الأنسجة المتكلسة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
الأنسجة المتكلسة: إسفنج البحر ، أصداف البحر ، محارة ، عاج الأسنان ، شعاعيات ، قرن الوعل ، عظم

الأنسجة المُتمعدنة هي أنسجة بيولوجية تُدمج المعادن في مصفوفات لينة. وعادةً ما تُشكل هذه الأنسجة درعًا واقيًا أو دعامة هيكلية. [ 1 ] ومن أمثلة الأنسجة المُتمعدنة: العظام، وأصداف الرخويات ، وأنواع إسفنج أعماق البحار (مثل Euplectella) ، والشعاعيات ، والدياتومات ، وعظام قرون الوعل ، والأوتار ، والغضاريف ، ومينا الأسنان ، والعاج . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

لقد خضعت هذه الأنسجة لتعديلات دقيقة على مدى ملايين السنين من التطور لتعزيز قدراتها الميكانيكية. ولذلك، أصبحت الأنسجة المُتمعدنة موضوعًا للعديد من الدراسات، نظرًا لما يمكن تعلمه من الطبيعة، كما يتضح من مجال المحاكاة الحيوية المتنامي . [ 2 ] إن التنظيم الهيكلي المذهل والخصائص الهندسية تجعل هذه الأنسجة مرشحة مثالية للاستنساخ بوسائل اصطناعية. [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] تُلهم الأنسجة المُتمعدنة التصغير والتكيف وتعدد الوظائف. فبينما تتكون المواد الطبيعية من عدد محدود من المكونات، يمكن استخدام مجموعة أكبر من التركيبات الكيميائية للمواد لمحاكاة الخصائص نفسها في التطبيقات الهندسية. ومع ذلك، يكمن نجاح المحاكاة الحيوية في فهم أداء وميكانيكا هذه الأنسجة الصلبة البيولوجية فهمًا كاملًا قبل استبدال المكونات الطبيعية بمواد اصطناعية في التصميم الهندسي. [ 2 ]

تجمع الأنسجة المُتمعدنة بين الصلابة وخفة الوزن والقوة والمتانة، وذلك بفضل وجود المعادن ( الجزء غير العضوي ) في شبكات وأنسجة البروتين الرخوة ( الجزء العضوي ). [ 1 ] [ 2 ] يوجد ما يقارب 60 معدنًا مختلفًا تتولد من خلال العمليات البيولوجية، ولكن أكثرها شيوعًا كربونات الكالسيوم الموجودة في أصداف الرخويات، والهيدروكسيباتيت الموجود في الأسنان والعظام. [ 2 ] على الرغم من أن البعض قد يعتقد أن المحتوى المعدني لهذه الأنسجة يجعلها هشة، فقد أظهرت الدراسات أن الأنسجة المُتمعدنة أقوى من المعادن التي تحتويها بمقدار 1000 إلى 10000 مرة. [ 2 ] [ 5 ] يكمن سر هذه القوة الكامنة في الترتيب الطبقي المنظم للنسيج. فبفضل هذا الترتيب، تنتقل الأحمال والإجهادات عبر عدة مقاييس طولية، من الماكرو إلى الميكرو إلى النانو، مما يؤدي إلى تبديد الطاقة داخل هذا الترتيب. وبالتالي، فإن هذه المقاييس أو الهياكل الهرمية قادرة على توزيع الضرر ومقاومة التشقق. [ ٢ ] خضع نوعان من الأنسجة البيولوجية لدراسات مكثفة، وهما عرق اللؤلؤ المستخرج من أصداف الرخويات والعظام، وكلاهما من المركبات الطبيعية عالية الأداء. [ ٢ ] [ ٦ ] [ ٧ ] [ ٨ ] [ ٩ ] تُستخدم العديد من التقنيات الميكانيكية والتصويرية، مثل تقنية النانو-انضغاط ومجهر القوة الذرية، لتوصيف هذه الأنسجة. [ ١٠ ] [ ١١ ] على الرغم من أن كفاءة الأنسجة الصلبة البيولوجية لا تزال غير مُضاهاة بأي من المركبات الخزفية المصنعة، إلا أن بعض التقنيات الجديدة الواعدة لتصنيعها قيد التطوير حاليًا. [ ١ ] [ ٢ ] لا تتطور جميع الأنسجة المُتمعدنة من خلال العمليات الفيزيولوجية الطبيعية، ولا تُعد جميعها مفيدة للكائن الحي. على سبيل المثال، تحتوي حصى الكلى على أنسجة مُتمعدنة تتطور من خلال عمليات مرضية. لذا، يُعد التمعدن الحيوي عملية مهمة لفهم كيفية حدوث هذه الأمراض. [ ٣ ]

تطور

ظل تطور الأنسجة المتكلسة لغزًا محيرًا لأكثر من قرن. وقد طُرحت فرضية مفادها أن أول آلية لتكلّس الأنسجة الحيوانية بدأت إما في الهيكل الفموي للكونودونت أو في الهيكل الجلدي للفكيات المبكرة . يتكون الهيكل الجلدي من عاج سطحي وعظم قاعدي، يُغطى أحيانًا بالمينا. ويُعتقد أن الهيكل الجلدي تطور لاحقًا إلى حراشف، وهي متماثلة مع الأسنان. ظهرت الأسنان لأول مرة في الأسماك الغضروفية، وكانت تتكون من جميع مكونات الهيكل الجلدي الثلاثة، وهي العاج والعظم القاعدي والمينا. تطورت آلية تكلّس أنسجة الثدييات لاحقًا في الأسماك شعاعية الزعانف ولحمية الزعانف خلال تطور الأسماك العظمية. من المتوقع أن يوفر التحليل الجيني للفكيات فهمًا أعمق لتطور الأنسجة المتكلسة، وأن يوضح الأدلة المستقاة من السجلات الأحفورية المبكرة. [ 12 ]

