Glatte væskeoverflader forvirrer muslinger

Det hele begyndte med et væddemål på en konference i Italien i 2013. Nicolas Vogel, Ph.D., derefter postdoc i Joanna Aizenbergs laboratorium ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), holdt et foredrag om gruppens Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) belægninger, som lovede at forhindre næsten alt i at klæbe til strukturer, som de blev anvendt på. Blandt publikum var Ali Miserez, Ph.D., en lektor i Materials Science and Engineering ved Nanyang Technological University (NTU) med speciale i biologiske materialer, som henvendte sig til Vogel efter præsentationen og sagde selvsikkert, "Jeg vil vædde på, at muslinger klæber til dine belægninger, fordi jeg stadig mangler at se en overflade, som de ikke vil hæfte sig på."

Vogel tog imod udfordringen og sendte nogle SLIPS-prøver til Miserez, da han vendte tilbage til Cambridge, indlede et samarbejde, hvis resultater er rapporteret i denne uges udgave af Videnskab . Undersøgelsen viste, at en bestemt form for SLIPS i det væsentlige er muslingesikker, og kaste lys over, hvordan de forpurrer muslingers ekspertfastgørelsesmekanismer. "Jeg tabte væddemålet, " siger Miserez, som er en tilsvarende forfatter til papiret sammen med Vogel (nu professor ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Tyskland) og Aizenberg. "Jeg synes, jeg skylder Nicolas en god middag."

Muslinger er en af ​​de værste gerningsmænd til biofouling, eller den uønskede ophobning af organismer på undervandsstrukturer som rør, både, industrielt udstyr, og dokker. Ikke alene truer biobegroende organismer som muslinger med at åbne en uheldig svømmers fod, de har betydelige økonomiske og miljømæssige omkostninger:den amerikanske flåde alene bruger ~1 milliard dollars om året på antifouling-indsats, og mange arter er invasive skadedyr, der kobler til nye miljøer på skibsskrog.

Langt størstedelen af ​​de våben, der er indsat mod muslinger og andet, der hænger på, er maling og belægninger, der indeholder giftige kemikalier, sædvanligvis kobberbaseret, som afskrækker eller dræber organismer, når de kommer i nærheden. Disse materialer vækker bekymring, fordi de forgifter arter vilkårligt, ophobes i vandløb, sandsynligvis have økologiske konsekvenser, skal udskiftes regelmæssigt, og er ofte ikke så effektive som ønsket. Ikke-giftige "lav overfladeenergi"-belægninger baseret på silikone- eller siloxanpolymerer (forbindelser svarende til dem, der anvendes i den medicinske industri til katetre) er blevet introduceret som ikke-toksiske alternativer, men mens disse materialer gør det lettere at fjerne biobegroningsarter, de er mindre effektive til at forhindre organismer i at binde sig i første omgang, og er modtagelige for beskadigelse og forfald.

Wyss' SLIPS-teknologi, inspireret af den glatte læbe af en kødædende kandeplante, der sender insekter glidende ned til deres undergang, drage fordel af, at det er meget svært for en organisme at binde sig til en væskeoverflade. SLIPS består af en fast overflade, der er infunderet med et flydende smøremiddel-overlag, der holdes på plads, så alt, der kommer i kontakt med væskelaget, simpelthen glider lige af. SLIPS har tidligere vist sig at være effektive mod bakterier og alger, men muslinger repræsenterer en særlig skræmmende fjende. Deres muskuløse fødder producerer klæbende filamenter kaldet byssaltråde, hvis spidser, kaldet klæbende plader, indeholder specielle klæbende proteiner, der fjerner vandmolekyler fra måloverfladen for at sætte plakkerne i stand til at binde sig til det. "Muslinger har mestret evnen til at holde fast i et undervandsmiljø, på trods af at vand er den største fjende af adhæsion, " siger Miserez. Dette system gør det muligt for dem at binde sig ekstremt godt til overflader:store ansamlinger af muslinger kan veje så meget som 1, 700 pund per kvadratfod.

For at undersøge om SLIPS kunne holde deres stand mod disse ekspert biofoulers, NTU-teamet ledet af Miserez placerede asiatiske grønne muslinger på paneler med et skakternet mønster af forskellige typer ikke-biocidholdige antibegroningsoverflader under vandet, og lad muslingerne vælge, hvor de skal fæstnes. To forskellige typer glatte overflader infunderet med silikoneolie som smøremiddel blev evalueret:en meget tynd, silicabaseret og nanostruktureret 2D-belægning påført lag-for-lag (i-LBL) og en tykkere, matrix-lignende 3D-coating lavet af den almindelige polymer polydimethylsiloxan (i-PDMS). Ikke-smøremiddel-infunderede versioner af disse belægninger, en wolframoxid-baseret 2D-belægning, ubelagt glas, og to kommercielt tilgængelige ikke-biocide belægninger til snavsfrigivelse (Intersleek? 700 og Intersleek? 900) blev inkluderet til sammenligning. Efter 24 timer, Intersleek? 700 havde ~75 muslingeklæbende plaques pr. panel, mens i-PDMS kun havde fem muslingeplader på én ud af i alt femten paneler, hvilket indikerer, at muslingerne ikke gjorde det, faktisk, holde sig godt til i-PDMS.

