Porcupine Quills & Gecko Feet Inspire Medical Materials

{h1}

De ontwerpen van nature beïnvloeden nieuwe ontwerpen in vele industrieën.

Velcro® werd geïnspireerd door de grijphaken van bramen. Supersonische jets hebben structuren die werken als de neusgaten van slechtvalken in een snelheidsduik. Zwemkleding voor het hele lichaam, nu verbannen van de Olympische Spelen, geeft atleten een soepele, gestroomlijnde vorm zoals vis.

De ontwerpen van Nature geven onderzoekers die worden gefinancierd door de National Institutes of Health ideeën voor nieuwe technologieën die kunnen helpen bij het genezen van wonden, injecties minder pijnlijk maken en nieuwe materialen voor verschillende doeleinden leveren.

Quill Skills

De stekels van het Noord-Amerikaanse stekelvarken zijn voorzien van naaldachtige uiteinden, gewapend met lagen van 700 tot 800 microscopische weerhaken. Zoals nieuwsgierige honden en potentiële roofdieren ontdekken, maken de naar achteren gerichte weerhaken het pijnlijk om de stekels van het vlees te verwijderen.

Voor wetenschappers wijzen de vlijmscherpe vaardigheden van stekels op ontelbare toepassingen. Neem bijvoorbeeld het werk van Jeffrey Karp van Harvard University, Brigham en Women's Hospital en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en zijn Harvard / MIT-collega Robert Langer. Deze onderzoekers maakten schijven van medische tape geïmpregneerd met microscopisch kleine weerhaken. Ze testen de patches als hulpmiddelen om hernia's te herstellen of chirurgische wonden te sluiten en denken dat de schijven voordelen kunnen hebben ten opzichte van de netten en nietjes die momenteel worden gebruikt.

Stekelvarken pennen hebben onderzoekers nieuwe ideeën gegeven over het maken van medische apparaten en materialen met gewenste eigenschappen.

Stekelvarken pennen hebben onderzoekers nieuwe ideeën gegeven over het maken van medische apparaten en materialen met gewenste eigenschappen.

Krediet: Shutterstock

Dezelfde onderzoekers hebben onlangs stekelvarkensstelen vanuit een heel ander perspectief bekeken. Wat hen het meest intrigeerde was niet hoe moeilijk de stiften zijn om te verwijderen, maar hoe gemakkelijk de schachten de huid binnendringen. Prikken met weerhaken glippen nog gemakkelijker in het vlees dan die zonder weerhaken - of dan injectienaalden met dezelfde diameter.

De wetenschappers ontdekten tot hun verrassing dat de punctiesterkte van een quill afkomstig is van zijn punt met weerhaken. Weerhaken lijken te werken als de punten op een gekarteld mes en concentreren de druk op kleine oppervlakken om de penetratie te bevorderen. Omdat ze aanzienlijk minder kracht nodig hebben om de huid te doorboren, doen staven met weerhaken minder pijn als ze vlees binnengaan zoals hun tegenhangers met gladde uiteinden doen.

Voor de onderzoekers zijn stekels met weerhaken een startpunt voor het ontwerpen van naalden die minder pijnlijke injecties opleveren. Om het stekelige - en mogelijk pijnlijke - probleem van het terugtrekken van naalden met weerhaakjes te omzeilen, stellen de wetenschappers voor om synthetische weerhaken te maken die na penetratie verzachten of afbreken, of alleen weerhaken op delen van de naald plaatsen waar ze de binnenkomst kunnen helpen, maar de uitgang niet hinderen.

Gecko Grip

Gekko's kunnen tegen muren opklimmen en langs plafonds lopen, omdat hun voeten bedekt zijn met een dichte mat van vingerachtige uitsteeksels. Elke projectie, een paar duizendsten van een centimeter lang en vele malen dunner dan een mensenhaar, eindigt in een plukje van honderden vezels op nanoschaal die spatels worden genoemd. De punt van elke spatel verbreedt en wordt vlakker tot een afgeronde driehoek, ongeveer zoals een keukenspatel. Samen vergroten de spatels op nanoschaal het contactoppervlak tussen de voet van een gekko en een oppervlak enorm.