الهيكل الهرمي

تُعدّ البنى الهرمية سمات مميزة تُلاحظ على مختلف المقاييس الطولية. [ 1 ] لفهم كيفية إسهام البنية الهرمية للأنسجة المُتمعدنة في خصائصها الفريدة، نورد فيما يلي وصفًا لها في كلٍّ من الصدف والعظم. [ 13 ] تُعدّ البنى الهرمية سمة مميزة للبيولوجيا، وتُلاحظ في جميع المواد البنائية في الكائنات الحية، مثل العظم [ 14 ] والصدف الموجود في الأصداف البحرية [ 15 ].

عرق اللؤلؤ

يحتوي عرق اللؤلؤ على عدة مستويات هيكلية هرمية. [ 13 ]

المقياس الكلي

الهيكل الهرمي: مفهوم الطوب والملاط

تحمي بعض أصداف الرخويات نفسها من المفترسات باستخدام نظام ثنائي الطبقات، إحداهما هي الصدف. [ 2 ] [ 13 ] يشكل الصدف الطبقة الداخلية، بينما تتكون الطبقة الخارجية من الكالسيت . [ 2 ] [ 13 ] يتميز الكالسيت بصلابته، مما يمنع أي اختراق للصدفة، ولكنه عرضة للكسر الهش. في المقابل، يتميز الصدف بنعومته وقدرته على تحمل التشوهات غير المرنة، مما يجعله أكثر صلابة من الصدفة الخارجية الصلبة. [ 13 ] المعدن الموجود في الصدف هو الأراغونيت ، CaCO3 ، ويشكل 95% من حجمه. الصدف أقوى من الأراغونيت بـ 3000 مرة، ويعود ذلك إلى المكون الآخر في الصدف، الذي يشكل 5% من حجمه، وهو البوليمرات الحيوية العضوية الأكثر ليونة. [ 1 ] علاوة على ذلك، تحتوي طبقة الصدف أيضًا على خيوط من مادة أضعف تسمى خطوط النمو، والتي يمكنها صد الشقوق. [ 1 ] [ 2 ]

المقياس الميكروي

يمكن تصور المقياس الميكروسكوبي كجدار ثلاثي الأبعاد مبني من الطوب والملاط. يتكون الطوب من طبقات بسمك 0.5 ميكرومتر من أقراص أراغونيت مجهرية متعددة الأضلاع، قطرها يتراوح بين 5 و8 ميكرومتر تقريبًا. أما الملاط، فهو ما يربط الطوب ببعضه، وفي حالة عرق اللؤلؤ،  تلعب المادة العضوية التي يتراوح قطرها بين 20 و30 نانومتر هذا الدور. [ 1 ] على الرغم من أن هذه الأقراص تُصوَّر عادةً على شكل صفائح مسطحة، فقد أظهرت تقنيات مجهرية مختلفة أنها متموجة بطبيعتها، حيث تصل سعة التموجات إلى نصف سمك القرص. [ 1 ] [ 2 ] يلعب هذا التموج دورًا هامًا في تكسر عرق اللؤلؤ، إذ يؤدي إلى تماسك الأقراص تدريجيًا عند فصلها، مما يُحفز تصلبها. [ 2 ]

النطاق النانوي

تمثل الطبقة البينية التي يبلغ سمكها 30  نانومترًا بين الأقراص، والتي تربطها ببعضها، وحبيبات الأراغونيت التي تم الكشف عنها بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح، والتي تتكون منها الأقراص نفسها، مستوىً بنيويًا آخر. تتكون المادة العضوية التي "تلصق" الأقراص ببعضها من البروتينات والكيتين . [ 1 ]

باختصار، على المستوى العياني، يُمثل الصدف، بطبقتيه ( الصدف والكالسيت )، والخيوط الأضعف داخل الصدف ، ثلاثة تراكيب هرمية. وعلى المستوى المجهري، تُشكل طبقات الصفائح المتراصة والسطح المتموج بينها تركيبين هرميين آخرين. وأخيرًا، على المستوى النانوي، تُمثل المادة العضوية الرابطة بين الصفائح، بالإضافة إلى الحبيبات التي تتكون منها، التركيب الهرمي السادس والأخير في الصدف. [ 2 ]

عظم

مثل الصدف والأنسجة المعدنية الأخرى، يتميز العظم ببنية هرمية تتشكل أيضًا من خلال التجميع الذاتي لمكونات أصغر. المعدن الموجود في العظم (المعروف باسم معدن العظم ) هو هيدروكسيباتيت غني بأيونات الكربونات، بينما يتكون الجزء العضوي في الغالب من الكولاجين وبعض البروتينات الأخرى. تمتد البنية الهرمية للعظم إلى تسلسل هرمي ثلاثي المستويات لجزيء الكولاجين نفسه. [ 14 ] تشير مصادر مختلفة إلى أعداد متباينة من المستويات الهرمية في العظم، وهو مادة بيولوجية معقدة. [ 1 ] [ 2 ] [ 16 ] لم يتم بعد تحديد أنواع الآليات التي تعمل على مختلف المقاييس الهيكلية بدقة. [ 1 ] فيما يلي خمسة هياكل هرمية للعظم. [ 16 ]

