Натхненні крихітними наноструктурами на прозорих крилах метеликів, інженери Caltech (Каліфорнійський інститут технологій) розробили синтетичний аналог для очних імплантів, що робить їх більш ефективними і довговічними. Документ про дослідження був опублікований в Nature Nanotechnology.
Секції крил метелика-скляниці майже повністю прозорі. Три роки тому, докторант Caltech Радвануль Хасан Сіддік, який у той час працював над дисертацією, виявив причину: наскрізні ділянки крил покриті крихітними стовпами (нанопіллари), кожен близько 100 нанометрів в діаметрі і рознесені приблизно на 150 нанометрів один від одного.
Розмір цих стовпів в 50-100 разів менше ширини людського волосся - що надає їм незвичайні оптичні властивості. Стовпчики перенаправляють світло, яке впливає на крила таким чином, щоб промені проходили незалежно від вихідного кута, на якому вони потрапили в крила. У результаті майже немає відбиття світла від поверхні крила.
По суті, стовпи роблять крила більш чіткими, ніж якби вони були зроблені з простого скла.
Ця властивість переадресації, відома як незалежна від кута просвітлення, привернула увагу Хека Чу Чалтаха. Протягом останніх декількох років він розробляє очний імплант, який поліпшить контроль внутрішньоочного тиску у пацієнтів з глаукомою.
Глаукома - друга провідна причина сліпоти в усьому світі. Хоча точний механізм, за яким хвороба пошкоджує зір, все ще вивчається, провідна теорія припускає, що раптові сплески тиску всередині ока пошкоджують зоровий нерв. Лікарські засоби можуть зменшити підвищений тиск очей і запобігти пошкодженню, але в ідеалі його необхідно приймати при перших ознаках спайка в очному тиску.
Хек Чу розробив очний імплант у вигляді крихітного барабана, шириною декількох ниток волосся. При вставленні в око його поверхня згинається зі збільшенням тиску очей, звужуючи глибину порожнини всередині барабана. Ця глибина може бути вимірена за допомогою кишенькового зчитувача, даючи прямий вимір тиску.
Однак одна слабкість імпланта полягала в тому, що для точного вимірювання оптичний зчитувач повинен утримуватися майже ідеально перпендикулярно під кутом 90 градусів (плюс або мінус 5 градусів) по відношенню до поверхні імпланта. При інших кутах зчитувач дає неправильний вимір.
І ось тут можуть допомогти метелики. Хек Чу вважав, що незалежна від кута оптична властивість нанопіллар метеликів може бути використана для забезпечення того, щоб світло завжди проходило перпендикулярно через імплант, роблячи його нечутливим до кута і забезпечуючи точне зчитування.
Спільно дослідники розробили спосіб оснастити очний імплант стовпами приблизно такого ж розміру і форми, що і на крилах метелика, але зроблені вони були з нітриду кремнію, інертного з'єднання, що часто використовується в медичних імплантат. Експериментуючи з різними конфігураціями розміру і розташування нанопіллар, дослідники в кінцевому підсумку змогли зменшити похибку показань імплантів ока в три рази.
«Наноструктури відкривають потенціал цього імпланта, роблячи його практичним для пацієнтів з глаукомою», - говорить Хек Чу.
Нова поверхня також надає імплантам довготривалу, нетоксичну властивість проти біологічного обростання.
В організмі, клітини, як правило, «заштовхуються» на поверхні медичних імплантів і з часом висушують їх. Один із способів уникнути цього явища, що називається біологічним обростанням, - покрити медичні імпланти хімічною речовиною, яка перешкоджає прикріпленню клітин. Проблема в тому, що такі покриття в кінцевому підсумку стираються.
Однак нанопіллари, створені командою Хека Чу, працюють по-іншому. На відміну від нанопілларів метелика, лабораторні нанопіллари є надзвичайно гідрофільними, що означає, що вони приваблюють воду. Через це імпланта, потрапивши в око, незабаром виявляється ув'язнений у водну оболонку. Клітини просто зісковзують з нього, замість того, щоб закріпитися.
"Клітини прикріплюються до імпланту шляхом зв'язування з білками, які прилипають до поверхні імпланта. Однак вода перешкоджає цим білкам встановлювати міцний зв'язок на поверхні ", - говорить Нарасимхан. Раннє тестування показує, що імплант із нанополярним покриттям зменшує біоутворення вдесятеро порівняно з попередніми конструкціями завдяки цій властивості.
Можливість уникнути біоутворення корисна для будь-якого імпланта незалежно від його місця розташування в тілі. Команда планує вивчити, які інші медичні імпланти можуть оснащуватися новими наноструктурами, які можуть бути недорогими при масовому виробництві.