الليف

تُظهر المواد الطبيعية مزيجًا من الخصائص الميكانيكية المتناقضة عادةً ( الليونة والمتانة ) ، وذلك بفضل بنيتها الهرمية من الألياف الدقيقة عبر أطوال متعددة. ^{[ 7 ]} غالبًا ما تتجه هذه الألياف في اتجاه واحد، مما يؤدي إلى استجابة ميكانيكية متباينة الخواص في المادة الحيوية المركبة الناتجة. ^{[ 8 ]} تُعد هذه ميزة رئيسية، حيث تتحمل معظم هذه المواد الإجهادات في اتجاه واحد، وبالتالي يضمن ارتفاع إجهاد الخضوع والكسر في اتجاه الإجهاد المُطبق سلامة بنية المادة. تُمكّن الألياف الدقيقة الكبيرة والصغيرة والنانوية المادة من مقاومة الكسر من خلال سلسلة من آليات مقاومة الكسر.

1. الانزلاق الليفي، أو عملية القص عند تطبيق الحمل، مما يتيح اللدونة
2. جسور ليفية تمتد عبر منطقة الشق
3. انحراف الشق عند طرف الشق، حيث يمكن أن يؤدي تركيز الإجهاد إلى مزيد من الانتشار والفشل في نهاية المطاف. ^{[ 7 ]}

تعمل هذه الآليات معًا لمقاومة الكسر، مما يسمح لهذه المواد بتحمل ملايين دورات التحميل دون فشل، وهو أمر ضروري للكائنات الحية المتحركة. ومن المزايا الميكانيكية الأخرى للبوليمرات الحيوية قدرتها على التمدد والانكماش، نتيجةً لوجود هياكل ليفية قوية ضمن مادة أساسية أكثر مرونة. وتلعب قابلية تشكيل المصفوفات البينية الجيدة دورًا رئيسيًا في السماح بإعادة توجيه المكونات أثناء التشوه. ^{[ 8 ]}

تُعرف عملية تكوين الألياف الدقيقة بتمددها، وهي شائعة في ألياف الكولاجين في النسيج الضام . لا تزال الآليات الدقيقة لتكوين الألياف الدقيقة غير معروفة، على الرغم من أن العديد من الفرضيات الناتجة عن البحوث الأساسية تُسهم في اكتشاف العديد من الآليات المحتملة. في التجارب المبكرة، أمكن استخلاص الكولاجين من النوع الأول من الأنسجة وإعادة تركيبه في ألياف دقيقة من خلال التحكم في المحاليل. ساعدت الدراسات اللاحقة في فهم تركيب وبنية مواقع الارتباط على مونومرات الكولاجين. يُصنّع الكولاجين على شكل طليعة قابلة للذوبان، تُسمى بروكولاجين، والتي تدعم التجميع الذاتي للكولاجين. ونظرًا لاحتواء ألياف الكولاجين على ما يقرب من 50 مكونًا رابطًا في الجسم الحي، فإن الشرط الأساسي لتوليد تكوين الألياف الدقيقة في الجسم الحي لا يزال غامضًا. ^{[ 9 ]}

باستخدام محلول حمضي أو ملحي، يمكن استخلاص الكولاجين من الأنسجة وإعادة ترتيبه إلى ألياف بتغيير درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني. ^{[ 10 ]} كشفت التجارب عن وجود قوة تجاذب بين مونومرات الكولاجين، مما يُسهّل عملية إعادة الترتيب. ^{[ 11 ]} يعمل الكولاجين كمادة أولية، تُسمى بروكولاجين، في تفاعل التخليق، الذي يُحدد عملية البلمرة الذاتية للكولاجين.

يوجد في الطبيعة أكثر من 30 نوعًا من الكولاجين، تتشابه في تركيبها الكيميائي ولكنها تختلف في بنيتها البلورية. ويُعدّ الكولاجين من النوع الأول والثاني الأكثر وفرةً. يشكّل هذان النوعان أليافًا تلقائيًا في المختبر، بينما يُعدّ كلٌّ من الفيبرونيكتين، والبروتينات الرابطة للفيبرونيكتين، والبروتينات الرابطة للكولاجين، والكولاجين من النوع الخامس، ضروريًا لتكوين الكولاجين من النوع الأول، والكولاجين من النوع الحادي عشر لتكوين الكولاجين من النوع الثاني. لذا، تلعب الآليات الخلوية دورًا محوريًا في عملية التجميع الذاتي للبروتينات.

