Microstructure-Induced Variability in Residence Time Distributions of Fibrous Porous Media

داخل الجسم الحي، لا تُعد الأنسجة كتلًا صلبة من الخلايا، بل هي شبكات إسفنجية معقدة حيث تنغمس الخلايا في شبكة ليفية. تعمل هذه الشبكة، المعروفة باسم المصفوفة خارج الخلية، كدعامة للهيكل وطريق سريع للنقل في آن واحد. ومن خلال هذه الشبكة، يجب أن تنتقل العناصر الغذائية الضرورية والأكسجين والإشارات الكيميائية للوصقة إلى كل خلية، بينما يجب نقل الفضلات بعيدًا. وتعتبر حركة هذه المواد توازنًا دقيقًا بين قوتين: الانتشار، حيث تنجرف الجزيئات عشوائيًا من المناطق ذات التركيز العالي إلى المناطق ذات التركيز المنخفض، والحمل الحراري، حيث يدفع تدفق السائل المواد على طول مسارها. وفي الأنسجة السليمة، يكون هذا النقل فعالاً ويمكن التنبؤ به. ومع ذلك، عندما يتغير هيكل الشبكة — ربما بسبب المرض أو الإصابة أو تصميم غرسة طبية — يمكن أن تصبح طريقة حركة السوائل فوضوية، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للمواد الحيوية أو تراكم خطير للأدوية.

لقد شرع فريق من الباحثين في فهم كيف يحدد ترتيب الألياف داخل هذه الشبكة سرعة وقابلية التنبؤ بنقل السوائل. وركزوا على مفهوم يسمى "توزيع زمن المكوث"، والذي يقيس أساسًا المدة التي تستغرقها قطرة من السائل للانتقال من طرف مادة ما إلى الطرف الآخر. إذا كانت المادة منتظمة، فإن كل قطرة تستغرق تقريبًا نفس القدر من الوقت. أما إذا كانت المادة غير منظمة، فإن بعض القطرات ستندفع عبر قنوات سريعة بينما تعلق أخرى في جيوب بطيئة ومسدودة، مما يخلق انتشارًا واسعًا وغير متوقع لأوقات السفر. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت كثافة الألير وحدها كافية لتفسير هذه الاختلافات، أم أن النمط المحدد الذي رُتبت به الألياف هو المفتاح الحقيقي.

ولاستقصاء ذلك، بنى العلماء نماذج حاسوبية مفصلة للمواد الليفية، تحاكي تدفق الماء من خلالها. وقد أنشأوا ثلاثة أنواع متميزة من ترتيبات الألياف للمقارنة بينها. كان النوع الأول عبارة عن نمط سداسي منظم، حيث وُضعت الألياف في شبكة متكررة مثالية مثل قرص العسل. والثاني كان ترتيبًا عشوائيًا، حيث تناثرت الألياف دون أي نمط محدد، محاكيةً الاضطراب الطبيعي الموجود في العديد من الأنسجة البيولوجية. أما الثالث فكان ترتيبًا متكتلًا، حيث جُمِعت الألياف في كتل كثيفة، تاركةً مساحات مفتوحة كبيرة بين المجموعات. ثم أجروا عمليات محاكاة لمعرفة كيف سينتقل "متتبع سلبي" (وهي مادة غير ضارة تُستخدم لتتبع الحركة) عبر كل هيكل من هذه الهياكل تحت ظروف تدفق مختلفة.

وكشفت النتائج أن الترتيب المكاني للألياف كان أكثر أهمية من كثافة الألياف وحدها. ففي الهياكل السداسية المنتظمة تمامًا، تحرك السائل بانتظام ملحوظ؛ حيث وصلت جزيئات المتتبع إلى المخرج جميعها في وقت متقارب جدًا، مما خلق نبضة حادة وقابلة للتنبؤ. يُعرف هذا السلوك بـ "التدفق السدادي"، حيث يتحرك السائل ككتلة متماسكة مع حد أدنى من الانتشار. وحتى عندما زاد الباحثون عدد الألياف، مما جعل الشبكة أكثر كثافة، ظل التدفق ثابتًا ومتوقعًا بشكل مثري للغاية؛ إذ أجبرت الشبكة المنتظمة السائل على التحرك في قنوات موحدة، مما منع تكون مناطق بطيئة أو أنهار سريعة.

