Механическое адгезивное устройство для мягких тканей под водой вдохновлено рыбой-прилипалой
Исследователи из MIT и других институтов, вдохновившись рыбой-прилипалой, которая цепляется к акулам с помощью специализированного присоска, создали механическое адгезивное устройство. Оно может прикрепляться к мягким поверхностям под водой или в экстремальных условиях и оставаться на месте дни или недели.
Устройство способно адгезироваться к слизистой оболочке ЖКТ, к которой сложно прикрепить сенсор или капсулу для доставки лекарств. С его помощью исследователи продемонстрировали автоматическую самоприлипаемость (без моторов) для доставки противовирусных препаратов от ВИЧ или РНК в ЖКТ, а также его работу в качестве сенсора для гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). Устройство также можно прикрепить к плавающей рыбе для мониторинга водной среды.
Вдохновение природой
Дизайн основан на изучении присоски рыбы-прилипалы (реморы). Её способность прилипать к мягким, динамически меняющимся поверхностям хозяина обеспечивают несколько особенностей:
- Присоска создаёт адгезию за счёт давления, как поршень.
- Ряды пластин (ламеллы), разделяющие диск на отдельные адгезивные отсеки, могут независимо создавать дополнительное всасывание на неоднородных мягких поверхностях.
- Ориентация рядов ламелл различается у девяти видов ремор и, вероятно, является ключом к их адаптации к разным хозяевам. Например, Remora albescens, прилипающая во рту скатов, имеет непараллельные, сильно наклонённые ряды.
- Крошечные шипы (спинулы) на ламеллах длиной в несколько сотен микрон обеспечивают дополнительное сцепление за счёт механического сцепления с тканью хозяина с минимальной инвазивностью.
Устройство MUSAS
Имитируя эти анатомические особенности, команда MIT создала полностью пассивное дискообразное устройство MUSAS ("mechanical underwater soft adhesion system") из силиконовой резины и температурно-чувствительных материалов с памятью формы.
- Оно содержит ряды ламелл, наиболее эффективной оказалась конфигурация с наклонными рядами.
- Внутри ламелл находятся микронные структуры, подобные спинулам, из сплава с памятью формы. Они активируются при температуре тела, сцепляясь друг с другом и захватывая поверхность ткани.
Устройство продемонстрировало адгезию к различным мягким поверхностям во влажных или высококислотных условиях: ткань желудка свиньи, нитриловые перчатки, плавающая тилапия в аквариуме.
Применения
- Мониторинг водной среды: с прикреплённым температурным сенсором на рыбе устройство точно измеряло температуру воды при быстром плавании.
- Медицинская диагностика: устройство с импедансным сенсором, прикрепившись к пищеводу в животной модели, позволило мониторить рефлюкс желудочной жидкости, что может стать альтернативой современным методам диагностики ГЭРБ.
- Длительная доставка лекарств (демонстрация на
животных моделях):
- Малые молекулы: препарат для профилактики и лечения ВИЧ каботегравир был интегрирован в материалы устройства (поликапролактон и силикон). После адгезии к слизистой желудка препарат постепенно высвобождался в течение одной недели.
- Крупные молекулы (РНК): РНК, кодирующую ген люциферазы, поместили в микронные структуры ламелл для инъекции в слизистую желудка. Успешно была доставлена в клетки щеки или пищевода.
Исследователи планируют адаптировать устройство для доставки других препаратов и вакцин, а также для электрической стимуляции (например, для регуляции гормонов аппетита).