Todo comenzó con una apuesta en una conferencia en Italia en 2013. Nicolas Vogel, Doctor., luego un becario postdoctoral en el laboratorio de Joanna Aizenberg en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en la Universidad de Harvard y en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, dio una charla sobre los recubrimientos Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) del grupo, que prometía evitar que casi cualquier cosa se adhiriera a las estructuras a las que se aplicaba. En la audiencia estaba Ali Miserez, Doctor., un profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) especializado en materiales biológicos que se acercó a Vogel después de la presentación y dijo con confianza:"Apuesto a que los mejillones se pegarán a tu cobertura, porque todavía tengo que ver una superficie a la que no se adhieran ".

Vogel aceptó el desafío y envió algunas muestras de SLIPS a Miserez al regresar a Cambridge. iniciar una colaboración cuyos resultados se informan en la edición de esta semana de Ciencias . El estudio demostró que una determinada forma de SLIPS es esencialmente a prueba de mejillones, y arrojar luz sobre cómo frustran los mecanismos de apego expertos de los mejillones. "Perdí gravemente la apuesta, "dice Miserez, quien es autor correspondiente del artículo junto con Vogel (ahora profesor en Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Alemania) y Aizenberg. "Creo que le debo una buena cena a Nicolas."

Los mejillones son uno de los peores perpetradores de bioincrustaciones, o la acumulación no deseada de organismos en estructuras submarinas como tuberías, barcos equipo industrial, y muelles. Los organismos bioincrustantes como los mejillones no solo amenazan con cortar el pie de un nadador desafortunado, tienen importantes costos económicos y ambientales:la Marina de los EE. UU. gasta ~ $ 1 mil millones por año en esfuerzos antiincrustantes, y muchas especies son plagas invasoras que se transportan a nuevos entornos en los cascos de los barcos.

La gran mayoría de las armas utilizadas contra los mejillones y otros aditivos son pinturas y revestimientos que contienen sustancias químicas tóxicas. generalmente a base de cobre, que disuaden o matan a los organismos cuando se acercan. Estos materiales son motivo de preocupación porque envenenan especies de forma indiscriminada, se acumulan en las vías fluviales, probablemente tenga impactos ecológicos, necesita ser reemplazado con regularidad, ya menudo no son tan eficaces como se desea. Como alternativas no tóxicas se han introducido revestimientos no tóxicos de "baja energía superficial" a base de polímeros de silicona o siloxano (compuestos similares a los que se utilizan en la industria médica para los catéteres). pero si bien estos materiales permiten una eliminación más fácil de las especies de bioincrustaciones, son menos efectivos para prevenir que los organismos se adhieran en primer lugar, y son susceptibles a daños y descomposición.

La tecnología SLIPS de Wyss, inspirado en el labio resbaladizo de una planta carnívora que envía insectos deslizándose hacia su perdición, aproveche el hecho de que es muy difícil para un organismo adherirse a una superficie líquida. SLIPS consiste en una superficie sólida infundida con una capa de lubricante líquido que se mantiene en su lugar para que cualquier cosa que entre en contacto con la capa líquida simplemente se deslice de inmediato. Se ha demostrado previamente que SLIPS es eficaz contra bacterias y algas, pero los mejillones representan un enemigo particularmente intimidante. Sus pies musculosos producen filamentos adhesivos llamados hilos de bisal cuyas puntas, llamadas placas adhesivas, contienen proteínas adhesivas especiales que eliminan las moléculas de agua de la superficie objetivo para permitir que las placas se unan a ella. "Los mejillones han dominado la habilidad de pegarse en un entorno submarino, a pesar de que el agua es el mayor enemigo de la adherencia, ", dice Miserez. Este sistema les permite adherirse a las superficies extremadamente bien:grandes acumulaciones de mejillones pueden pesar hasta 1, 700 libras por pie cuadrado.

Para investigar si SLIPS podría defenderse de estos expertos biofoulers, el equipo de NTU dirigido por Miserez colocó mejillones verdes asiáticos en paneles con un patrón de "tablero de ajedrez" de diferentes tipos de superficies antiincrustantes no biocidas bajo el agua, y deja que los mejillones elijan dónde colocarlos. Se evaluaron dos tipos diferentes de superficies resbaladizas infundidas con aceite de silicona como lubricante:una muy delgada, Recubrimiento 2D nanoestructurado y a base de sílice aplicado capa por capa (i-LBL) y una capa más gruesa, Recubrimiento 3D en forma de matriz hecho del polímero común polidimetilsiloxano (i-PDMS). Versiones sin lubricante de esos recubrimientos, un recubrimiento 2D a base de óxido de tungsteno, vidrio sin recubrimiento, y se incluyeron dos revestimientos de liberación de suciedad no biocidas disponibles comercialmente (Intersleek® 700 e Intersleek® 900) para comparación. Después de 24 horas, Intersleek? 700 tenían ~ 75 placas adhesivas de mejillón por panel, mientras que i-PDMS tenía solo cinco placas de mejillón en uno de un total de quince paneles, indicando que los mejillones no lo hicieron, De hecho, adhiérase bien a i-PDMS.