وفي المقابل، أظهرت الترتيبات العشوائية قصة مختلفة. فبينما كان السائل لا يزال يتحرك من خلالها، كانت أوقات السفر أكثر تشتتًا. فقد وجدت بعض الجزيئات مسارات واسعة ومفتوحة وانطلقت بسرعة، بينما تنقلت أخرى عبر فجوات ضيقة وملتوية أبطأت حركتها. أدى هذا إلى توزيع أوسع لأوقات الوصول، مما يشير إلى أن الاضطراب في وضع الألياف قد أدخل مستوى متوسطًا من عدم القدرة على التنبؤ بعملية النقل. لم يتحرك السائل ككتلة واحدة، بل كتيار ذي سرعات متفاوتة.

أما التأثيرات الأكثر دراماتيكية فقد لوحظت في الترتيبات المتكتلة. هنا، أصبح نقل السوائل غير منتظم للغاية؛ حيث خلقت كتل الألياف الكثيفة مناطق راكدة كبيرة بالكاد يتحرك فيها السائل، بينما عملت المساحات المفتوحة بين الكتل كقنوات عالية السرعة. أدى هذا إلى وضع وصلت فيه بعض جزيئات المتتبع بسرعة كبيرة، ولكن جزءًا كبيرًا منها علق في المناطق البالية، واستغرق وقتًا أطول بكثير للخروج. وكانت النتيجة "ذيلاً طويلاً وثقيلاً" في بيانات زمن السفر، مما يعني أنه بينما قد يبدو متوسط الوقت معقولًا، إلا أن التجربة الفعلية لأي جزيء فردي كانت شديدة التباين. إن وجود هذه التكتلات قلل بشكل كبير من إمكانية التنبؤ بالنقل، مما تسبب في تشتت السائل بشكل أكبر بكثير مما كان عليه في الحالات الأخرى.

وجد الباحثون أن هذا التباين كان مدفوعًا بطبوغرافيا الألياف وليس فقط بعدد الألياف الموجودة. فحتى عندما كان إجمالي مادة الألياف متساويًا عبر جميع النماذج، فإن الطريقة التي جُمِعت بها تلك الألياف غيرت النتيجة تمامًا. حافظت الشبكة المنتظمة على تدفق مستقر، وأدخل التشتت العشوائي قدرًا من الاختلاط، بينما خلقت التكتلات بيئة فوضوية مع تأخيرات طويلة. ويشير هذا إلى أنه في الأنظمة البيولوجية، مثل الأورام أو سقالات الأنسجة المهندسة، يمكن أن يكون نمط تكتل الألياف المحدد عاملًا رئيسيًا في كيفية وصول العناصر الغذائية إلى الخلايا أو كيفية توزيع الأدوية. فالنسيج الذي يحتوي على ألياف متكتلة قد يعاني من تعرض غير متساوٍ للدواء، حيث تتلقى بعض الخلايا جرعة عالية بينما لا تتلقى أخرى أي جرعة، ببساطة لأن السائل الذي يحمل الدواء علق في المناطق البطيئة.

تقدم هذه النتائج، المستمدة من عمليات محاكاة حاسوبية لنماذج ثنائية الأبعاد مثالية، منظورًا جديدًا لكيفية تصميم المواد الليفية للاستخدام الطبي. فإذا كان الهدف هو ضمان وصول الدواء أو العناصر الغذائية إلى كل جزء من النسيج بالتساوي، فيجب التحكم في ترتيب الألياف بعناية لتجنب التكتل. وعلى العكس من ذلك، إذا كان الهدف هو إبطاء إطلاق مادة ما، فإن إنشاء تكتلات محددة قد يكون استراتيجية مفيدة. ورغم أن الدراسة كانت محدودة بنماذج مبسطة ولم تأخذ في الاعتبار الطبيعة ثلاثية الأبعاد المعقدة للأنسجة البشرية الحقيقية، إلا أنها أرست مبدأً واضحًا: وهو أن بنية المصفوفة تهم بقدر ما تهم كثافة المادة نفسها، إن لم يكن أكثر. ومن خلال فهم كيفية تأثير أنماط الألياف على التدفق، يمكن للعلماء والمهندسين التنبؤ بشكل أفضل بالنقل في الأنسجة البيولوجية وتصميم علاجات وغرسات طبية أكثر فعالية.