Фогель принял вызов и отправил несколько образцов SLIPS в Miserez по возвращении в Кембридж, положив начало сотрудничеству, результаты которого сообщаются в выпуске журнала Science на этой неделе. Исследование показало, что определенная форма SLIPS действительно по существу защищена от мидий, и пролило свет на то, как они препятствуют экспертным механизмам прикрепления мидий. «Я сильно проиграл пари», – говорит Мисерез, который является автором статьи вместе с Фогелем (ныне профессором Университета Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге, Германия) и Айзенбергом. "Думаю, я должен Николасу хороший ужин."
Мидии являются одними из главных виновников биообрастания или нежелательного скопления организмов на подводных сооружениях, таких как трубы, лодки, промышленное оборудование и доки. Биообрастающие организмы, такие как мидии, не только угрожают разрезать ногу незадачливому пловцу, но и влекут за собой значительные экономические и экологические издержки: одни только ВМС США тратят около 1 миллиарда долларов в год на противообрастающие мероприятия, а многие виды являются инвазивными вредителями, которые попадают в новую среду. на корпусах судов.
Подавляющее большинство оружия, применяемого против мидий и других прилипателей, представляют собой краски и покрытия, содержащие токсичные химические вещества, обычно на основе меди, которые отпугивают или убивают организмы, когда они подходят близко. Эти материалы вызывают озабоченность, потому что они неизбирательно отравляют виды, накапливаются в водных путях, вероятно, оказывают воздействие на окружающую среду, нуждаются в регулярной замене и часто не столь эффективны, как хотелось бы. Нетоксичные покрытия с «низкой поверхностной энергией» на основе силиконовых или силоксановых полимеров (соединения, подобные тем, которые используются в медицинской промышленности для катетеров) были предложены в качестве нетоксичных альтернатив, но, хотя эти материалы действительно позволяют легче удалять виды биообрастания, они менее эффективны в первую очередь для предотвращения прикрепления организмов и подвержены повреждениям и разложению.
Технология Wyss SLIPS, вдохновленная гладкой губой плотоядного растения-кувшина, заставляющего насекомых скользить навстречу своей гибели, использует тот факт, что организму очень трудно прикрепиться к поверхности жидкости.
SLIPS состоит из твердой поверхности, покрытой жидким смазочным слоем, который удерживается на месте, поэтому все, что соприкасается с жидким слоем, просто соскользнет. Ранее было показано, что SLIPS эффективны против бактерий и водорослей, но мидии представляют собой особенно устрашающего врага. Их мускулистые ступни образуют липкие нити, называемые биссальными нитями, кончики которых, называемые адгезивными бляшками, содержат специальные адгезивные белки, которые удаляют молекулы воды с целевой поверхности, позволяя бляшкам связываться с ней. «Мидии овладели навыком застревания в подводной среде, несмотря на то, что вода является самым большим врагом адгезии», – говорит Мисерез. Эта система позволяет им очень хорошо связываться с поверхностями: большие скопления мидий могут весить до 1700 фунтов на квадратный фут.
Чтобы выяснить, могут ли SLIPS противостоять этим экспертам по биообрастанию, команда NTU во главе с Мисерезом разместила азиатские зеленые мидии на панелях с рисунком «шахматная доска» из различных типов небиоцидных противообрастающих поверхностей под водой, и позволила мидиям выбирать, где прикрепить. Были оценены два различных типа скользких поверхностей, пропитанных силиконовым маслом в качестве смазки: очень тонкое наноструктурированное 2D-покрытие на основе диоксида кремния, нанесенное слой за слоем (i-LBL), и более толстое, похожее на матрицу 3D-покрытие, изготовленное из обычный полимерный полидиметилсилоксан (i-PDMS). Для сравнения были включены не содержащие смазки версии этих покрытий, двумерное покрытие на основе оксида вольфрама, стекло без покрытия и два имеющихся в продаже небиоцидных антиадгезионных покрытия (Intersleek 700 и Intersleek 900). Через 24 часа Intersleek 700 имел ~ 75 липких пластинок мидий на панель, в то время как i-PDMS имел только пять пластинок мидий на одной из пятнадцати панелей, что указывает на то, что на самом деле мидии плохо прилипали к i-PDMS.
Не удовлетворившись определением победителя пари, исследователи NTU продолжили свое расследование, чтобы точно определить, почему мидии с трудом связываются с i-PDMS: сами нити не прилипают и / или мидии отказываются их прикреплять? Чтобы ответить на первый вопрос, команда измерила силу, необходимую для того, чтобы оторвать нити биссальной мидии от различных поверхностей, и обнаружила, что нити, прикрепленные к покрытиям Intersleek, требовали от двух до шести раз силы, необходимой для удаления нитей с i-PDMS, и нити, прикрепленные к незаплавленным покрытиям, требовали в десять раз большего усилия. «Вероятно, это связано с тем, что жидкий верхний слой поверхностей, наполненных смазкой, сопротивляется вытеснению адгезивными белками мидий, сохраняя поверхность смазанной и, следовательно, предотвращая связывание биссальных нитей», – говорит соавтор исследования Шахруз Амини, доктор философии.D., который был научным сотрудником НТУ, когда исследование было завершено, а теперь является исследователем в Институте коллоидов и интерфейсов Макса Планка в Потсдаме, Германия. Действительно, когда был проведен подробный биохимический анализ следов мидий, биомолекулярные сигнатуры адгезивных белков были обнаружены на всех контрольных материалах, но не на скользких поверхностях Wyss.