المقياس الكلي

يتراوح حجم العظم المضغوط والعظم الإسفنجي من عدة ملليمترات إلى سنتيمتر واحد أو أكثر. [ 16 ]

المقياس الميكروي

توجد بنيتان هرميتان على المستوى المجهري. الأولى، بمقياس يتراوح بين 100 ميكرومتر و1  مليمتر، تقع داخل العظم المضغوط حيث يمكن تمييز وحدات أسطوانية تُسمى العظمونات ودعامات صغيرة. [ 16 ] أما البنية الهرمية الثانية، وهي البنية الدقيقة، بمقياس يتراوح بين 5 و10 ميكرومتر، فهي البنية الفعلية للعظمونات والدعامات الصغيرة. [ 16 ]

النطاق النانوي

يوجد أيضًا نوعان من البنية الهرمية على المستوى النانوي. الأولى هي البنية الموجودة داخل البنية الدقيقة، والتي تتكون من الألياف والفراغات خارج الألياف، على مستوى عدة مئات من النانومترات. أما الثانية فهي المكونات الأساسية للأنسجة المتكلسة على مستوى عشرات النانومترات. وتشمل هذه المكونات بلورات معدنية من هيدروكسي أباتيت ، وجزيئات كولاجين أسطوانية ، وجزيئات عضوية مثل الدهون والبروتينات، وأخيرًا الماء. [ 16 ] وتُعد البنية الهرمية المشتركة بين جميع الأنسجة المتكلسة مفتاحًا لأدائها الميكانيكي. [ 1 ] [ 2 ]

مكون معدني

المعدن هو المكون غير العضوي للأنسجة المتمعدنة، وهو ما يمنحها صلابتها وقوتها. [ 1 ] [ 2 ] ومن أمثلة المعادن الموجودة في الأنسجة البيولوجية: هيدروكسي أباتيت ، وكربونات الكالسيوم ، والسيليكا ، وأكسالات الكالسيوم ، والويتلوكايت ، ويورات أحادي الصوديوم. [ 2 ] [ 3 ] في أصداف الرخويات، تُنقل هذه المعادن إلى موقع التمعدن داخل حويصلات في خلايا متخصصة. وعلى الرغم من وجودها في طور معدني غير متبلور داخل الحويصلات ، إلا أنها تفقد استقرارها عند خروجها من الخلية وتتبلور. [ 17 ] في العظام، أظهرت الدراسات أن فوسفات الكالسيوم يتشكل داخل منطقة الثقوب في ألياف الكولاجين، ثم ينمو في هذه المناطق حتى يشغل أكبر مساحة ممكنة. [ 8 ]

مكون عضوي

يتكون الجزء العضوي من الأنسجة المتمعدنة من البروتينات. [ 1 ] في العظام، على سبيل المثال، الطبقة العضوية هي بروتين الكولاجين. [ 3 ] تختلف درجة التمعدن في الأنسجة المتمعدنة، ويشغل المكون العضوي حجمًا أصغر مع ازدياد صلابة النسيج . [ 1 ] [ 18 ] ومع ذلك، بدون هذا الجزء العضوي، ستكون المادة البيولوجية هشة وسهلة الكسر. [ 1 ] [ 2 ] لذا، يزيد المكون العضوي للأنسجة المتمعدنة من متانتها . [ 19 ] علاوة على ذلك، تعمل العديد من البروتينات كمنظمات في عملية التمعدن. فهي تساهم في تكوين نواة أو تثبيط تكوين هيدروكسي أباتيت. على سبيل المثال، من المعروف أن المكون العضوي في عرق اللؤلؤ يحد من نمو الأراغونيت. من بين البروتينات المنظمة في الأنسجة المتمعدنة: أوستيونكتين ، وأوستيوبونتين ، وأوستيوكالسين ، وبروتين سيالو العظم، وفوسفوفورين العاج . [ 20 ] في الصدف، يكون المكون العضوي مساميًا، مما يسمح بتكوين جسور معدنية مسؤولة عن نمو وترتيب ألواح الصدف. [ 19 ]

تكوين المعادن

يُعدّ فهم تكوين الأنسجة البيولوجية أمرًا لا غنى عنه لإعادة بنائها اصطناعيًا بشكل صحيح. ورغم وجود بعض التساؤلات حول جوانب معينة، وعدم تحديد آلية تمعدن العديد من الأنسجة المتمعدنة، إلا أن هناك بعض الأفكار حول آلية تمعدن أصداف الرخويات وعظامها وقنافذ البحر. [ 17 ]

