע אנחנו יכולים לנסות לחקות אותם גם באופן מלאכותי וכך לפתור בעיות רפואיות. פענוח הרכב הנוזל המסכך של העין יכול לסייע לנו ליצור דמעות מלאכותיות וכך לפתור את הבעיה של עיניים יבשות.
תחום נוסף נוגע לחיפוש אחרי פתרונות מלאכותיים לבעיות פיזיות, כגון ייצור של מפרקים מלאכותיים לאנשים שסובלים מדלקות מפרקים ניווניות או מבעיות דומות. מפרקים מלאכותיים כאלה אמנם נמצאים בשימוש כבר כיום, אבל הם סובלים כעבור זמן מה מבעיות רבות של שחיקה ואי-התאמה. החיפוש אחרי החומרים המתאימים להרכיב מהם מערכות כאלה נמצא עדיין בעיצומו.
מברשות סיכוך
מדענים רבים ניסו וחקרו מולקולות מסוגים שונים, בעלות הרכבים מגוונים ושלל דרכי היקשרות למשטחים. נראה שהצורה מרחבית מסוימת של המולקולות משמעותית יותר מההרכב הכימי שלהן. הצורה היעילה ביותר להקטנת הסיכוך היא צורה של מברשות, בדומה למברשות לניקוי בקבוקים, כך שקצה המברשת מחובר למשטח הנע ושאר המברשת נשאר חופשי.
סוג נפוץ של מברשות כאלה הם הגליצרופרוטאינים, שרשראות סוכר שקשורות לשלד של חלבון, כל שהחלק החלבוני הוא ה"מקל" של המברשת והחלק הסוכרי הוא ה"שערות" שלה. שרשראות כאלה קיימות ברוב המערכות בגוף האדם שצריכות סיכה, כולל נוזל העיניים ומסככי המפרקים שהזכרנו קודם.
התמונה שלמעלה מוצגת באישור AAAS. הקוראים רשאים לראות, לגלוש ו/או להעתיק חומרים לשימוש זמני בלבד, ובלבד שהשימושים הללו נועדו למטרות חינוכיות לא מסחריות בלבד. בכפוף למגבלות החוק, אין להעתיק, להפיץ, להעביר, לשנות, להתאים, להציג, לפרסם או למכור, במלואו או באופן חלקי, בלי אישור מוקדם בכתב מהמוציא לאור.
מתוך: Sweet, Hairy, Soft and Slippery, S. Lee et al., Science 319, 575 (2008).
המברשות הללו, וגם סוגים אחרים של חומרים, תורמות ליכולת הסיכה לא רק בזכות הצמיגיות והאלסטיות שלהן, אלא בעיקר בשל ההתנהגות המיוחדת שלהן כשהן נספחות למשטחים הנעים. יש לזכור שמים בלבד הם מסככים גרועים למדי, ושבניגוד משמן הצמיגות שלהם אינה גדלה כשהלחץ עליהם גדל, וכשמשתמשים במשטחים קשיחים יש חשיבות רבה להגדלת הצמיגות יחד עם הלחץ. אולם כשמוסיפים למין את המברשות האלה יכולות הסיכוך של התמיסה גדלות פלאים.
אז איך "המברשות" עושות את זה? בעיקר בשתי דרכים.
הדרך הראשונה החא "אפקט הנפח", שגורם לשתי מברשות לדחות זו את זו. כדי ששתי מברשות כאלה יתקרבו זו לזו עליהן ליצור מבנה מסודר יותר מהמצב שבו הן רחוקות. תהליך כזה דורש אנרגיה, וכידוע הטבע מעדיף להיות במצב שבו מידת האנרגיה המושקעת תהיה מזערית.