Met hagedissen in het achterhoofd creëerden Karp en Langer een biocompatibele medische kleefstof met een patroon van nanozuilen om het contactoppervlak te maximaliseren. Het materiaal kan aan verschillende weefseloppervlakken blijven kleven, ook die onregelmatig zijn en van vorm veranderen.

Helaas is het materiaal niet plakkerig genoeg om een ​​luchtdichte, waterdichte verzegeling te creëren, dus het kan niet alleen op interne orgels worden gebruikt. Daarentegen kan bestaande lijm van medische kwaliteit wonden strak en snel afsluiten, maar het kan ook weefselirritatie veroorzaken.

De wetenschappers combineerden de twee producten tot een ideale oplossing: een gekko-geïnspireerde tape bedekt met een dunne laag lijm. De nieuwe tape komt nauw overeen met oppervlakken, de lijm dicht eventuele kleine openingen af ​​en het hele product is niet irriterend voor weefsels. Deze kenmerken kunnen het geschikt maken voor toepassingen zoals het repareren van bloedvaten of het dichten van gaten in het spijsverteringskanaal.

Elk deel van een spinnenweb is sterk en elastisch, maar slechts enkele strengen kleven. Deze functies inspireerden wetenschappers tot het ontwerpen van een medische kleefstof die milder is voor de gevoelige huid.

Elk deel van een spinnenweb is sterk en elastisch, maar slechts enkele strengen kleven. Deze functies inspireerden wetenschappers tot het ontwerpen van een medische kleefstof die milder is voor de gevoelige huid.

Krediet: Hellen Grig, Shutterstock

Silky Stickiness

Spindraad is sterk (vijf keer sterker dan staal in gewicht), elastisch en licht van gewicht. Sommige zijde is plakkerig om prooi te vangen, en een andere is om de spin niet langs te laten rennen.

Karp, Langer en hun postdoctoraal medewerker Bryan Laulicht trachtten een ander nieuw medisch product met vergelijkbare eigenschappen te creëren - een buigzaam, loslaatbaar kleefmiddel dat het onderliggende oppervlak niet beschadigt wanneer het wordt verwijderd. Dit soort tape zou vooral waardevol zijn om buizen of sensoren op hun plaats te houden op mensen met een gevoelige huid, inclusief pasgeboren baby's en ouderen.

Ter referentie, de wetenschappers richtten zich aanvankelijk op traditionele medische tape, die, net als huishoudelijke masking tape, is gemaakt door een plakkerige kleefstof op een dun rugmateriaal te strooien. Maar in plaats van meteen de backing met lijm te spuiten, pasten de onderzoekers eerst een film op siliconenbasis toe. Toen, met een andere knipoog naar het patroon op nanoschaal op gekkoevoeten, gebruikten ze een laser om een ​​microscopisch rasterpatroon op de film te etsen. Uiteindelijk hebben ze de kleverige laag toegevoegd.

Langs de rasterlijnen, waar de laser de film wegbrandde, raakte de backing de kleefstof en fungeert het product net als normale plakband.In gebieden die niet worden aangeraakt door de laser, drijft de steunlaag op de siliciumfilm en wordt deze gemakkelijk opgetild, waarbij een laag kleefstof achterblijft die ofwel op natuurlijke wijze is verwijderd of met lichte vingerdruk kan worden weggerold.

In wezen heeft het resulterende product een aantal kleverige en niet-kleverige gebieden, net als een spinnenweb. Het gaat gemakkelijk door, hecht goed en komt het beste van alle kanten af, zelfs wanneer het snel wordt getrokken in een noodsituatie.

Karp is niet verbaasd dat het bestuderen van de natuurlijke wereld oplossingen kan bieden voor medische uitdagingen. "Ik ben ervan overtuigd dat evolutie echt de beste probleemoplosser is," zei hij, eraan toevoegend dat we nog veel te leren hebben van de natuur.

Kom meer te weten:

Video over het onderzoek van Jeffrey Karp

Ook in deze serie:

Nature: The Master Medicine-Maker

Dit Inside Life Science-artikel werd verstrekt aan WordsSideKick.com in samenwerking met het National Institute of General Medical Sciences, onderdeel van de National Institutes of Health.


Video Supplement: YIKES! Quilled by a Porcupine!.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com