صدفة الرخويات

تتضمن العناصر البنيوية الرئيسية المشاركة في عملية تكوين صدفة الرخويات ما يلي: هلام حريري كاره للماء ، وبروتين غني بحمض الأسبارتيك، ودعامة من الكيتين . يُعد الهلام الحريري جزءًا من الجزء البروتيني ، ويتكون أساسًا من الجليسين والألانين . وهو ليس بنية منتظمة. تلعب البروتينات الحمضية دورًا في تكوين الصفائح. أما الكيتين فهو شديد التنظيم، ويُشكل إطار المصفوفة. العناصر الرئيسية لهذه البنية هي: [ 17 ]

  1. يملأ جل الحرير المصفوفة المراد تمعدنها قبل حدوث عملية التمعدن. [ 17 ]
  2. يحدد الكيتين عالي التنظيم اتجاه البلورات. [ 17 ]
  3. مكونات المصفوفة قابلة للتمييز المكاني. [ 17 ]
  4. كربونات الكالسيوم غير المتبلورة هي الشكل الأول لهذا المعدن. [ 17 ]
  5. بمجرد أن تبدأ عملية التبلور على المادة الأساسية، يتحول كربونات الكالسيوم إلى بلورات. [ 17 ]
  6. أثناء نمو البلورات، تنحصر بعض البروتينات الحمضية داخلها. [ 17 ]

عظم

في العظام، تبدأ عملية التمعدن من محلول غير متجانس يحتوي على أيونات الكالسيوم والفوسفات. تتشكل نوى المعادن داخل تجاويف ألياف الكولاجين على شكل طبقات رقيقة من فوسفات الكالسيوم ، والتي تنمو بدورها لتشغل أكبر مساحة متاحة. لا تزال آليات ترسب المعادن داخل الجزء العضوي من العظم قيد البحث. وتشير ثلاثة اقتراحات محتملة إلى أن التبلور إما ناتج عن ترسب محلول فوسفات الكالسيوم بسبب إزالة المثبطات البيولوجية، أو يحدث نتيجة لتفاعل البروتينات الرابطة للكالسيوم. [ 8 ]

جنين قنفذ البحر

استُخدم جنين قنفذ البحر على نطاق واسع في دراسات بيولوجيا النمو. تُكوّن اليرقات هيكلاً داخلياً معقداً يتألف من شوكتين . كل شوكة عبارة عن بلورة واحدة من معدن الكالسيت . ينتج الكالسيت عن تحول كربونات الكالسيوم غير المتبلورة (CaCO3 ) إلى شكل أكثر استقراراً. لذلك، توجد مرحلتان معدنيتان في تكوين شوكات اليرقات. [ 21 ]

الواجهة العضوية-غير العضوية

تُساهم منطقة التماس بين المعادن والبروتينات، وما يصاحبها من قوى تماسك، في خصائص تقوية الأنسجة المُتمعدنة. ويُعدّ التفاعل في منطقة التماس بين المواد العضوية وغير العضوية أمرًا بالغ الأهمية لفهم هذه الخصائص. [ 22 ]

عند السطح الفاصل،  يلزم تطبيق قوة كبيرة جدًا (>6-5 نانونيوتن) لفصل جزيئات البروتين عن معدن الأراغونيت في الصدف، على الرغم من أن التفاعلات الجزيئية غير رابطة. [ 22 ] تُجري بعض الدراسات تحليلًا باستخدام نموذج العناصر المحدودة لدراسة سلوك السطح الفاصل. [ 7 ] [ 23 ] أظهر نموذج أن الإجهاد العكسي الناتج أثناء التمدد اللدن للمادة، أثناء الشد، يلعب دورًا كبيرًا في تصلب النسيج المُمعدن. كما أن النتوءات النانوية الموجودة على أسطح الأقراص تُقاوم الانزلاق بين الصفائح، وبالتالي تُقوي المادة. وقد أظهرت دراسة لطوبولوجيا السطح أن التثبيت التدريجي للأقراص وتصلبها، اللازمين لتوزيع التشوهات الكبيرة على أحجام كبيرة، يحدثان بسبب تموج الأقراص. [ 23 ]

الأنسجة المتكلسة المريضة

في الفقاريات ، لا تتطور الأنسجة المتكلسة من خلال العمليات الفيزيولوجية الطبيعية فحسب، بل قد تشارك أيضًا في العمليات المرضية . تشمل بعض المناطق المصابة التي تظهر فيها الأنسجة المتكلسة: لويحات تصلب الشرايين ، [ 24 ] [ 25 ] والتكلس الورمي ، والتهاب الجلد والعضلات الشبابي ، وحصى الكلى والغدد اللعابية . تحتوي جميع الترسبات الفيزيولوجية على معدن هيدروكسيباتيت أو معدن مشابه له. تُستخدم تقنيات التصوير، مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء، لتوفير معلومات حول نوع الطور المعدني والتغيرات في تركيب المعادن والمادة الخلالية المرتبطة بالمرض. [ 3 ] كما أن الخلايا الهادمة هي خلايا تُسبب ارتشاف الأنسجة المتكلسة . في حال وجود خلل في توازن الخلايا الهادمة، سيتعطل نشاط الارتشاف ويسبب أمراضًا. إحدى الدراسات التي تتناول الأنسجة المتكلسة في طب الأسنان هي دراسة الطور المعدني للعاج لفهم تغيراته مع التقدم في السن. تؤدي هذه التغيرات إلى عاج "شفاف"، والذي يُسمى أيضًا بالعاج المتصلب. لقد تبين أن آلية الذوبان وإعادة الترسيب هي التي تحكم تكوين العاج الشفاف. [ 26 ] ويمكن التوصل إلى أسباب هذه الحالات وعلاجاتها من خلال إجراء المزيد من الدراسات حول دور الأنسجة المتكلسة المعنية.