الكولاجين هو البروتين البنيوي الرئيسي خارج الخلايا في العديد من الأنسجة الضامة لدى الحيوانات. ^{[ 12 ]} وباعتباره المكون الأساسي للأنسجة الضامة، فإنه يحتوي على أكبر كمية من البروتينات في الثدييات، حيث يشكل من 25% إلى 35% من إجمالي محتوى البروتين في الجسم.

تتراص ألياف الكولاجين في بنية مجعدة. ويمكن تقسيم منحنى الإجهاد/الانفعال للكولاجين، كما هو الحال في الأوتار، إلى عدة مناطق. تتوافق منطقة الانفعالات الصغيرة، المعروفة بمنطقة "الطرف"، مع إزالة التجعد المرئي بالعين المجردة، أي انفكاك التجعد، في ألياف الكولاجين، وهو ما يمكن رؤيته بالمجهر الضوئي. أما عند الانفعالات الأكبر، في منطقتي "الكعب" و"الخطي"، فلا يظهر أي تغيير بنيوي إضافي.

التروبوكولاجين هو المكون الجزيئي للألياف، ويتكون من ثلاث سلاسل عديد الببتيد ذات الالتفاف الأيسر (الأحمر والأخضر والأزرق) ملتفة حول بعضها البعض، لتشكل حلزونًا ثلاثيًا ذا التفاف أيمن.

تنقبض العضلات وتتمدد عبر انزلاق/التصاق الميوسين الموجه بألياف الأكتين . يتكون الأكتين من سلسلتين ببتيديتين حلزونيتين، بينما يحتوي الميوسين على بنية صغيرة على شكل قلب تُسمى الجسور العرضية. تُسهم عمليات ارتباط وانفصال هذه الجسور العرضية على خيوط الأكتين في الحركة النسبية لهذه الكولاجينات، وبالتالي حركة العضلة بأكملها.

الإيلاستين هو بروتين ليفي شائع في مختلف الأنسجة الرخوة، مثل الجلد والأوعية الدموية وأنسجة الرئة. ترتبط كل وحدة فرعية منه بالأخرى، لتشكل شبكة ثلاثية الأبعاد، قادرة على تحمل إجهاد يزيد عن 200% قبل التشوه. ^{[ 13 ]}

الكيراتين بروتين بنيوي يوجد بشكل رئيسي في الشعر والأظافر والحوافر والقرون والأشواك. ^{[ 14 ]} يتكون الكيراتين أساسًا من سلاسل عديد الببتيد، التي تلتف لتشكل حلزونات ألفا بروابط كبريتية متقاطعة، أو ترتبط لتشكل صفائح بيتا بروابط هيدروجينية. يُعدّ كيراتين بيتا، وهو أكثر صلابة من كيراتين ألفا، أكثر شيوعًا في الطيور والزواحف.

الريزيلين بروتين مرن موجود في الحشرات، ويتكون من بنية حلزونية ألفا وصفائح بيتا. ^{[ 15 ]} وهو من أكثر البروتينات مرونة في الطبيعة. يتميز بصلابة منخفضة تبلغ حوالي 0.6 ميجا باسكال، ولكنه يتمتع بنسبة عالية لاستعادة الطاقة تصل إلى 98%، مما يساعد الحشرات الطائرة على رفرفة أجنحتها والبراغيث على القفز بكفاءة عالية.

تتكون ألياف حرير العنكبوت من بنية صفائح بيتا بلورية صلبة، مسؤولة عن قوتها، ومصفوفة غير متبلورة محيطة بها، مما يحسن صلابتها وقدرتها على الاستطالة. ^{[ 16 ]} تتميز هذه الألياف بقوة شد وليونة عاليتين للغاية، مع كثافة منخفضة، مقارنةً بالألياف الطبيعية الأخرى. وتختلف خصائصها باختلاف أنواع العناكب لتناسب استخداماتها المختلفة.

