Крылья бабочки помогают в создании медицинских имплантов

Вдохновленные крошечными наноструктурами на прозрачных крыльях бабочек, инженеры Caltech (Калифорнийский институт технологий) разработали синтетический аналог для глазных имплантов, что делает их более эффективными и долговечными. Документ об исследовании был опубликован в Nature Nanotechnology.

Секции крыльев бабочки-стеклянницы почти полностью прозрачны. Три года назад, докторант Caltech Радвануль Хасан Сиддик, в то время работавший над диссертацией, обнаружил причину: сквозные участки крыльев покрыты крошечными столбами (нанопиллары), каждый около 100 нанометров в диаметре и разнесены примерно на 150 нанометров друг от друга.

Размер этих столбов в 50-100 раз меньше ширины человеческого волоса — что придает им необычные оптические свойства. Столбцы перенаправляют свет, который воздействует на крылья таким образом, чтобы лучи проходили независимо от исходного угла, на котором они попали в крылья. В результате почти нет отражения света от поверхности крыла.

По сути, столбы делают крылья более четкими, чем если бы они были сделаны из простого стекла.

Это свойство переадресации, известное как независимое от угла просветление, привлекло внимание Хэка Чу Чалтаха. В течение последних нескольких лет он разрабатывает глазной имплант, который улучшит контроль внутриглазного давления у пациентов с глаукомой.

Глаукома — вторая ведущая причина слепоты во всем мире. Хотя точный механизм, по которому болезнь повреждает зрение, все еще изучается, ведущая теория предполагает, что внезапные всплески давления внутри глаза повреждают зрительный нерв. Лекарственные средства могут уменьшить повышенное давление глаз и предотвратить повреждение, но в идеале его необходимо принимать при первых признаках спайка в глазном давлении.

Хэк Чу разработал глазной имплант в виде крошечного барабана, шириной нескольких нитей волос. При вставке в глаз его поверхность сгибается с увеличением давления глаз, сужая глубину полости внутри барабана. Эта глубина может быть измерена с помощью карманного считывателя, давая прямое измерение давления.

Однако одна слабость импланта заключалась в том, что для точного измерения оптический считыватель должен удерживаться почти идеально перпендикулярно под углом 90 градусов (плюс или минус 5 градусов) по отношению к поверхности импланта. При других углах считыватель дает неправильное измерение.

И вот тут могут помочь бабочки. Хэк Чу полагал, что независимое от угла оптическое свойство нанопиллар бабочек может быть использовано для обеспечения того, чтобы свет всегда проходил перпендикулярно через имплант, делая его нечувствительным к углу и обеспечивая точное считывание.

Совместно исследователи разработали способ оснастить глазной имплант столбами примерно такого же размера и формы, что и на крыльях бабочки, но сделаны они были из нитрида кремния, инертного соединения, часто используемого в медицинских имплантат. Экспериментируя с различными конфигурациями размера и расположения нанопиллар, исследователи в конечном итоге смогли уменьшить погрешность показаний имплантов глаза в три раза.

«Наноструктуры открывают потенциал этого импланта, делая его практичным для пациентов с глаукомой», — говорит Хэк Чу.

Новая поверхность также придает имплантам долговременное, нетоксичное свойство против биологического обрастания.

В организме, клетки, как правило, «защелкиваются» на поверхности медицинских имплантов и со временем высушивают их. Один из способов избежать этого явления, называемого биологическим обрастанием, — покрыть медицинские импланты химическим веществом, которое препятствует прикреплению клеток. Проблема в том, что такие покрытия в конечном итоге стираются.

Однако нанопиллары, созданные командой Хэка Чу, работают по-другому. В отличие от нанопилларов бабочки, лабораторные нанопиллары являются чрезвычайно гидрофильными, что означает, что они привлекают воду. Из-за этого импланта, попав в глаз, вскоре оказывается заключен в водную оболочку. Клетки просто соскальзывают с него, вместо того, чтобы закрепиться.

«Клетки прикрепляются к импланту путем связывания с белками, которые прилипают к поверхности импланта. Однако вода препятствует этим белкам устанавливать прочную связь на поверхности», — говорит Нарасимхан. Раннее тестирование показывает, что имплант с нанополярным покрытием уменьшает биообразование в десять раз по сравнению с предыдущими конструкциями благодаря этому свойству.

Возможность избежать биообразования полезна для любого импланта независимо от его местоположения в теле. Команда планирует изучить, какие другие медицинские импланты могут оснащаться новыми наноструктурами, которые могут быть недорогими при массовом производстве.