(Phys.org) —Onderzoekers onder leiding van wetenschappers van Case Western Reserve University hebben zich tot een onwaarschijnlijk model gewend om medische apparaten veiliger en comfortabeler te maken:de bek van een inktvis.

Veel medische implantaten vereisen harde materialen die moeten worden verbonden met of door zacht lichaamsweefsel moeten gaan. Deze mechanische mismatch leidt tot problemen zoals huidafbraak bij abdominale voedingsslangen bij patiënten met een beroerte en waar draden door de borstkas lopen om ondersteunende hartpompen aan te drijven. Voer de inktvis in.

De punt van de snavel van een inktvis is harder dan menselijke tanden, maar de basis is zo zacht als het Jello-achtige lichaam van het dier. Om deze twee mechanisch ongelijke delen van de inktvis met elkaar te verbinden, heeft een groot deel van de snavel een mechanische helling die als schokdemper fungeert, zodat het dier een vis kan bijten met botverpletterende kracht zonder te lijden aan slijtage van zijn vlezige mond .

De technologie van de natuur kan een reeks medische apparaten comfortabeler en veiliger maken voor patiënten, van glucosesensoren voor diabetici tot prothetische armen en benen die hechten aan de botten van geamputeerden, zeggen de onderzoekers. Hun werk is vandaag gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"We bootsen de architectuur en de waterverbeterde eigenschappen van de inktvis na om deze materialen te genereren, " zei Stuart J. Rowan, de Kent H. Smith hoogleraar macromoleculaire wetenschap en techniek bij Case Western Reserve, en senior auteur.

Rowan werkte samen met promovendus Justin D. Fox en assistent-professor biomedische technologie Jeffrey R. Capadona bij CWRU, en Paul D. Marasco, WHO, zoals Capadona, is hoofdonderzoeker bij het Advanced Platform Technology Center van het Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center.

Andere onderzoekers hebben aangetoond dat de structuur van de snavel een nanocomposiet is dat bestaat uit een netwerk van chitinevezels ingebed in steeds meer verknoopte structurele eiwitten van mond tot punt. De gradiënt is aanwezig wanneer het snavelmateriaal droog is, maar is dramatisch verbeterd in water, de natuurlijke omgeving van de inktvis.

Rowan en Capadona behoorden tot een team van onderzoekers die eerder een materiaal hadden gerapporteerd dat de huid van de zeekomkommer nabootst, dat zacht en buigzaam is als het nat is en stijf en hard als het droog is.

Ze dachten dat materiaal, in de vorm van een film, kunnen worden verknoopt met nanovezels om de stijfheid te behouden als ze nat zijn. Ze vulden de film met gefunctionaliseerde nanokristallen van cellulose die, bij blootstelling aan licht, kruisverbanden vormen.

Om de stijfheid over de film op te voeren, het ene uiteinde werd blootgesteld aan geen licht en de daaropvolgende secties aan steeds meer licht. Hoe langer de blootstelling, hoe meer crosslinks er werden gevormd.

Net als de snavel, het cijfer van zacht naar hard was steiler als het nat was. Water schakelt de zwakkere niet-covalente bindingen uit die ontstaan ​​als het materiaal droog is.

De natte omgeving in het lichaam zal de helling net zo goed versterken, wat deze technologie vooral aantrekkelijk maakt voor implantaten, zeggen de onderzoekers.

"Er zijn allerlei plaatsen in de geneeskunde waar we harde materialen gebruiken, maar we zijn meestal zacht, " zei Marasco. Het contrast is een recept voor zweren en infecties, slechte prestaties en implantaatfalen.

Naalden in de insulinepompen van diabetici, metalen stents die in bloedvaten worden ingebracht en elektroden die in spieren of hersenen worden ingebracht, kunnen veiliger en effectiever zijn als materialen hard blijven waar ze moeten zijn, maar de omringende zachte weefsels bufferen.

"Prothetische ledematen zijn verbonden met de arm of het been met een koker van hard plastic die over het restledemaat past, "Vervolgde Marasco. "Maar bot beweegt onder de kom en kan het zachte weefsel binnenin beschadigen, terwijl de socket hard kan zijn op de huid waar hij contact maakt."

Een betere oplossing, hij zei, zou zijn om een ​​metalen inzetstuk in het bot in het lichaam te laten lopen en een prothese direct buiten het lichaam te bevestigen met behulp van dit soort mechanische buffer waar het harde metaal door de zachte huid gaat.

De onderzoekers werken al aan de volgende generatie materialen en verknopingsstrategieën om de buffergradiënt steiler te maken. De punt van de snavel van een inktvis is 100 keer harder dan het zachtste deel, terwijl de harde punt van deze eerste mimic vijf keer harder is dan zijn zachte uiteinde.

"Dit is een proof of concept, "Zei Rowan. "Nu we hebben laten zien dat het concept werkt, worden we nu een klein beetje ingewikkelder en richten we ons op materialen waarmee we dichter bij toepassingen kunnen komen."