הגודל הפיסיקלי שמיוחס לתהליך של יצירת סדר בין המולקולות נקרא "אנטרופיה". אנטרופיה מודדת את רמת המקריות, או חוסר הסדר, של המולקולות במערכת, וכאמור המולקולות שואפות לאנטרופיה הנמוכה ביותר ולכן הן דוחות זו את זו. במילים אחרות, הצורה המרחבית של המולקולות גורמת לכך שיהיה להן פחות נוח להימצא קרוב מדי זו לזו
הדרך השנייה היא שהמברשות "כולאות" את המים ביניהן ויוצרות מעין נדן של מים סביב כל אחת מהן. בתהליך הזה המים נשארים נוזליים, אך התנועתיות שלהם פוחתת. כלומר הצמיגות של המים גדלה ולכן הם הופכים למסככים טובים יותר.
פרופ' יעקב קליין ממכון ויצמן למדע הראה שכאשר משתמשים במברשות שעשויות ממולקולות בעלות מטענים חשמליים רבים, יכולות הסיכוך גדלה מאחר שכל אחד מהאפקטים שהזכרנו כאן מתחזק. מולקולות טעונות דוחות זו את זו חזק יותר, ומולקולות המים יוצרות נדן צמוד יותר סביב מטענים חשמליים מאשר סביב מולקולות ניטראליות.
ומה בנוגע למשטחים הנעים?
בדרך כלל משתמשים בניסויים האלה במשטחים קשים כמו נציץ (מיקה: סוג של מחצב שקוף), זכוכית או פלדה. אולם המשטחים הנעים בגופנו הם משטחים רכים. העפעף, הסחוס ודומיהם, כולם משנים את צורתם כשהם נעים זה על גבי זה.
פרופ' ניקולס ספנסר משווייץ ניסה לשלב מברשות מולקולריות עם משטח סיליקון דמוי גומי והראה שהשילוב הזה הביא לירידה משמעותית בחיכוך יחסית למשטחים קשים. אך הגדילה ממנו לעשות פרופ' ג'יאן פינג גונג מיפן, שבדקה את תכונותיהם של הידרוג'לים והתאמתם למשטחים הנעים תחת לחץ רב.
הידרוג'ל הוא משטח פולימרי שאינו מסיס במים אך יכול לספוח לתוכו כמות גדולה מאוד של מים, עד 99 אחוז מהרכבו, כך שיש לו בד בבד תכונות של מוצק ושל נוזל. תכונת המוצק שלו מתבטאות באלסטיות, כלומר ביכולת לשנות את צורתו תחת לחץ ולחזור לצורתו המקורית כשמסירים ממנו את הלחץ. תכונות הנוזל שלו מתבטאות באפשרות של חלקיקי נוזל קטנים מספיק (כגון מים) לחדור לתוך המבנה הפנימי של המשטח.
דוגמה טובה למשטח הידרוג'ל נפוץ הן עדשות המגע שרבים מאיתנו משתמשים בהם. גם הסחוס שסופג את הלחץ במפרקים האנושיים הוא בעצם הידרוג'ל, וייתכן שהתכונה הזו, בשילוב עם החומרים המסככים שבנוזל שאיתו, היא שנותנת לו את התכונה המדהימה של חיכוך נמוך מאוד תחת לחץ כבד.
במחקרה, השוותה פרופ' גונג את תפקודם של מולקולות שונות שמומסות במים כחומרים מסככים וגילתה שהמברשות המולקולריות הטעונות נותנות את התוצאות הטובות ביותר. כך היא המחישה שככל שמנסים להתקרב למנגנונים הקיימים בטבע, כך התוצאות שמקבלים מבטיחות יותר.
משטחי ההידרוג'ל והמולקולות עצמן אינם זהים, כמובן, לחומרים שקיימים בגופנו, אולם תכונותיהם קרובות מספיק כדי להראות יכולות סיכה מרשימות. האם נצליח בעתיד ליצור חיקוי מדויק של הטבע? האם נפתח כך שער לפתרונות כמעט מושלמים לבעיות ברכיים, דלקות פרקים, עיניים יבשות וכו'? מה דעתכם? נשמח לשמוע.
מבשם יקותיאל
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
