Bioinspireret materiale efterligner blæksprutte næb

(Phys.org) - Forskere ledet af forskere ved Case Western Reserve University har vendt sig til en usandsynlig model for at gøre medicinsk udstyr mere sikkert og behageligt - et blæksprutte næb.

Mange medicinske implantater kræver hårde materialer, der skal forbinde til eller passere gennem blødt kropsvæv. Denne mekaniske uoverensstemmelse fører til problemer som hudnedbrydning ved mavefoderrør hos slagtilfælde patienter, og hvor ledninger passerer gennem brystet for at drive hjælpende hjertepumper. Indtast blæksprutte.

Spidsen af ​​et blæksprutte næb er hårdere end menneskelige tænder, men basen er lige så blød som dyrets jellolignende krop. For at forbinde disse to mekanisk uensartede dele af blæksprutten har en større del af næbet en mekanisk gradient, der fungerer som en støddæmper, så dyret kan bide en fisk med knogleknusningskraft, men ikke lide slid på dens kødfulde mund .

Naturens teknologi kan gøre en række medicinske anordninger mere komfortable og sikrere for patienter, fra glukosesensorer til diabetikere til protesearme og ben, der fastgøres til amputerede knogler, siger forskerne. Deres arbejde offentliggøres i dag i Journal of the American Chemical Society .

"Vi efterligner arkitekturen og de vandforbedrede egenskaber ved blæksprutte for at generere disse materialer, "sagde Stuart J. Rowan, Kent H. Smith -professor i makromolekylær videnskab og teknik ved Case Western Reserve, og seniorforfatter.

Rowan arbejdede sammen med ph.d. -studerende Justin D. Fox og adjunkt i biomedicinsk teknik Jeffrey R. Capadona ved CWRU, og Paul D. Marasco, WHO, ligesom Capadona, er hovedforsker ved Advanced Platform Technology Center ved Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center.

Andre forskere har vist, at næbets struktur er en nanokomposit, der består af et netværk af kitinfibre, der er indlejret i stadig mere tværbundne strukturelle proteiner fra mund til spids. Gradienten er til stede, når næbematerialet er tørt, men forbedres dramatisk, når den er i vand, blækspruttens naturlige miljø.

Rowan og Capadona var blandt et team af forskere, der tidligere havde rapporteret et materiale, der efterligner havagurkens hud, som er blød og smidig, når den er våd og stiv og hård, når den er tør.

De troede, at materiale, i form af en film, kunne krydsbindes med nanofibre for at opretholde stivhed, når den er våd. De fyldte filmen med funktionaliserede cellulose -nanokrystaller, der, når de udsættes for lys, danne tværbindinger.

For at øge stivheden over filmen, den ene ende blev udsat for intet lys og efterfølgende sektioner for stadig mere lys. Jo længere eksponering, de flere tværbindinger, der dannedes.

Ligesom næbbet, karakteren fra blød til hård var stejlere, når den var våd. Vand slukker de svagere ikke-kovalente bindinger, der dannes, når materialet er tørt.

Det våde miljø inde i kroppen vil lige så godt forbedre gradienten, hvilket gør denne teknologi særlig attraktiv for implantater, siger forskerne.

"Der er alle mulige steder i medicin, hvor vi bruger hårde materialer, men vi er for det meste bløde, "Sagde Marasco. Kontrasten er en opskrift på sår og infektion, dårlig ydeevne og implantatfejl.

Nåle i diabetikernes insulinpumper, metalstenter indsat i blodkar og elektroder indsat i muskler eller hjerner kan være sikrere og mere effektive, hvis materialer forbliver hårde, hvor de skal være, men buffer omkring blødt væv.

"Protetiske lemmer er forbundet til armen eller benet med en fatning af hård plast, der passer over det resterende lem, "Marasco fortsatte." Men knogler bevæger sig rundt under fatningen og kan beskadige det bløde væv indeni, mens stikkontakten kan være hård mod huden, hvor den kommer i kontakt. "

En bedre løsning, han sagde, ville være at køre en metalindsats i knoglen inde i kroppen og vedhæfte en protese direkte uden for kroppen ved hjælp af denne form for mekanisk buffer, hvor det hårde metal passerer gennem den bløde hud.

Forskerne arbejder allerede på den næste generation af materialer og tværbindingsstrategier for at gøre buffergradienten stejlere. Spidsen af ​​et blæksprutte næb er 100 gange hårdere end den blødeste portion, mens denne første efterlignings hårde spids er fem gange hårdere end dens bløde ende.

"Dette er et bevis på konceptet, "Nu siger Rowan." Nu hvor vi har vist konceptet, får vi nu lidt mere komplicerede og målrettede materialer, der giver os mulighed for at komme tættere på applikationer. "