Чтобы увидеть, пытались ли мидии прикрепить меньше нитей биссала, исследователи поместили их на каждую из поверхностей и наблюдали за ними в режиме реального времени.
Мидии на поверхностях LBL и PDMS, не подвергавшихся инфузии, вели себя нормально, прощупывая их ногами в течение нескольких секунд, прежде чем выделять нити, которые образовывались в течение примерно 30 секунд. Однако те, кто находился на скользких 2D-поверхностях, исследовали их в течение значительно более длительного периода времени (30-80 секунд) и не выделяли нити, в то время как те, кто использовал i-PDMS, демонстрировали несколько отклоняющихся от нормы поведения: они предпочитали прикреплять свои нити либо к своим собственным. оболочки или соседнюю поверхность, не имеющую покрытия SLIPS; они выделяли вязкий гель, не затвердевающий в нить; или они прощупывали поверхность всего несколько секунд, прежде чем быстро втягивать ногу в свою раковину, не пытаясь выделить нить. «В дополнение к разрушению самих нитей биссальной нити, пропитанные смазкой поверхности сбивали мидий с толку, заставляя их думать, что они не подходящие места для прикрепления», – говорит Амини.
Ученые догадывались, что слой смазки SLIPS физически мешает мидиям обнаруживать твердую поверхность под ним, поскольку они обнаружили, что их ступни содержат белки, которые, как известно, чувствуют давление. Они использовали крошечный зонд для измерения силы, «ощущаемой», когда кончик зонда соприкасался с различными поверхностями, а затем был удален. Зонд обнаружил «тянущую» силу при контакте с обоими покрытиями SLIPS, которая оказалась поверхностным натяжением от слоя жидкой смазки, прикрепленного к зонду до того, как он достиг твердой поверхности под. «Мы знаем, что мидии ожидают почувствовать сжимающую силу от твердой поверхности к своим ногам, и эта неожиданная тянущая сила со стороны смазки, кажется, заставляет их не прикреплять нити, в дополнение к нарушению SLIPS механизма связывания нити, "объясняет Амини.
I-PDMS создавал более сильное тянущее усилие, чем 2D SLIPS, вероятно, поэтому он лучше маскирует нижележащую твердую поверхность и удерживает чувствительные к давлению ножки мидий.
Наконец, команда Wyss в партнерстве с Национальным морским заповедником NOAA Stellwagen Bank в Скуейт, штат Массачусетс, погрузила панели всех испытанных в лаборатории материалов в гавань Скуейт на шестнадцать недель, чтобы посмотреть, будут ли на них расти организмы. «На этом полевом участке наблюдается типичное биообрастающее сообщество Северной Атлантики, в первую очередь популяция голубых мидий (Mytilus edulis), что позволило сравнить результаты, полученные в лаборатории, с наблюдениями в реальных условиях», – говорит Стефан Колле, научный сотрудник. в лаборатории Айзенберга в Институте Висса и SEAS, который также является соавтором статьи. I-PDMS не только показал в четыре раза меньше оседания мидий, чем Intersleek 900, и в 30 раз меньше, чем неинфицированный PDMS, но также превзошел другие материалы в сопротивлении другим видам биообрастания, таким как оболочники, гидроиды и слизь. «Многие организмы в полевых условиях используют разные стратегии и клеи для прикрепления к подводным поверхностям, но у нас есть решение, которое может работать с большинством видов», – говорит Онье Аханоту, старший научный сотрудник Института Висса и соавтор книги. бумага.
Важно отметить, что i-PDMS можно химически модифицировать, чтобы удерживать значительный запас смазки в полимерной сетке, которая пополняет запас жидкого верхнего слоя, и превращать ее в стойкую высокоэффективную краску.
В настоящее время команда тестирует его в пяти морских местах с высоким уровнем биообрастания по всему миру, и до сих пор он выдерживал натиск мидий и других организмов, последовательно предотвращая биообрастание в течение более двух лет.
«Красота этого исследования заключается в том, что мы не только показали, что скользкие поверхности эффективны против адгезии мидий, но и благодаря этому исследованию мы также пришли к пониманию механизма прикрепления мидий к поверхности от молекулы через макроскопический масштаб и, следовательно, "как это можно предотвратить", – говорит Айзенберг, член-основатель основного факультета Института Висса и профессор Эми Смит Берилсон в области материаловедения в SEAS. «Теперь у нас есть очень подробное понимание фундаментальной науки в сочетании с успешными, реальными приложениями, и это довольно уникальная вещь."
«Это сотрудничество иллюстрирует цель Wyss – объединить любопытство фундаментальных научных исследований с решением инженерных проблем, используя подсказки природы для разработки и внедрения решений реальных проблем», – говорит директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, штат Массачусетс.D., Ph.D., который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в SEAS.