חוקרים יצרו ג'ל רך ועשיר במים שגזים עוברים דרכו בקלות, בזכות רשת תעלות זעירה שנוצרה בהשראת הריאות.
כל מי שהדביקו פעם מדבקת אק”ג או פלסטר סיליקון מכירים את מה שקורה כשהעור לא נושם. העור מתחת למדבקה נשאר חם ולח, לפעמים מגורה, והאות שהחיישן מודד משתבש. לעיתים הגורם לתופעה אינו החיישן עצמו, אלא השכבה הרכה שבינו לבין העור. דרך העור מתאדים מים ונפלטת זיעה, והשכבות העליונות שלו אף קולטות חמצן ישירות מהאוויר. לכן בחיישנים ובחבישות שנועדו להישאר על הגוף ימים שלמים, חשוב להביא בחשבון גם את מעבר הגזים והמים דרכם.
המועמדים הטבעיים לתפקיד הם הידרוג'לים. אלה ג'לים רכים, עשויים ברובם ממים וכלואים ברשת של מולקולות ארוכות. הם רכים כמו רקמה חיה, והסביבה הלחה שלהם נוחה לעור, אבל דווקא תכולת המים הגבוהה שלהם מקשה על מעבר גזים דרכם. חמצן נמס במים רק בכמות קטנה, והוא נע בהם לאט מאוד. לכן יש כמות מוגבלת של אוויר שיכולה לעבור דרך הידרוג'ל רגיל. ניסיונות לפתוח בו מעברים הובילו בדרך כלל לתעלות שקורסות או מתמלאות במים, או לג'לים שיש בהם מעט מדי מים.
צוות חוקרים בינלאומי, בהובלת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), הציג פתרון חדש במאמר שפורסם ביולי בכתב העת Nature. הם שאבו השראה ממערכת צינורות האוויר המסועפת של הריאות, שמאפשרת מעבר יעיל של אוויר אף על פי שהרקמה עצמה עשירה במים. כדי לחקות את המבנה הזה, הוסיפו החוקרים לג'ל חלקיקים זעירים וכדוריים של אירוג'ל (Aerogel) – חומר מוצק שרובו אוויר, מעין ספוג קשיח עם חורים זעירים. החלקיקים שבחרו עשויים צורן דו־חמצני (סיליקה), החומר העיקרי בזכוכית. קוטרם כשמונה אלפיות המילימטר וכתשעים אחוזים מנפחם הם אוויר. השלד הקשיח מונע מהחללים לקרוס, ופני השטח שלהם דוחים מים ולא נותנים להם לחדור פנימה.
מאיים לרשת
אבל כדוריות אוויר מבודדות לא מספיקות. אם מערבבים מעט כדוריות בג'ל, הן נשארות מפוזרות בו כמו איים. כל אי כזה הוא כיס אוויר מבודד שלא מחובר לכיסי האוויר האחרים. כדי שחמצן יעבור במהירות מצד אחד של הג'ל לצד השני, הכדוריות צריכות להתחבר לרשת רציפה. בדרך כלל זה קורה רק כשהן תופסות כשלושים אחוז מנפח החומר, וזה יותר מדי בשביל ג'ל שאמור להיות עשוי בעיקר ממים.
החוקרים מצאו דרך לעקוף את הבעיה. הם הכניסו את התערובת לתמיסת מלח חמה, שגרמה לה להיפרד בהדרגה לאזורים של מים ולאזורים של כדוריות, בדומה לשמן ומים. המים נעים מהר ומתקבצים יחד. הכדוריות גדולות בהרבה ונעות לאט. לכן, כשהמים משנים את סידורם, הכדוריות אינן מספיקות לעקוב אחריהם, ויוצרות רשת של חוטים דקים, מחוברים זה לזה, שחוצה את כל הג'ל.
המצב הזה לא נמשך לנצח. אם מחכים יותר מדי, החוטים נקרעים בסופו של דבר לאיים נפרדים. החוקרים גילו שהרשת מגיעה לשיאה אחרי כשמונה שעות. בשלב הזה הם קיררו את התערובת לטמפרטורה שמתחת לאפס, וכך קיבעו את הרשת במקומה. לאחר מכן מילאו את החללים סביב הרשת בחומר שהתקשה לג'ל.
התוצאה הייתה ג'ל שעדיין עשוי ברובו ממים, אבל חדירותו לחמצן גבוהה פי עשרה מזו של ג'ל רגיל. גם אדי מים עוברים דרכו בקלות, ובניסויים הצטברה תחתיו פחות זיעה מאשר מתחת למדבקת סיליקון. הוא נשאר רך וגמיש כמו עור. כדי לבדוק אם הג'ל יוכל לשמש לחיישנים רפואיים לבישים גם בתנאים של הזעה מוגברת, החוקרים בחנו את ביצועיו בזמן אימון גופני. בניסוי אחד נמדדה טמפרטורת העור אחרי עשרים דקות של אימון. במדידה שנעשתה כשתי דקות אחרי האימון והסרת המדבקות, העור שהיה מכוסה במדבקת סיליקון התחמם בכשש מעלות וחצי, ואילו העור שהיה מכוסה בג'ל החדש אפילו התקרר מעט.
בניסוי אחר, החוקרים החליפו את שכבת הג'ל שבאלקטרודות של חיישן אק”ג בג'ל החדש, ומצאו שהן סיפקו אות יציב בזמן אימון. בניסוי נוסף, שנמשך עשרה ימים רצופים, הן המשיכו לספק אות יציב גם במהלך הפעילות היומיומית של המשתתפים. בבדיקה נוספת, לאחר יממה עם הג'ל החדש, מדדי הלחות ואיבוד המים של העור אצל שני מתנדבים הראו התאוששות טובה יותר מאשר עם ג'ל רגיל.
עם זאת, בינתיים מדובר בהוכחת היתכנות, והג'ל עדיין אינו מוכן לשימוש רפואי שגרתי. הניסויים בהשתתפות בני אדם היו מצומצמים מאוד, עם משתתף אחד עד עשרה בכל מבחן. החומר עצמו אינו דביק, ולכן צריך למצוא דרך להצמיד אותו לעור. לפני שימוש רפואי נרחב יידרשו גם בדיקות בטיחות ארוכות טווח ואישורים רגולטוריים.
אם כל אלה יסתדרו, רשת תעלות האוויר עשויה לשמש לא רק חיישנים וחבישות לפצעים. לדברי החוקרים, היא עשויה להתאים גם לגידול תאים ורקמות – מצב שבו אספקת חמצן היא מכשול מרכזי.
מאת: דניאל חייקלסון
באדיבות מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
https://davidson.weizmann.ac.il/