يستمد الجدار الخلوي الأولي قوته الشدية الملحوظة من جزيئات السليلوز، أو سلاسل طويلة من بقايا الجلوكوز التي تستقر بروابط هيدروجينية . ^{[ 17 ]} تُلاحظ سلاسل السليلوز وهي تصطف في صفوف متوازية متداخلة، ذات قطبية متشابهة تُشكل أليافًا دقيقة من السليلوز. في النباتات، تترتب هذه الألياف الدقيقة من السليلوز في طبقات، تُعرف رسميًا باسم الصفائح ، وتستقر في الجدار الخلوي بواسطة جزيئات جليكان طويلة متشابكة على السطح . تزيد جزيئات الجليكان من تعقيد الشبكات المحتملة التي يمكن أن يُشكلها السليلوز النباتي. يوجد البكتين، وهو عديد سكاريد يحتوي على العديد من وحدات حمض الجالاكتيورونيك سالبة الشحنة، في الجدار الخلوي الأولي إلى جانب كل من الألياف الدقيقة من السليلوز وشبكات الجليكان المُكملة لها. ^{[ 17 ]} بالإضافة إلى ذلك، تُساهم الألياف الدقيقة من السليلوز أيضًا في شكل النبات من خلال التوسع الخلوي المُتحكم فيه. يُنشئ الترتيب المجسم للألياف الدقيقة في جدار الخلية أنظمة ضغط امتلاء تُؤدي في النهاية إلى نمو الخلية وتوسعها. تُعدّ ألياف السليلوز الدقيقة جزيئات ضخمة فريدة من نوعها في المصفوفة، إذ يتم تجميعها بواسطة إنزيمات سينثاز السليلوز الموجودة على السطح الخارجي للغشاء البلازمي. ^{[ 17 ]} يُعتقد أن النبات قادر على "توقع شكله المستقبلي من خلال التحكم في اتجاه الألياف الدقيقة" عبر آلية يتم فيها ترتيب ألياف السليلوز الدقيقة فوق مصفوفة قشرية من الأنابيب الدقيقة.

يُقال إن تقليب عينة معينة من الأميلوز يُؤدي إلى تكوين بلورات ليفية تترسب من المحلول الأم. ويمكن تصوير هذه الألياف الطويلة باستخدام المجهر الإلكتروني، حيث تظهر خطوط عرضية تُشبه سيخ الكباب . تُصنف ألياف الأميلوز إلى نوعين من حيث الشكل: ألياف صغيرة عصوية الشكل، وبلورات على شكل شرائح.

يُعتقد أن البنية الليفية للخشب تلعب دورًا هامًا في كلٍ من استقراره الميكانيكي وقدرته على امتلاك قنوات لنقل المعادن والماء. ويُذكر أن خشب التنوب (Picea abies)، من بين أنواع أخرى، يحتوي على ألياف سليلوزية بقطر معياري يبلغ 2.5  نانومتر. كما توجد علاقة بين عمر الخشب وزاوية حلزونية الألياف بالنسبة للاتجاه الطولي. ويُقال إن الخشب المبكر يتميز بزاوية سكون ثابتة تبلغ 4.6 ± 0.6 درجة، بينما يتميز الخشب المتأخر بمنطقة انتقالية تتراوح من 4.6 درجة إلى 19.8 ± 0.7 درجة. ^{[ 18 ]} في الخشب المتأخر، لا تتصل منطقتا الزاوية الحلزونية للألياف السليلوزية، مما يعني وجود بنيتين قصيبتين مستقلتين في الأشجار "الأقدم" تلبيان متطلبات ميكانيكية مختلفة. علاوة على ذلك، تعمل الألياف الموجهة طولياً على تحسين قوة الشد، في حين أن إضافة الألياف المائلة بزاوية 20 درجة، والتي تقتصر على القصبات الخشبية المتأخرة، توفر الاستقرار ضد الضغط. ^{[ 18 ]}

لتقليد خصائص الالتصاق القوي وسهولة الانفصال والتنظيف الذاتي لوسادة أصابع الوزغة ، يمكن ابتكار مادة لاصقة قائمة على الألياف. تنبع هذه الخصائص من البنية الهرمية الأساسية التي تتكون من ملايين الألياف الدقيقة المسماة بالشعيرات، والتي بدورها تتكون من مليارات الفروع النانوية الحجم المسماة بالزوائد .

تتضمن محاكاة هذه الظاهرة أربع خطوات تصميم متميزة: ^{[ 19 ]}

1. صنع مصفوفات ليفية دقيقة/نانوية محاذية عمودياً
2. ابتكار أشكال مختلفة للطرف
3. بما في ذلك الهندسة غير المتناحية
4. بناء التسلسل الهرمي.

لتقليد بنية العظام الناضجة، يمكن استخدام ألياف ذاتية التجميع لمحاذاة مصفوفة معدنية معينة. ويتحقق ذلك باستخدام جزيء ذاتي التجميع ذي ذيل ألكيلي كاره للماء ورأس أوليغوببتيد محب للماء. تشكل هذه الجزيئات تراكيب ميسيلية في الموقع، وجسور ثنائية الكبريتيد عند درجة حموضة منخفضة، مما يؤدي إلى تكوين وتبلور ألياف نانوية بوليمرية بوزن 200 كيلو دالتون. تتفاعل المصفوفة المعدنية في النهاية مع الليف الاصطناعي عبر بقايا الفوسفوسيرين، مما ينتج عنه تكوين نواة معدنية ونموها.