Ikke tilfreds med at bestemme vinderen af ​​væddemålet, NTU-forskerne fortsatte deres undersøgelse for at fastslå præcis, hvorfor muslingerne ikke uden videre binder sig til i-PDMS:klæbte trådene ikke fast, og/eller nægtede muslingerne at fæstne dem? For at besvare det første spørgsmål, holdet målte den kraft, der var nødvendig for at trække muslingernes byssale tråde fra de forskellige overflader, og fandt, at tråde knyttet til Intersleek? belægninger krævede to til seks gange den nødvendige kraft for at fjerne tråde fra i-PDMS, og tråde fastgjort til de ikke-infunderede belægninger havde brug for ti gange mere kraft. "Det er sandsynligt, fordi det flydende overlag på de smøremiddel-infunderede overflader modstår forskydning af muslingernes klæbende proteiner, holder overfladen smurt og forhindrer derfor byssaltrådene i at binde sig, " siger medforfatter Shahrouz Amini, Ph.D., som var forskningsstipendiat ved NTU, da undersøgelsen blev afsluttet og nu er forsker ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, Tyskland. Ja, når en detaljeret biokemisk analyse af muslingefodsporene blev udført, biomolekylære signaturer af de adhæsive proteiner blev fundet på alle kontrolmaterialerne, men ikke på Wyss' glatte overflader.

For at se om muslingerne også forsøgte at fastgøre færre byssale tråde, forskerne placerede dem på hver af overfladerne og observerede dem i realtid. Muslinger på de ikke-infunderede LBL- og PDMS-overflader opførte sig normalt, sonderer dem med fødderne i et par sekunder, før de udskiller tråde, som dannes inden for cirka 30 sekunder. Dem på 2D glatte overflader, imidlertid, sonderede dem i betydeligt længere tid (30-80 sekunder) og udskilte ikke tråde, mens dem på i-PDMS udviste adskillige afvigende adfærd:de valgte at knytte deres tråde enten til deres egne skaller eller til en nabo, ikke-SLIPS-belagt overflade; de udskilte en tyktflydende gel, der ikke størknede til en tråd; eller de sonderede overfladen i kun et par sekunder, før de hurtigt trak deres fod tilbage i deres skal uden at forsøge at udskille en tråd. "Ud over at forstyrre selve de byssale tråde, de smøremiddel-infunderede overflader forvirrede muslingerne, at få dem til at beslutte, at de ikke var gyldige steder at tilknytte sig, " siger Amini.

Forskerne havde en anelse om, at SLIPS' smøremiddellag fysisk forstyrrede muslingernes evne til at opdage den faste overflade under den, da de fandt ud af, at deres fødder indeholder proteiner, der er kendt for at mærke tryk. De brugte en lillebitte sonde til at måle mængden af ​​kraft "følt", når spidsen af ​​sonden kom i kontakt med de forskellige overflader og blev derefter fjernet. Sonden detekterede en "trækkraft" ved kontakt med begge SLIPS-belægninger, hvilket viste sig at være overfladespænding fra det flydende smøremiddellag, der fæstede sig til sonden, før det nåede den faste overflade nedenunder. "Vi ved, at muslinger forventer at føle en trykkraft fra en hård overflade mod deres fødder, og denne uventede trækkraft fra smøremidlet ser ud til at få dem til ikke at ville fastgøre gevind, ud over SLIPS'ens afbrydelse af trådbindingsmekanismen, " forklarer Amini. i-PDMS producerede en stærkere trækkraft end 2D SLIPS, hvilket sandsynligvis er grunden til, at det bedre maskerer den underliggende faste overflade og afskrækker muslingernes trykfølsomme fødder.

Endelig, Wyss-teamet samarbejdede med NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary i Scituate, Masse, nedsænkning af paneler af alle de laboratorietestede materialer i Scituate Harbor i seksten uger for at se, om organismer ville vokse på dem. "Dette feltsted udstiller et typisk nordatlantisk biobegroningssamfund, især en bestand af blåmuslinger (Mytilus edulis), som gjorde det muligt at sammenligne resultaterne opnået i laboratoriet med observationer under virkelige forhold, siger Stefan Kolle, en forskningsmedarbejder i Aizenberg-laboratoriet ved Wyss Institute og SEAS, som også er med-førsteforfatter af papiret. Ikke alene viste i-PDMS fire gange mindre muslingesætning end Intersleek? 900 og 30 gange mindre end ikke-infunderet PDMS, det klarede sig også bedre end de andre materialer med hensyn til at modstå andre biobegroningsarter såsom sækdyr, hydroider, og slim. "Mange af organismerne i marken bruger forskellige strategier og klæbemidler til at binde sig til undervandsoverflader, men vi har en løsning, der kan fungere på tværs af de fleste arter, " siger Onye Ahanotu, en seniorforsker ved Wyss Institute og medforfatter til papiret.

Vigtigt, i-PDMS kan modificeres kemisk til at holde et betydeligt lager af smøremiddel i polymernetværket, der forsyner det flydende overlag, og formuleret til en langtidsholdbar, højtydende maling. Holdet tester det i øjeblikket på fem marine steder med høj biobegroning rundt om i verden, og indtil videre har den holdt stand mod angrebet af muslinger og andre organismer, konsekvent forebyggelse af biofouling i mere end to år.

"Det smukke ved denne undersøgelse er, at vi ikke kun viste, at glatte overflader er effektive mod muslingevedhæftning, men gennem den undersøgelse kom vi også til at forstå mekanismen for, hvordan muslinger binder sig til en overflade fra den molekylære gennem den makroskopiske skala og, derfor, hvordan det kan forebygges, " siger Aizenberg, som er et Founding Core Faculty-medlem ved Wyss Institute og Amy Smith Berylson-professor i materialevidenskab ved SEAS. "Vi har nu en meget detaljeret forståelse af grundlæggende videnskab kombineret med succesrige, applikationer fra den virkelige verden, og det er noget helt unikt."

"Dette samarbejde er et eksempel på Wyss' mål om at kombinere nysgerrigheden ved grundlæggende videnskabelig forskning med problemløsning af ingeniørvidenskab, tage stikord fra naturen for at udvikle og implementere løsninger på problemer i den virkelige verden, " siger Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.