Ultra-thin electrodes for wound healing monitoring and drug screening on curved interfaces
تقدم هذه الورقة منصة متعددة الاستخدامات تستخدم أقطاباً ذهبية فائقة الرقة وقابلة للنقل على عدسات لاصقة من الفلوروسيليكون منحنية لتمكين المراقبة الكهربائية في الوقت الفعلي لديناميكيات التئام جروح الظهارة وفحص العقاقير على الأسطح البيولوجية غير المستوية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
عندما يُجرح الجلد أو تُخدش القرنية، يطلق الجسم طاقم إصلاح معقد لإغلاق الفجوة. تعتمد هذه العملية على هجرة الخلايا عبر الإصابة، والالتصاق ببعضها البعض، وإعادة بناء حاجز محكم يحفظ السوائل في الداخل ويمنع الجراثيم من الدخول. لطال many العلماء يرغبون في مراقبة هذا الشفاء يحدث في الوقت الفعلي، ليس فقط عن طريق أخذ لقطات مجهرية، بل من خلال قياس التغيرات الكهربائية التي تحدث أثناء إعادة تشكيل الحاجز. ويكمن التحدي في أن الأنسجة الحية نادراً ما تكون مسطحة؛ فالجلد ينحني فوق المفاصل، والعين عبارة عن كرة. ومعظم الأدوات المختبرية لدراسة هذه الخلايا مبنية على زجاج أو بلاستيك مسطح، مما يجبر الخلايا على التصرف بطريقة غير طبيعية، وتفشل في التقاط كيفية عملها حقاً على الأسطح المنحنية الموجودة داخل الجسم.
لقد طور فريق من الباحثين الآن طريقة لدراسة خلايا الشفاء هذه على سطح منحني، يحاكي شكل العدسة اللاصقة. لقد بنوا منصة باستخدام مستشعرات إلكترونية مرنة وفائقة النحافة يمكن نزعها من لوح تصنيع مسطح ولصقها على عدسة منحنية دون أن تنكسر. هذه المستشعرات مصنوعة من بلاستيك مرن خاص يسمى "باريلين سي" (Parylene C)، وهو رقيق جداً بحيث ينثني بسهولة، ومغطى بطبقة مجهرية من الذهب لتوصيل الكهرباء. ومن خلال تنمية طبقة من الخلايا البشرية على هذه العدسة المنحنية المغطاة بالمستشعرات، استطاع الفريق مراقبة الخلايا وهي تلتئم فجوة صغيرة بين قطبين كهربائيين. وبينما كانت الخلايا تتحرك لإغلاق الجرح، تغير التيار الكهربائي المتدفق بين المستشعرات، مما وفر تقريراً مستمراً وفي الوقت الفعلي عن سرعة وجودة الإصلاح.
اختبر الباحثون هذا النظام عن طريق إنشاء جرح اصطناعي صغير في طبقة من الخلايا المزروعة على العدسة المنحنية. طبقوا نبضات جهد كهربائي صغيرة ولطيفة على المستشعرات وقاسوا التدفق المستمر للكهرباء الناتج عن ذلك. عندما كان الجرح حديثاً والفجوة واسعة ومفتوحة، سمح السائل الموجود بين الخلايا بمرور الكهرباء بحرية، مما أدى إلى إشارة قوية. ومع هجرة الخلايا لملء الفجوة وإعادة الاتصال ببعضها البعض، عملت كحاجز، مما أدى إلى حجب تدفق الكهرباء وتسبب في انخفاض الإشارة. لاحظ الفريق أنه في مجموعة سليمة وغير معالجة، انخفضت الإشارة الكهربائية بشكل مطرد على مدار حوالي 24 ساعة، مما يشير إلى أن الخلايا قد نجحت في سد الجرح. سمحت لهم هذه الطريقة برؤية عملية الشفاء كقصة مستمرة بدلاً من كونها سلسلة من الصور المنفصلة.
ولإثبات قدرة النظام على اكتشاف كيفية تأثير الأدوية على الشفاء، قدم العلماء ثلاثة أدوية مختلفة لمجموعات منفصلة من الخلايا المجروحة. بدا أحد الأدوية، وهو الليدوكائين (lidocaine)، المستخدم عادة لتخدير الألم، أنه يسرع من إغلاق الجرح، حيث انخفضت الإشارة الكهربائية بشكل أسرق مما كانت عليه في المجموعة غير المعالجة. بينما تسبب دواء آخر، وهو النيومايسين (neomycin)، وهو مضاد حيوي، في تأخير طفيف في عملية الشفاء، بينما تسبب دواء ثالث، وهو الواوبائين (ouabain)، الذي يؤثر على حركة الخلايا، في انفصال الخلايا وتوقف الشفاء تماماً. التقطت المستشعرات هذه الاختلافات بوضوح، مما أظهر أن المنصة لا يمكنها تتبع عملية الإصلاح الطبيعية فحسب، بل يمكنها أيضاً اكتشاف كيفية تغيير المواد الكيميائية المحددة لها.
بنى الباحثون أيضاً نموذجاً حاسوبياً لمحاكاة الفيزياء الخاصة بالإعداد المنحني. أكدت هذه المحاكاة أن التغيرات في الإشارة الكهربائية كانت ناتجة بالفعل عن ملء الخلايا للفجوة، وليس بسبب شكل العدسة أو المستشعرات نفسها. أظهر النموذج أنه مع تغطية الخلايا للجرح، زادت المقاومة الكهربائية، مما طابق انخفاض التيار المرصود في التجارب الحقيقية. وهذا الاتفاق بين الجهاز الفيزيائي والنموذج الحاسوبي يعطي الثقة في أن القياسات دقيقة. وتحقق الفريق من أن المواد المستخدمة كانت آمنة للخلايا، حيث أظهرت الخلايا أنها نمت وتضاعفت بشكل طبيعي على السطح المنحني المغطى بالمستشعرات، تماماً كما تفعل على الزجاج المسطح القياسي.
يُظهر هذا العمل أنه من الممكن مراقبة الشفاء البيولوجي على الأسطح المنحنية باستخدام الإلكترونيات المرنة. ومن خلال الابتعاد عن الأدوات الصلبة والمسطحة، ابتكر الباحثون نظاماً يعكس بشكل أفضل الشكل الفعلي لجسم الإنسان. إن القدرة على مراقبة الشفاء في الوقت الفعلي أثناء اختبار الأدوية على واجهة منحنية تفتح الباب أمام درسات أكثر دقة لإصلاح الأنسجة. وبينما استخدمت هذه الدراسة المحددة خطاً خلوياً نموذجياً على عدسة لاصقة، فإن هذا النهج يشير إلى مسار للمضي قدماً في دراسة الأنسجة الأكثر تعقيداً، مثل قرنية العين، حيث يعد الانحناء أمراً ضرورياً للوظيفة. يوفر النظام طريقة لرؤية التغيرات الكهربائية غير المرئية التي تحدث بينما تقوم الحياة بإصلاح نفسها، مما يوفر رؤية أوضح لكيفية انغلاق الجروح وكيف يمكن للأدوية أن تساعد أو تعيق تلك العملية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.