صورة مجهرية إلكترونية ماسحة ملونة تعتمد على الكثافة (DDC-SEM) لتكلس القلب والأوعية الدموية، تُظهر باللون البرتقالي جزيئات كروية من فوسفات الكالسيوم (مادة أكثر كثافة)، وباللون الأخضر، المادة خارج الخلوية (مادة أقل كثافة). [ 24 ]

مواد مستوحاة من الطبيعة

تتميز المواد الهيكلية الطبيعية، التي تتألف من أطوار صلبة ولينة مرتبة في هياكل هرمية متعددة المقاييس، عادةً بمزيج من الخصائص الميكانيكية الفائقة . فعلى سبيل المثال، تتميز العديد من المواد الميكانيكية الطبيعية ( كالعظام ، والصدف ، والأسنان ، والحرير ، والخيزران ) بخفة وزنها، وقوتها، ومرونتها، ومتانتها، ومقاومتها للكسر، وقدرتها على إصلاح نفسها ذاتيًا. وتكمن الآلية العامة الكامنة وراء هذه المواد المتقدمة في أن المكونات الصلبة عالية التوجيه تمنح المواد قوة وصلابة ميكانيكية عاليتين ، بينما تعمل المادة اللينة على "لصق" المكونات الصلبة ونقل الإجهاد إليها. علاوة على ذلك، يوفر التشوه اللدن المتحكم به للمادة اللينة أثناء الكسر آلية تقوية إضافية. وقد أتقنت الطبيعة نفسها هذه الاستراتيجية الشائعة على مدى ملايين السنين من التطور، مما ألهمنا لبناء الجيل القادم من المواد الهيكلية. وهناك العديد من التقنيات المستخدمة لمحاكاة هذه الأنسجة، وبعض التقنيات الحالية موصوفة هنا. [ 1 ] [ 27 ]

مواد النماذج واسعة النطاق

يعتمد النموذج واسع النطاق للمواد على حقيقة أن انحراف الشقوق آلية مهمة لتقوية عرق اللؤلؤ. يحدث هذا الانحراف نتيجةً لضعف الروابط بين طبقات الأراغونيت . تُستخدم أنظمة على نطاق واسع لمحاكاة هذه الروابط الضعيفة باستخدام أقراص خزفية مركبة متعددة الطبقات، مترابطة بواسطة "غراء" ضعيف. وبالتالي، يمكن لهذه النماذج واسعة النطاق التغلب على هشاشة الخزف. ولأن آليات أخرى، مثل تماسك الأقراص وانتشار التلف، تلعب دورًا في متانة عرق اللؤلؤ، فقد تم ابتكار نماذج تجميعية أخرى مستوحاة من تموج البنية المجهرية لعرق اللؤلؤ على نطاق واسع. [ 1 ]

التمعدن المحاكي للطبيعة

تُكتسب جميع المواد الصلبة في الحيوانات من خلال عملية التمعدن الحيوي ، حيث تقوم خلايا متخصصة بترسيب المعادن على مصفوفة بوليمرية (بروتينية) لينة لتقويتها وتصليدها. لذا، يُعد التمعدن الحيوي عمليةً واضحةً وفعّالةً لبناء مواد اصطناعية ذات خصائص ميكانيكية فائقة. تبدأ الاستراتيجية العامة بهياكل عضوية تحتوي على مواقع ارتباط أيوني تُعزز التكوين غير المتجانس للنوى. بعد ذلك، يُمكن تحقيق التمعدن الموضعي من خلال التحكم في التشبع الأيوني على هذه المواقع. في مثل هذه المادة المركبة ، تعمل المعادن كطبقة سطحية شديدة القوة ومقاومة للتآكل والتلف. بينما تُوفر الهياكل العضوية اللينة قاعدةً متينةً لتحمل الأحمال الزائدة.

قالب الجليد / صب الجليد بالتجميد

تقنية التجميد بالتجميد هي طريقة حديثة تستخدم فيزياء تكوين الجليد لتطوير مادة هجينة متعددة الطبقات. وتحديدًا، تُجمّد معلقات السيراميك بشكل موجه في ظروف مصممة لتعزيز تكوين بلورات جليدية صفائحية ، والتي بدورها تطرد جزيئات السيراميك أثناء نموها. بعد تبخر الماء، ينتج عن ذلك هيكل سيراميكي متجانس متعدد الطبقات، وهو، من الناحية المعمارية، نسخة معكوسة من الجليد. ويمكن بعد ذلك ملء هذا الهيكل بطور لين ثانٍ لإنشاء مركب متعدد الطبقات صلب-لين. وتُستخدم هذه الاستراتيجية على نطاق واسع أيضًا لبناء أنواع أخرى من المواد المستوحاة من الطبيعة، مثل الهيدروجيلات فائقة القوة والمتانة [ 28 ] ، والمواد الهجينة المحاكية للطبيعة من المعدن/السيراميك والبوليمر/السيراميك ذات البنية الصفائحية الدقيقة أو البنية الشبيهة بالطوب والملاط. طبقة "الطوب" قوية للغاية ولكنها هشة، وطبقة "الملاط" الناعمة بين الطوب تولد تشوهًا محدودًا، مما يسمح بتخفيف الإجهادات العالية محليًا مع توفير المرونة دون فقدان كبير في القوة.

