Het begon allemaal met een weddenschap op een conferentie in Italië in 2013. Nicolas Vogel, doctoraat, vervolgens een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Joanna Aizenberg aan het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard, gaf een lezing over de Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) coatings van de groep, die beloofde te voorkomen dat bijna alles zich zou hechten aan structuren waarop ze werden toegepast. In het publiek zat Ali Miserez, doctoraat, een Associate Professor of Materials Science and Engineering aan de Nanyang Technological University (NTU), gespecialiseerd in biologische materialen, die Vogel benaderde na de presentatie en vol vertrouwen zei:"Ik wed dat mosselen aan je coating blijven plakken, omdat ik nog steeds een oppervlak moet zien waaraan ze zich niet zullen hechten."

Vogel nam de uitdaging aan en stuurde enkele SLIPS-monsters naar Miserez toen hij terugkeerde naar Cambridge, het starten van een samenwerking waarvan de resultaten worden gerapporteerd in het nummer van deze week van Wetenschap . De studie toonde aan dat een bepaalde vorm van SLIPS inderdaad in wezen mosselproof is, en licht werpen op hoe ze de deskundige hechtingsmechanismen van mosselen dwarsbomen. "Ik heb de weddenschap zwaar verloren, " zegt Misérez, die samen met Vogel (nu professor aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Duitsland) en Aizenberg. 'Ik denk dat ik Nicolas een lekker diner schuldig ben.'

Mosselen zijn een van de ergste veroorzakers van biofouling, of de ongewenste ophoping van organismen op onderwaterstructuren zoals pijpen, boten, industrieel materiaal, en dokken. Niet alleen dreigen biovervuilende organismen zoals mosselen de voet van een ongelukkige zwemmer open te snijden, ze hebben aanzienlijke economische en milieukosten:alleen al de Amerikaanse marine besteedt ongeveer $ 1 miljard per jaar aan antifouling-inspanningen, en veel soorten zijn invasieve plagen die liften naar nieuwe omgevingen op scheepsrompen.

De overgrote meerderheid van de wapens die worden ingezet tegen mosselen en andere aanhangers zijn verven en coatings die giftige chemicaliën bevatten, meestal op koperbasis, die organismen afschrikken of doden wanneer ze in de buurt komen. Deze materialen geven aanleiding tot bezorgdheid omdat ze soorten zonder onderscheid vergiftigen, zich ophopen in waterwegen, waarschijnlijk ecologische gevolgen hebben, moeten regelmatig worden vervangen, en zijn vaak niet zo effectief als gewenst. Niet-giftige coatings met "lage oppervlakte-energie" op basis van siliconen- of siloxaanpolymeren (verbindingen die vergelijkbaar zijn met die welke in de medische industrie voor katheters worden gebruikt) zijn geïntroduceerd als niet-toxische alternatieven, maar hoewel deze materialen het mogelijk maken om biofouling soorten gemakkelijker te verwijderen, ze zijn in de eerste plaats minder effectief in het voorkomen dat organismen zich hechten, en zijn gevoelig voor beschadiging en bederf.

De SLIPS-technologie van Wyss, geïnspireerd door de gladde lip van een vleesetende bekerplant die insecten naar hun ondergang laat glijden, profiteren van het feit dat het voor een organisme erg moeilijk is om zich aan een vloeistofoppervlak te hechten. SLIPS bestaat uit een vast oppervlak doordrenkt met een vloeibare smeermiddellaag die op zijn plaats wordt gehouden, zodat alles dat in contact komt met de vloeibare laag er gewoon afglijdt. Van SLIPS is eerder aangetoond dat het effectief is tegen bacteriën en algen, maar mosselen vormen een bijzonder intimiderende vijand. Hun gespierde voeten produceren zelfklevende filamenten die byssale draden worden genoemd, waarvan de uiteinden, zelfklevende plaques genoemd, bevatten speciale hechtende eiwitten die watermoleculen van het doeloppervlak verwijderen zodat de plaques eraan kunnen binden. "Mosselen hebben de vaardigheid om in een onderwateromgeving te plakken onder de knie, ondanks dat water de grootste vijand van adhesie is, ", zegt Miserez. Door dit systeem kunnen ze zich uitstekend hechten aan oppervlakken:grote ophopingen van mosselen kunnen wel 1 wegen. 700 pond per vierkante voet.

