Urządzenie inspirowane rybą przyssawką przylega do miękkich tkanek w przewodzie pokarmowym
i pod wodą
Zainspirowani zdolnością remory (ryby przyssawki – podnawki) do przyczepiania się do rekinów i innych morskich zwierząt dzięki specjalnemu narządowi ssącemu, naukowcy z MIT i współpracujących instytucji opracowali mechaniczne urządzenie adhezyjne, które może przylegać do miękkich powierzchni pod wodą lub w ekstremalnych warunkach i pozostawać tam przez wiele dni lub nawet tygodni.
Badacze wykazali, że urządzenie to może skutecznie przylegać do błony śluzowej przewodu pokarmowego, co stanowi ogromne wyzwanie ze względu na ciągłe wydzielanie śluzu i jego regenerację. Dzięki nowemu systemowi adhezyjnemu możliwe jest automatyczne, pasywne przyleganie – bez użycia silników – w celu dostarczania leków przeciwwirusowych przeciw HIV lub RNA do przewodu pokarmowego, a także zastosowanie urządzenia jako czujnika do monitorowania choroby refluksowej przełyku (GERD). Dodatkowo, urządzenie może być przytwierdzane do pływających ryb w celu monitorowania środowisk wodnych.
Remora jako biologiczny wzorzec
Inspiracją dla konstrukcji był talerz ssący remory, który posiada unikalne właściwości pozwalające na przyleganie do różnych gospodarzy, w tym rekinów, marlina czy płaszczek. Chociaż mechanizm przylegania do miękkich, dynamicznie poruszających się powierzchni nie był dotąd dokładnie poznany, naukowcy pod kierownictwem dr. Giovanniego Traverso z MIT i Brigham and Women’s Hospital przeanalizowali fizykę oraz mechanikę działania przyssawki remory, co pozwoliło im stworzyć syntetyczny odpowiednik.
Zespół badawczy ustalił, że struktura tarczy ssącej remory obejmuje rzędy płytek (lamelli) pokrytych tkanką miękką, które tworzą niezależne komory ssące. Te z kolei pozwalają na skuteczne przyleganie do niejednorodnych powierzchni. Dodatkowo, z lamelli wystają mikroskopijne kolce (spinule), które mechanicznie zakotwiczają się w tkankach, zwiększając siłę adhezji i oporność na siły ścinające.
Projektowanie urządzenia MUSAS
Na podstawie tej biologicznej inspiracji zespół stworzył urządzenie nazwane MUSAS (mechanical underwater soft adhesion system) – miękki, pasywny system adhezyjny działający pod wodą. Zbudowane z gumy silikonowej i materiałów reagujących na temperaturę, urządzenie przypomina kształtem dysk remory, zawiera również rzędy lamelli oraz mikrokolce wykonane ze stopu z pamięcią kształtu. W kontakcie z temperaturą ciała, kolce aktywują się i „zakotwiczają” urządzenie w powierzchni błony śluzowej.
Badacze wykazali, że urządzenie może skutecznie przylegać do różnych miękkich, wilgotnych lub kwaśnych powierzchni – od żołądka świni, przez rękawiczki nitrylowe, aż po żywe ryby. W eksperymentach z czujnikiem temperatury przymocowanym do pływającej tilapii, urządzenie skutecznie rejestrowało temperaturę w czasie rzeczywistym nawet przy dużej prędkości pływania.
Zastosowania medyczne
W modelach zwierzęcych wykazano, że urządzenie może być wykorzystane do monitorowania GERD – po zaimplementowaniu czujnika impedancyjnego możliwe było śledzenie cofania się treści żołądkowej. To istotna alternatywa dla obecnych metod, które wymagają sond przez nos lub jamę ustną.
Dodatkowo, urządzenie umożliwia stopniowe uwalnianie leków. W jednym z eksperymentów zastosowano kabotegrawir (lek antyretrowirusowy używany w PrEP i leczeniu HIV), który był powoli uwalniany z polimerowej matrycy urządzenia przez tydzień po aplikacji na wyściółkę żołądka.
W kolejnym etapie naukowcy wprowadzili RNA do mikrokolców lamelli i z powodzeniem dostarczyli materiał genetyczny (RNA z genem lucyferazy) do komórek przełyku i jamy ustnej.
Obecnie zespół planuje przystosować technologię do dostarczania innych typów leków oraz szczepionek, a także do zastosowań w elektrycznej stymulacji hormonalnej – w tym regulującej apetyt.
Źródło: Nature, Adhesive inspired by hitchhiking sucker fish sticks to soft surfaces underwater, Massachusetts Institute of Technology
