Een watertank vol ongewervelde dieren ter grootte van een muntstuk is misschien niet het eerste wat je zou verwachten in een onderzoekslaboratorium voor materiaalwetenschap en techniek.

Maar Eli Sone, een professor in de afdeling materiaalkunde en engineering aan de faculteit Toegepaste Wetenschappen en Engineering van de Universiteit van Toronto en het Institute of Biomedical Engineering, en zijn team bestuderen al jaren zowel zebra- als quagga-mosselen in de hoop dat ze kan helpen bij het oplossen van een breed scala aan uitdagingen.

"Er is een materiaalwetenschappelijke invalshoek, maar er is ook een biomedische invalshoek", zegt Sone. "Aan de ene kant zijn deze mosselen een probleem in termen van wat we biofouling noemen, dus we zijn op zoek naar materialen of coatings om te voorkomen dat ze bijvoorbeeld de watertoevoerleidingen verstoppen."

"Maar aan de andere kant, als we begrijpen waarom ze zo goed hechten, zou dat ons kunnen helpen bij het ontwerpen van dingen zoals niet-giftige biologisch afbreekbare lijmen, die een alternatief kunnen bieden voor interne hechtingen voor operaties of gelokaliseerde toepassingen voor medicijnafgifte."

Zebra- en quaggamosselen komen oorspronkelijk uit de meren en rivieren van Zuid-Rusland en Oekraïne. Ze kwamen in de jaren tachtig aan in de Grote Meren van Noord-Amerika, waarschijnlijk door mee te liften in het ballastwater van schepen die vertrokken uit Europa.

Sindsdien zijn ze invasief geworden in veel Noord-Amerikaanse waterwegen, waarbij ze inheemse mosselsoorten verdringen en boten, waterinlaatpijpen en andere infrastructuur vervuilen.

De laatste studie van het team, onlangs gepubliceerd in Scientific Reports , schetst nieuwe technieken voor het meten van de hechting van zebra- en quaggamosselen aan verschillende oppervlakken.

"Een van de uitdagingen is hoe klein deze mosselen zijn in vergelijking met andere soorten", zegt U of T Engineering-alumnus Bryan James, die aan het project werkte als onderdeel van zijn bachelorscriptie en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Woods Hole Oceanographic Instelling in Woods Hole, Massachusetts.

"De draden die ze gebruiken om zich aan oppervlakken te hechten, zijn slechts enkele millimeters lang en zo dun als een mensenhaar. Je kunt ze niet in een traditioneel apparaat stoppen om de treksterkte te testen."

De geïmproviseerde oplossing van het team omvatte een zelfsluitend pincet met fijne punt, een digitale camera en een krachtmeter. Hiermee konden ze meten hoeveel kracht er nodig was om de op eiwit gebaseerde lijm die de mosselen afscheiden te breken.

Het team ontdekte dat de mosselen sterker hechtten aan glas dan aan kunststoffen zoals PVC of PDMS. Dit was te verwachten, aangezien glas een hydrofiel (wateraantrekkend) materiaal is, vergelijkbaar met de rotsen die de mosselen in de natuur als substraat gebruiken. PDMS daarentegen stoot water af en wordt vaak toegepast op scheepsrompen om biofouling te voorkomen.

Maar er waren ook enkele verrassingen.

"De werkelijke omvang van deze waarden was vergelijkbaar met - of in sommige gevallen groter dan - gerapporteerde waarden voor andere soorten mosselen", zegt James. "Dit suggereert dat er misschien iets speciaals is aan de lijm die ze hebben ontwikkeld."

Nadat de draden waren losgemaakt, scande het team de lijm die op de oppervlakken was achtergebleven met behulp van elektronenmicroscopie.

"Op sommige oppervlakken ontdekten we dat er een dun eiwitresidu achterbleef na onthechting", zegt Kenny Kimmins, een huidige Ph.D. student in Sone's lab.

"Dit toont aan dat de eiwitten op het grensvlak zeer sterk interageren met deze oppervlakken, zelfs in natte omstandigheden, wat de meeste synthetische lijmen niet kunnen."

Sone en zijn team zetten hun onderzoek in het gebied voort en werken samen met universitair hoofddocent Ben Hatton aan nieuwe soorten oppervlakken om vervuiling van kritieke infrastructuur te voorkomen.

"Op dit moment gebruiken mensen vaak een chemische behandeling om de mosselen te verwijderen", zegt Sone. "Dat werkt, maar het doodt ook al het andere in de buurt. Het hebben van oppervlakken die van nature moeilijk zijn voor de mosselen om zich aan te hechten, zou een milieuvriendelijkere optie kunnen zijn."

Het team analyseert ook de lijmen die worden geproduceerd door zowel zebra- als quagga-mosselen, met als doel ze na te bootsen in biomedische lijmen.

"De natuur heeft een paar miljoen jaar voorsprong op ons gehad als het gaat om het ontwerpen van hoogwaardige lijmen die veerkrachtig zijn, zelfs als ze nat zijn", zegt Sone. "Als we daarvan kunnen leren, kunnen we misschien met betere oplossingen komen dan wat we nu hebben."