Om te onderzoeken of SLIPS zich kan staande houden tegen deze deskundige biofoulers, het NTU-team onder leiding van Miserez plaatste Aziatische groene mosselen op panelen met een "dambordpatroon" van verschillende soorten niet-biocide aangroeiwerende oppervlakken onder water, en laat de mosselen kiezen waar ze aanhangen. Twee verschillende soorten gladde oppervlakken, doordrenkt met siliconenolie als smeermiddel, werden geëvalueerd:een zeer dunne, op silica gebaseerde en nanogestructureerde 2D-coating laag voor laag aangebracht (i-LBL) en een dikkere, matrixachtige 3D-coating gemaakt van het gewone polymeer polydimethylsiloxaan (i-PDMS). Versies zonder smeermiddel van die coatings, een op wolfraamoxide gebaseerde 2D-coating, ongecoat glas, en twee in de handel verkrijgbare niet-biocide coatings voor het verwijderen van vuil (Intersleek? 700 en Intersleek? 900) werden ter vergelijking opgenomen. Na 24 uur, Intersleek? 700 hadden ~75 mosselplaques per paneel, terwijl i-PDMS slechts vijf mosselplaques had op één van de in totaal vijftien panelen, wat aangeeft dat de mosselen dat niet deden, in feite, goed vasthouden aan i-PDMS.

Niet tevreden met het bepalen van de winnaar van de weddenschap, de NTU-onderzoekers zetten hun onderzoek voort om precies vast te stellen waarom de mosselen niet gemakkelijk aan i-PDMS binden:plakten de draden zelf niet, en/of weigerden de mosselen ze te hechten? Om de eerste vraag te beantwoorden, het team mat de kracht die nodig was om de byssale draden van de mosselen van de verschillende oppervlakken te trekken, en ontdekte dat er draden aan de Intersleek waren vastgemaakt? coatings vereisten twee tot zes keer de kracht die nodig is om schroefdraad van i-PDMS te verwijderen, en draden die aan de niet-geïnfuseerde coatings waren bevestigd, hadden tien keer meer kracht nodig. "Dit komt waarschijnlijk omdat de vloeibare bovenlaag van de met smeermiddel doordrenkte oppervlakken weerstand biedt tegen verplaatsing door de hechtende eiwitten van de mosselen, het oppervlak gesmeerd houden en daardoor voorkomen dat de byssale draden zich binden, ", zegt co-eerste auteur Shahrouz Amini, doctoraat, die Research Fellow was bij NTU toen de studie werd voltooid en nu onderzoeker is aan het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam, Duitsland. Inderdaad, wanneer een gedetailleerde biochemische analyse van de mosselvoetafdrukken werd uitgevoerd, biomoleculaire kenmerken van de adhesieve eiwitten werden gevonden op alle controlematerialen, maar niet op de gladde oppervlakken van de Wyss.

Om te zien of de mosselen ook probeerden minder byssale draden aan te hechten, de onderzoekers plaatsten ze op elk van de oppervlakken en observeerden ze in realtime. Mosselen op de niet-geïnfuseerde LBL- en PDMS-oppervlakken gedroegen zich normaal, ze een paar seconden met hun voeten aftasten voordat ze draden afscheiden, die zich binnen ongeveer 30 seconden vormden. Die op 2D gladde oppervlakken, echter, onderzocht ze voor een aanzienlijk langere tijd (30-80 seconden) en scheidde geen threads af, terwijl die op i-PDMS verschillende afwijkende gedragingen vertoonden:ze kozen ervoor om hun draden aan hun eigen schelpen of aan een naburige te bevestigen, niet-SLIPS-gecoat oppervlak; ze scheidden een stroperige gel af die niet stolde tot een draad; of ze tastten het oppervlak slechts een paar seconden af ​​voordat ze hun voet snel in hun schild terugtrokken zonder te proberen een draad af te scheiden. "Naast het verstoren van de byssale draden zelf, de met smeermiddel doordrenkte oppervlakken verwarden de mosselen, waardoor ze besluiten dat ze geen geldige plaatsen waren om te hechten, ' zegt Amini.