التصنيع الإضافي

يشمل التصنيع الإضافي مجموعة من التقنيات التي تعتمد على التصاميم الحاسوبية لبناء الهياكل طبقةً تلو الأخرى. [ 29 ] في الآونة الأخيرة، تم تصنيع العديد من المواد المستوحاة من الطبيعة ذات الأنماط الهرمية الأنيقة، بأحجام تتراوح من عشرات الميكرومترات إلى جزء من الميكرومتر. ولذلك، لا يحدث تشقق المواد إلا على المستوى المجهري، ولا ينتشر إلا على المستوى المجهري، مما لا يؤدي إلى كسر الهيكل بأكمله. مع ذلك، فإن الوقت الطويل اللازم لتصنيع المواد الميكانيكية الهرمية، وخاصة على المستويين النانوي والميكروي، حدّ من تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع في التصنيع.

الترسيب طبقة تلو الأخرى

الترسيب طبقة تلو الأخرى هو تقنية، كما يوحي اسمها، تعتمد على تجميع الطبقات طبقة تلو الأخرى لتكوين مركبات متعددة الطبقات مثل عرق اللؤلؤ. ومن الأمثلة على الجهود المبذولة في هذا الاتجاه، استخدام نظام شعاع أيوني لتناوب طبقات من مكونات صلبة ولينة من نيتريد التيتانيوم/البلاتين. لا تمتلك المركبات المصنعة بهذه التقنية بنية مجهرية طبقية مجزأة. لذا، اقتُرح الامتزاز المتسلسل للتغلب على هذا القيد، ويتكون من امتزاز الإلكتروليتات بشكل متكرر وشطف الأقراص، مما ينتج عنه طبقات متعددة. [ 1 ]

ترسيب الأغشية الرقيقة: الهياكل المصنعة بتقنية التصنيع الدقيق

يركز ترسيب الأغشية الرقيقة على إعادة إنتاج البنية المجهرية المتقاطعة للصدفة المحارية بدلاً من محاكاة البنية الطبقية للصدفة الصدفية باستخدام الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) . من بين أصداف الرخويات، تتميز صدفة المحار المحارية بأعلى درجة من التنظيم الهيكلي. يتم استبدال معدن الأراغونيت والمادة العضوية بالسيليكون متعدد التبلور ومقاوم الضوء . تقوم تقنية MEMS بترسيب طبقة رقيقة من السيليكون بشكل متكرر. تُحفر الأسطح البينية باستخدام الحفر الأيوني التفاعلي ثم تُملأ بمقاوم الضوء . يتم ترسيب ثلاث طبقات متتالية. على الرغم من أن تقنية MEMS مكلفة وتستغرق وقتًا أطول، إلا أنها توفر درجة عالية من التحكم في الشكل المورفولوجي وإمكانية إنتاج أعداد كبيرة من العينات. [ 1 ]

التجميع الذاتي

تحاول طريقة التجميع الذاتي محاكاة خصائص الخزف الحيوي وعمليات تصنيعه . في هذه العملية، تُستخدم مواد خام متوفرة بسهولة في الطبيعة لتحقيق تحكم دقيق في التكوين والنمو. يحدث هذا التكوين على سطح اصطناعي بنجاح نسبي. تتم هذه التقنية في درجة حرارة منخفضة وفي بيئة مائية. تُشكل الأغشية ذاتية التجميع قوالب تُؤثر على تكوين الأطوار الخزفية. يتمثل عيب هذه التقنية في عدم قدرتها على تكوين بنية مجهرية طبقية مجزأة. يُعد التجزئة خاصية مهمة للصدف تُستخدم لتوجيه الشقوق في الطور الخزفي دون كسره. ونتيجة لذلك، لا تُحاكي هذه التقنية الخصائص البنيوية الدقيقة للصدف بما يتجاوز البنية الطبقية العضوية/غير العضوية، وتتطلب مزيدًا من البحث. [ 1 ]

