Sommerfuglvinger inspirerer til lysmanipulerende overflade til medicinske implantater

Inspireret af små nanostrukturer på gennemsigtige sommerfuglvinger, ingeniører hos Caltech har udviklet en syntetisk analog til øjenimplantater, der gør dem mere effektive og længerevarende. Et papir om forskningen blev offentliggjort i Naturnanoteknologi .

Udsnit af vingerne på en longtail glasswing sommerfugl er næsten helt gennemsigtige. Tre år siden, Caltech postdoktorforsker Radwanul Hasan Siddique-på det tidspunkt, der arbejdede på en afhandling, der involverede en glasvingeart ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland-opdagede årsagen til:De gennemsigtige dele af vingerne er belagt med små søjler, hver cirka 100 nanometer i diameter og cirka 150 nanometer adskilt fra hinanden. Størrelsen af ​​disse søjler - 50 til 100 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - giver dem usædvanlige optiske egenskaber. Søjlerne omdirigerer lyset, der rammer vingerne, så strålerne passerer igennem uanset den oprindelige vinkel, hvormed de rammer vingerne. Som resultat, der er næsten ingen refleksion af lyset fra vingens overflade.

Træde i kræft, søjlerne gør vingerne klarere, end hvis de var lavet af almindeligt glas.

Denne omdirigeringsegenskab, kendt som vinkeluafhængig antireflektion, vakte opmærksomhed fra Caltechs Hyuck Choo. I de sidste par år har Choo udviklet et øjenimplantat, der ville forbedre overvågningen af ​​intra-øget tryk hos glaukompatienter. Glaukom er den næststørste årsag til blindhed på verdensplan. Selvom den nøjagtige mekanisme, hvormed sygdommen beskadiger synet, stadig er under undersøgelse, den ledende teori antyder, at pludselige stigninger i trykket inde i øjet skader synsnerven. Medicin kan reducere det øgede øgetryk og forhindre skader, men ideelt set skal det tages ved de første tegn på en stigning i øget tryk.

"Lige nu, øjentryk måles typisk kun et par gange om året på en læge. Glaukompatienter har brug for en måde at måle deres øjentryk let og regelmæssigt, "siger Choo, adjunkt i elektroteknik i Division of Engineering and Applied Science og en Heritage Medical Research Institute Investigator.

Choo har udviklet et øjenimplantat formet som en lille tromme, bredden af ​​et par hårstrå. Når det indsættes i et øje, dens overflade bøjer med stigende øjentryk, indsnævring af dybden af ​​hulrummet inde i tromlen. Denne dybde kan måles af en håndholdt læser, giver en direkte måling af, hvor meget pres implantatet er under.

En svaghed ved implantatet, imidlertid, har været, at for at få en nøjagtig måling, den optiske læser skal holdes næsten perfekt vinkelret - i en vinkel på 90 grader (plus eller minus 5 grader) - med hensyn til implantatets overflade. I andre vinkler, læseren giver en forkert måling.

Og det er her glasswing sommerfugle kommer ind i billedet. Choo begrundede, at den vinkeluafhængige optiske egenskab af sommerfuglenes nanopiller kunne bruges til at sikre, at lys altid ville passere vinkelret gennem implantatet, gør implantatet vinkel-ufølsomt og giver en nøjagtig læsning uanset hvordan læseren holdes.

Han fik Siddique til at arbejde i sit laboratorium, og de to, arbejder sammen med Caltech -kandidatstuderende Vinayak Narasimhan, fandt ud af en måde at studse øjenimplantatet med søjler på omtrent samme størrelse og form som dem på sommerfuglens vinger, men fremstillet af siliciumnitrid, en inert forbindelse, der ofte bruges i medicinske implantater. Eksperimenter med forskellige konfigurationer af størrelsen og placeringen af ​​søjlerne, forskerne var i sidste ende i stand til at reducere fejlen i øjenimplantaternes aflæsninger tredobbelt.

"Nanostrukturer frigiver potentialet ved dette implantat, gør det praktisk for glaukompatienter at teste deres eget øjentryk hver dag, "Siger Choo.

Den nye overflade giver også implantaterne en langvarig, ikke-toksisk anti-biofouling egenskab.

I kroppen, celler har en tendens til at låse sig fast på overfladen af ​​medicinske implantater og, over tid, tygg dem op. En måde at undgå dette fænomen på, kaldet biofouling, er at belægge medicinske implantater med et kemikalie, der afholder cellerne fra at sætte sig fast. Problemet er, at sådanne belægninger til sidst slides af.

Nanopillerne skabt af Choo's team, imidlertid, arbejde på en anden måde. I modsætning til sommerfuglens nanopiller, de labfremstillede nanopiller er ekstremt hydrofile, hvilket betyder, at de tiltrækker vand. På grund af dette, implantatet, en gang i øjet, er snart indkapslet i et lag vand. Celler glider af i stedet for at få fodfæste.

"Celler fæstner sig til et implantat ved at binde med proteiner, der klæber til implantatets overflade. Vandet, imidlertid, forhindrer disse proteiner i at etablere en stærk forbindelse på denne overflade, "siger Narasimhan. Tidlig test tyder på, at det nanopillarudstyrede implantat reducerer biofouling ti gange i forhold til tidligere designs, takket være denne egenskab mod biofouling.

At kunne undgå biofouling er nyttigt for ethvert implantat uanset dets placering i kroppen. Teamet planlægger at undersøge, hvad andre medicinske implantater kan have gavn af deres nye nanostrukturer, som kan produceres billigt i massevis.

Undersøgelsen har titlen "Multifunktionelle biofotoniske nanostrukturer inspireret af longtail glasswing sommerfuglvinger til medicinsk udstyr."