De wetenschappers hadden het vermoeden dat de smeermiddellaag van de SLIPS fysiek interfereerde met het vermogen van de mosselen om het vaste oppervlak eronder te detecteren, omdat ze ontdekten dat hun voeten eiwitten bevatten waarvan bekend is dat ze druk voelen. Ze gebruikten een kleine sonde om de hoeveelheid "gevoelde" kracht te meten toen de punt van de sonde in contact kwam met de verschillende oppervlakken en vervolgens werd verwijderd. De sonde detecteerde een "trekkracht" bij contact met beide SLIPS-coatings, wat oppervlaktespanning bleek te zijn van de vloeibare smeermiddellaag die aan de sonde was bevestigd voordat deze het vaste oppervlak eronder bereikte. "We weten dat mosselen verwachten een samendrukkende kracht van een hard oppervlak tegen hun voeten te voelen, en deze onverwachte trekkracht van het smeermiddel lijkt ervoor te zorgen dat ze geen schroefdraad willen bevestigen, naast de verstoring door de SLIPS van het draadbindingsmechanisme, " legt Amini uit. De i-PDMS produceerde een sterkere trekkracht dan de 2D SLIPS, dat is waarschijnlijk de reden waarom het het onderliggende vaste oppervlak beter maskeert en de drukgevoelige voeten van de mosselen afschrikt.

Eindelijk, het Wyss-team werkte samen met het NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary in Scituate, Massa, panelen van alle in het laboratorium geteste materialen gedurende zestien weken onderdompelen in Scituate Harbor om te zien of er organismen op zouden groeien. "Deze veldsite vertoont een typische Noord-Atlantische biofoulinggemeenschap, met name een populatie blauwe mosselen (Mytilus edulis), waarmee de in het laboratorium verkregen bevindingen konden worden vergeleken met waarnemingen in reële omstandigheden, " zegt Stefan Kolle, een onderzoeksmedewerker in het Aizenberg-lab van het Wyss Institute en SEAS, die ook een co-eerste auteur van het artikel is. Niet alleen vertoonde de i-PDMS vier keer minder mosselzetting dan Intersleek? 900 en 30 keer minder dan niet-geïnfundeerde PDMS, het presteerde ook beter dan de andere materialen bij het weerstaan ​​van andere biofouling soorten zoals manteldieren, hydroïden, en slijm. "Veel van de organismen in het veld gebruiken verschillende strategieën en lijmen om zich aan onderwateroppervlakken te hechten, maar we hebben een oplossing die voor de meeste soorten werkt, " zegt Onye Ahanotu, een Senior Research Scientist bij het Wyss Institute en co-auteur van het artikel.

belangrijk, i-PDMS kan chemisch worden gemodificeerd om een ​​substantiële voorraad smeermiddel vast te houden in het polymeernetwerk dat de vloeibare bovenlaag bevoorraadt, en geformuleerd in een langdurige, hoogwaardige verf. Het team test het momenteel op vijf mariene locaties met een hoge biofouling over de hele wereld, en tot dusver heeft het stand gehouden tegen de aanval van mosselen en andere organismen, het consequent voorkomen van biofouling gedurende meer dan twee jaar.

"Het mooie van deze studie is dat we niet alleen hebben aangetoond dat gladde oppervlakken effectief zijn tegen mosselaanhechting, maar door dat onderzoek kwamen we ook tot het mechanisme van hoe mosselen zich hechten aan een oppervlak van moleculaire tot macroscopische schaal en, daarom, hoe het kan worden voorkomen, " zegt Aizenberg, die een Founding Core Faculty-lid is van het Wyss Institute en de Amy Smith Berylson Professor of Material Sciences bij SEAS. "We hebben nu een zeer gedetailleerd begrip van fundamentele wetenschap in combinatie met succesvolle, toepassingen in de echte wereld, en dat is vrij uniek."

"Deze samenwerking is een voorbeeld van het doel van Wyss om de nieuwsgierigheid van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek te combineren met het oplossen van problemen van engineering, het nemen van aanwijzingen uit de natuur om oplossingen voor problemen in de echte wereld te ontwikkelen en in te zetten, ", zegt Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.