المستقبل

ساهمت الدراسات المختلفة في إحراز تقدم ملحوظ في فهم الأنسجة المُتمعدنة. مع ذلك، لا يزال من غير الواضح ما هي الخصائص الميكروية/النانوية الأساسية لأداء هذه الأنسجة. كما أن القوانين التكوينية على طول مسارات التحميل المختلفة للمواد غير متوفرة حاليًا. بالنسبة للصدف، يتطلب تحديد دور بعض الحبيبات النانوية والجسور المعدنية مزيدًا من الدراسات. سيعتمد نجاح المحاكاة الحيوية لأصداف الرخويات على اكتساب المزيد من المعرفة حول جميع هذه العوامل، ولا سيما اختيار المواد المؤثرة في أداء الأنسجة المُتمعدنة. كما يجب أن تكون التقنية النهائية المستخدمة في الاستنساخ الاصطناعي فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع صناعيًا. [ 1 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 إسبينوزا ، إتش دي؛ ريم، جيه إي؛ بارثيلات، إف؛ بوهلر، إم جيه (2009). "دمج البنية والمادة في الصدف والعظم - منظورات حول المواد المحاكية الحيوية الجديدة". التقدم في علوم المواد . 54 (8): 1059-1100 . doi : 10.1016/j.pmatsci.2009.05.001 .
  2. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ ١٤ ١٥ ١٦ ١٧ ١٨ ١٩ ٢٠ ٢١ بارثيلات، ف. (٢٠٠٧). "المحاكاة الحيوية لمواد الجيل القادم". المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ، العلوم الرياضية والفيزيائية . ٣٦٥ (١٨٦١): ٢٩٠٧-٢٩١٩ . Bibcode : 2007RSPTA.365.2907B . doi : 10.1098 / rsta.2007.0006 . PMID 17855221. S2CID 2184491 .  
  3. 1 2 3 4 5 بوسكي، أ.؛ مندلسون، ر . (2005). "التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء للأنسجة المتكلسة" . التحليل الطيفي الاهتزازي . 38 ( 1-2 ): 107-114 . doi : 10.1016/j.vibspec.2005.02.015 . PMC 1459415. PMID 16691288 .  
  4. 1 2 غليمشر، م. (1959). "البيولوجيا الجزيئية للأنسجة المتكلسة مع إشارة خاصة إلى العظام". مراجعات الفيزياء الحديثة . 31 (2): 359-393 . Bibcode : 1959RvMP...31..359G . doi : 10.1103/RevModPhys.31.359 .
  5. ↑ مختبر المواد المحاكية للطبيعة
  6. ↑ بارثيلات، ف.؛ إسبينوزا، هـ. د. (2007). "دراسة تجريبية لتشوه وكسر عرق اللؤلؤ". الميكانيكا التجريبية . 47 (3): 311. doi : 10.1007/s11340-007-9040-1 . S2CID 16707485 . 
  7. 1 2 بارثيلات، ف.و.؛ لي، س.م.؛ كومي، س.؛ إسبينوزا، هـ.د. (2006). "الخواص الميكانيكية لمكونات الصدف وتأثيرها على الأداء الميكانيكي". مجلة أبحاث المواد . 21 (8): 1977. Bibcode : 2006JMatR..21.1977B . doi : 10.1557/JMR.2006.0239 . S2CID 4275259 . 
  8. 1 2 3 فراتزل، ب.؛ فراتزل-زيلمان، ن.؛ كلاوسهوفر، ك.؛ فوغل، ج.؛ كولر، ك. (1991). "تكوين ونمو البلورات المعدنية في العظام، دراسة باستخدام تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة". مجلة الأنسجة المتكلسة الدولية . 48 (6): 407-13 . doi : 10.1007/BF02556454 . PMID 2070275. S2CID 7104547 .  
  9. ↑ نالا، ر.؛ كروزيتش، ج.؛ ريتشي، ر. (2004). "حول أصل صلابة الأنسجة المتكلسة: التشققات الدقيقة أم تجسير الشقوق؟". العظام . 34 (5): 790-798 . doi : 10.1016/j.bone.2004.02.001 . PMID 15121010 . 
  10. ↑ أويين، م. (2006). "صلابة الأنسجة المتكلسة بتقنية النانو". مجلة الميكانيكا الحيوية . 39 (14): 2699-2702 . doi : 10.1016/j.jbiomech.2005.09.011 . PMID 16253265 . 
  11. ↑ "تقنية جديدة لتصوير الألياف المعدنية على أسطح كسور العظام التربيقية البقرية باستخدام مجهر القوة الذرية" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2010 .
  12. ↑ كاواساكي، ك.؛ سوزوكي، ت.؛ فايس، ك. (2004). "الأساس الجيني لتطور الأنسجة المعدنية في الفقاريات" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 101 (31): 11356-11361 . Bibcode : 2004PNAS..10111356K . doi : 10.1073/pnas.0404279101 . PMC 509207. PMID 15272073 .  
  13. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ بارثيلات، ف.؛ تانغ، هـ.؛ زافاتيري، ب.؛ لي، س.؛ إسبينوزا، هـ. (٢٠٠٧). "حول ميكانيكا عرق اللؤلؤ: سمة رئيسية في البنية الهرمية للمادة". مجلة ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة . ٥٥ (٢): ٣٠٦. Bibcode : 2007JMPSo..55..306B . doi : 10.1016/j.jmps.2006.07.007 .
  14. 1 2 برادان، شاشيندرا (18 يوليو 2012). "التسلسل الهرمي الهيكلي يتحكم في سلوك تشوه الكولاجين". الجزيئات الحيوية الكبيرة . 13 (8): 2562-2569 . doi : 10.1021/bm300801a . PMID 22808993 . 