No contento con determinar el ganador de la apuesta, Los investigadores de la NTU continuaron su investigación para determinar exactamente por qué los mejillones no se unían fácilmente al i-PDMS:¿no se pegaban los hilos? y / o los mejillones se negaron a unirlos? Para responder a la primera pregunta, el equipo midió la fuerza necesaria para tirar de los hilos de bisal de los mejillones de las distintas superficies, y encontró que los hilos adjuntos al Intersleek? los recubrimientos requerían de dos a seis veces la fuerza necesaria para eliminar las roscas de i-PDMS, y los hilos unidos a los revestimientos no infundidos necesitaban diez veces más fuerza. "Esto se debe probablemente a que la capa líquida de las superficies con infusión de lubricante resiste el desplazamiento por las proteínas adhesivas de los mejillones, mantener la superficie lubricada y, por lo tanto, evitar que las roscas de byssal se peguen, "dice el co-primer autor Shahrouz Amini, Doctor., quien era investigador en NTU cuando se completó el estudio y ahora es investigador en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, Alemania. En efecto, cuando se realizó un análisis bioquímico detallado de las huellas del mejillón, Se encontraron firmas biomoleculares de las proteínas adhesivas en todos los materiales de control, pero no en las superficies resbaladizas de Wyss.

Para ver si los mejillones también intentaban unir menos hilos de bisal, los investigadores los colocaron en cada una de las superficies y los observaron en tiempo real. Los mejillones en las superficies LBL y PDMS no infundidas se comportaron normalmente, sondearlos con los pies durante unos segundos antes de secretar hilos, que se formó en unos 30 segundos. Aquellos en superficies resbaladizas 2D, sin embargo, los probó durante un período de tiempo significativamente más largo (30-80 segundos) y no secretó hilos, mientras que aquellos en i-PDMS mostraron varios comportamientos aberrantes:eligieron adjuntar sus hilos a sus propios caparazones o a un vecino, superficie sin revestimiento SLIPS; secretaron un gel viscoso que no solidificó en un hilo; o sondearon la superficie por solo unos segundos antes de retraer rápidamente su pie en su caparazón sin intentar secretar un hilo. "Además de interrumpir los propios subprocesos de byssal, las superficies con infusión de lubricante confundían a los mejillones, haciéndoles decidir que no eran lugares válidos para adjuntar, "dice Amini.

Los científicos tenían el presentimiento de que la capa de lubricante de SLIPS estaba interfiriendo físicamente con la capacidad de los mejillones para detectar la superficie sólida debajo de ella. ya que descubrieron que sus pies contienen proteínas que se sabe que detectan la presión. Utilizaron una pequeña sonda para medir la cantidad de fuerza "sentida" cuando la punta de la sonda entró en contacto con las diferentes superficies y luego fue retirada. La sonda detectó una fuerza de "tracción" al entrar en contacto con ambos revestimientos SLIPS, que resultó ser la tensión superficial de la capa de lubricante líquido que se adhirió a la sonda antes de que alcanzara la superficie sólida debajo. "Sabemos que los mejillones esperan sentir una fuerza compresiva de una superficie dura contra sus patas, y esta fuerza de tracción inesperada del lubricante parece hacer que no quieran unir hilos, además de la interrupción de SLIPS del mecanismo de enlace de subprocesos, "explica Amini. El i-PDMS produjo una fuerza de tracción más fuerte que los SLIPS 2D, lo que probablemente sea la razón por la que enmascara mejor la superficie sólida subyacente y disuade las patas sensibles a la presión de los mejillones.

Finalmente, el equipo de Wyss se asoció con el Santuario Marino Nacional Stellwagen Bank de NOAA en Scituate, Masa, sumergir paneles de todos los materiales probados en laboratorio en Scituate Harbour durante dieciséis semanas para ver si los organismos crecerían en ellos. "Este sitio de campo exhibe una comunidad de bioincrustaciones típica del Atlántico norte, más notablemente una población de mejillones azules (Mytilus edulis), lo que permitió comparar los hallazgos obtenidos en el laboratorio con observaciones en condiciones del mundo real, "dice Stefan Kolle, un investigador asociado en el laboratorio Aizenberg en el Wyss Institute y SEAS que también es co-primer autor del artículo. ¿No solo el i-PDMS mostró cuatro veces menos asentamientos de mejillones que Intersleek? 900 y 30 veces menos que los PDMS no infundidos, también superó a los otros materiales en la resistencia a otras especies de bioincrustaciones como los tunicados, hidroides, y limo. "Muchos de los organismos en el campo utilizan diferentes estrategias y adhesivos para adherirse a las superficies bajo el agua, pero tenemos una solución que puede funcionar en la mayoría de las especies, "dice Onye Ahanotu, investigador científico principal del Wyss Institute y coautor del artículo.

En tono rimbombante, i-PDMS se puede modificar químicamente para mantener una reserva sustancial de lubricante en la red de polímero que reabastece la capa líquida, y formulado en un duradero, pintura de alto rendimiento. El equipo lo está probando actualmente en cinco ubicaciones marinas de alta bioincrustación en todo el mundo, y hasta ahora ha resistido la embestida de los mejillones y otros organismos, previniendo constantemente la bioincrustación durante más de dos años.

"La belleza de este estudio es que no solo demostramos que las superficies resbaladizas son efectivas contra la adhesión de los mejillones, pero a través de esa investigación también llegamos a comprender el mecanismo de cómo los mejillones se adhieren a una superficie desde la escala molecular a través de la macroscópica y, por lo tanto, cómo se puede prevenir, "dice Aizenberg, quien es miembro fundador de la facultad principal en el Instituto Wyss y profesora Amy Smith Berylson de Ciencias de los Materiales en SEAS. "Ahora tenemos una comprensión muy detallada de la ciencia fundamental, junto con el éxito, aplicaciones del mundo real, y eso es algo bastante único ".

"Esta colaboración ejemplifica el objetivo de Wyss de combinar la curiosidad de la investigación científica básica con la resolución de problemas de la ingeniería, siguiendo las señales de la naturaleza para desarrollar e implementar soluciones a problemas del mundo real, "dice el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.