Geïnspireerd door minuscule nanostructuren op transparante vlindervleugels, ingenieurs van Caltech hebben een synthetisch analoog voor oogimplantaten ontwikkeld waardoor ze effectiever en langer meegaan. Een paper over het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Delen van de vleugels van een longtail glasswing vlinder zijn bijna perfect transparant. Drie jaar geleden, Caltech-postdoctoraal onderzoeker Radwanul Hasan Siddique - die destijds werkte aan een proefschrift over een soort glasvleugel aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland - ontdekte de reden waarom:de doorzichtige delen van de vleugels zijn bedekt met kleine pilaren, elk ongeveer 100 nanometer in diameter en op een onderlinge afstand van ongeveer 150 nanometer. De grootte van deze pilaren - 50 tot 100 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - geeft ze ongebruikelijke optische eigenschappen. De pilaren sturen het licht dat op de vleugels valt om, zodat de stralen er doorheen gaan, ongeacht de oorspronkelijke hoek waaronder ze de vleugels raken. Als resultaat, er is bijna geen reflectie van het licht van het vleugeloppervlak.

In werkelijkheid, de pilaren maken de vleugels duidelijker dan wanneer ze van gewoon glas waren gemaakt.

Die omleidingseigenschap, bekend als hoekonafhankelijke antireflectie, trok de aandacht van Caltech's Hyuck Choo. Choo heeft de afgelopen jaren een oogimplantaat ontwikkeld dat de bewaking van intra-oogdruk bij glaucoompatiënten zou verbeteren. Glaucoom is wereldwijd de tweede belangrijkste oorzaak van blindheid. Hoewel het exacte mechanisme waardoor de ziekte het gezichtsvermogen beschadigt nog wordt bestudeerd, de leidende theorie suggereert dat plotselinge pieken in de druk in het oog de oogzenuw beschadigen. Medicatie kan de verhoogde oogdruk verminderen en schade voorkomen, maar idealiter moet het worden ingenomen bij de eerste tekenen van een piek in de oogdruk.

"Direct, oogdruk wordt meestal slechts een paar keer per jaar gemeten in het kantoor van een dokter. Glaucoompatiënten hebben een manier nodig om hun oogdruk gemakkelijk en regelmatig te meten, " zegt Cho, universitair docent elektrotechniek bij de afdeling Engineering and Applied Science en een onderzoeker van het Heritage Medical Research Institute.

Choo heeft een oogimplantaat ontwikkeld in de vorm van een trommeltje, de breedte van een paar haarlokken. Wanneer ingebracht in een oog, het oppervlak buigt met toenemende oogdruk, het verkleinen van de diepte van de holte in de trommel. Die diepte kan worden gemeten door een handheld-lezer, geeft een directe meting van onder hoeveel druk het implantaat staat.

Een zwakte van het implantaat, echter, is geweest dat om een ​​nauwkeurige meting te krijgen, de optische lezer moet bijna perfect loodrecht worden gehouden - in een hoek van 90 graden (plus of min 5 graden) - ten opzichte van het oppervlak van het implantaat. Op andere hoeken, de lezer geeft een onjuiste meting.

En dat is waar glasvleugelvlinders in beeld komen. Choo redeneerde dat de hoekonafhankelijke optische eigenschap van de nanopilaren van de vlinders zou kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat licht altijd loodrecht door het implantaat zou gaan, waardoor het implantaat hoekongevoelig wordt en een nauwkeurige meting wordt verkregen, ongeacht hoe de lezer wordt vastgehouden.

Hij schakelde Siddique in om in zijn lab te werken, en de twee, samen te werken met Caltech-afgestudeerde student Vinayak Narasimhan, een manier bedacht om het oogimplantaat te stutten met pilaren van ongeveer dezelfde grootte en vorm als die op de vleugels van de vlinder, maar gemaakt van siliciumnitride, een inerte verbinding die vaak wordt gebruikt in medische implantaten. Experimenteren met verschillende configuraties van de grootte en plaatsing van de pilaren, de onderzoekers waren uiteindelijk in staat om de fout in de metingen van de oogimplantaten drievoudig te verminderen.

"De nanostructuren ontsluiten het potentieel van dit implantaat, waardoor het voor glaucoompatiënten praktisch is om elke dag hun eigen oogdruk te testen, ' zegt Cho.

Het nieuwe oppervlak geeft de implantaten ook een langdurige, niet-toxische anti-biofouling eigenschap.

In het lichaam, cellen hebben de neiging zich vast te hechten aan het oppervlak van medische implantaten en, overuren, kauw ze op. Een manier om dit fenomeen te vermijden, genaamd biofouling, is om medische implantaten te coaten met een chemische stof die de aanhechting van de cellen ontmoedigt. Het probleem is dat dergelijke coatings uiteindelijk slijten.

De nanopilaren gemaakt door Choo's team, echter, op een andere manier werken. In tegenstelling tot de nanopilaren van de vlinder, de in het laboratorium gemaakte nanopilaren zijn extreem hydrofiel, wat betekent dat ze water aantrekken. Daarom, het implantaat, eenmaal in het oog, wordt al snel omhuld door een laagje water. Cellen glijden weg in plaats van voet aan de grond te krijgen.

"Cellen hechten zich aan een implantaat door te binden met eiwitten die aan het oppervlak van het implantaat zijn gehecht. Het water, echter, voorkomt dat die eiwitten een sterke verbinding tot stand brengen op dit oppervlak, ", zegt Narasimhan. Vroege testen suggereren dat het implantaat met nanopijler de biofouling vertienvoudigt in vergelijking met eerdere ontwerpen, dankzij deze anti-biofouling eigenschap.

Biofouling kunnen voorkomen is nuttig voor elk implantaat, ongeacht de locatie in het lichaam. Het team is van plan om te onderzoeken welke andere medische implantaten kunnen profiteren van hun nieuwe nanostructuren, die goedkoop in massa geproduceerd kunnen worden.

De studie is getiteld "Multifunctionele biofotonische nanostructuren geïnspireerd door longtail glasswing vlindervleugels voor medische apparaten."