  15. ↑ كاتي، كالبانا (5 أكتوبر 2005). "لماذا يتميز عرق اللؤلؤ بهذه القوة والمتانة؟" . علم وهندسة المواد ج . 26 (8): 1317-1324 . doi : 10.1016/j.msec.2005.08.013 .
  16. 1 2 3 4 5 6 هيلميش، سي.؛ أولم، إف جيه (2002). "نموذج ميكانيكي دقيق لصلابة البنية الدقيقة للأنسجة المتمعدنة". مجلة الهندسة الميكانيكية . 128 (8): 898. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9399(2002)128:8(898) .
  17. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 أدادي، ل.؛ جوستر، د.؛ نودلمان، ف.؛ وينر، س. (2006). "تكوين أصداف الرخويات: مصدر لمفاهيم جديدة لفهم عمليات التمعدن الحيوي" . الكيمياء: مجلة أوروبية . 12 (4): 980-987 . doi : 10.1002/chem.200500980 . PMID 16315200 . 
  18. ↑ كوري، ج.؛ برير، ك.؛ زيوبوس، ب. (2004). "حساسية الأنسجة المعدنية للثدييات للصدمات" . وقائع : العلوم البيولوجية . 271 (1538): 517-522 . doi : 10.1098/rspb.2003.2634 . PMC 1691617. PMID 15129962 .  
  19. 1 2 مايرز، م.؛ لين، أ.؛ تشين، ب.؛ مويكو، ج. (2008). "القوة الميكانيكية لصدفة أذن البحر: دور الطبقة العضوية الرخوة". مجلة السلوك الميكانيكي للمواد الطبية الحيوية . 1 (1): 76-85 . doi : 10.1016/j.jmbbm.2007.03.001 . PMID 19627773 . 
  20. ↑ "تكوين وتثبيط تكوين هيدروكسي أباتيت بواسطة بروتينات الأنسجة المعدنية" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-08-2010 .
  21. ↑ بنياش، إي.؛ آيزنبرغ، ج.؛ أدادي، ل.؛ وينر، س. (1997). "يتحول كربونات الكالسيوم غير المتبلور إلى كالسيت أثناء نمو شوكيات يرقات قنفذ البحر" . وقائع الجمعية الملكية ب: العلوم البيولوجية . 264 (1380): 461-465 . Bibcode : 1997RSPSB.264..461B . doi : 10.1098/rspb.1997.0066 . PMC 1688267 . 
  22. 1 2 موهانتي، ب.؛ كاتي، ك.؛ كاتي، د. (2008). "دراسة تجريبية للميكانيكا النانوية للسطح البيني بين المعدن والبروتين في الصدف". اتصالات أبحاث الميكانيكا . 35 ( 1-2 ): 17-23 . doi : 10.1016/j.mechrescom.2007.09.006 .
  23. 1 2 تانغ، هـ.؛ بارثيلات، ف.؛ إسبينوزا، هـ. (2007). "نموذج واجهة مرن لزج بلاستيكي لدراسة السلوك البنيوي للصدف". مجلة ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة . 55 (7): 1410. Bibcode : 2007JMPSo..55.1410T . doi : 10.1016/j.jmps.2006.12.009 .
  24. 1 2 بيرتازّو، س.؛ وآخرون (2013). "المجهر الإلكتروني النانوي التحليلي يكشف عن رؤى أساسية حول تكلس أنسجة القلب والأوعية الدموية البشرية" . مجلة نيتشر ماتيريالز . 12 (6): 576-583 . Bibcode : 2013NatMa..12..576B . doi : 10.1038/nmat3627 . PMC 5833942. PMID 23603848 .   
  25. ↑ ميلر، جيه دي (2013). "تكلس القلب والأوعية الدموية: أصول دائرية". نيتشر ماتيريالز . 12 (6): 476-478 . Bibcode : 2013NatMa..12..476M . doi : 10.1038/nmat3663 . PMID 23695741 . 
  26. ↑ بورتر، أ.؛ نالا، ر.؛ مينور، أ.؛ جينشيك، ج.؛ كيسيلوفسكي، س.؛ رادميلوفيتش، ف.؛ كيني، ج.؛ تومسيا، أ.؛ ريتشي، ر. (2005). "دراسة بالمجهر الإلكتروني النافذ لتمعدن العاج الشفاف الناتج عن التقدم في العمر". المواد الحيوية . 26 (36): 7650-7660 . doi : 10.1016/j.biomaterials.2005.05.059 . PMID 16005961 . 
  27. ^ ويغست، أولريكي جي كيه؛ باي، هاو؛ سايز، إدواردو؛ تومسيا، أنتوني ب. ريتشي ، روبرت أو. (يناير 2015). "المواد الهيكلية المستوحاة من الحيوية" . مواد الطبيعة . 14 (1): 23– 36. بيب كود : 2015NatMa..14...23W . دوى : 10.1038/نمات4089 . ردمك 1476-4660 . بميد 25344782 . S2CID 263363492 .   
  28. ↑ هوا، موتيان؛ وو، شووانغ؛ ما، يانفي؛ تشاو، يوسن؛ تشين، زيلين؛ فرينكل، إمري؛ سترزالكا، جوزيف؛ تشو، هوا؛ تشو، شين يوان؛ هي، شيمين (فبراير 2021). "هيدروجيلات قوية ومتينة من خلال التآزر بين التجميد والصب والترسيب الملحي" . مجلة نيتشر . 590 (7847): 594-599 . Bibcode : 2021Natur.590..594H . doi : 10.1038/s41586-021-03212- z . ISSN 1476-4687 . OSTI 1774154. PMID 33627812. S2CID 232048202 .    
  29. ↑ فريزر، ويليام إي. (2014-06-01). "التصنيع الإضافي للمعادن: مراجعة" . مجلة هندسة المواد والأداء . 23 (6): 1917-1928 . Bibcode : 2014JMEP...23.1917F . doi : 10.1007/s11665-014-0958-z . ISSN 1544-1024 . 

فهرس