Allt började med en satsning på en konferens i Italien 2013. Nicolas Vogel, Ph.D., sedan postdoktor i Joanna Aizenbergs labb vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), höll ett föredrag om gruppens Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) beläggningar, som lovade att förhindra nästan vad som helst från att fästa vid strukturer som de applicerades på. I publiken var Ali Miserez, Ph.D., en docent i materialvetenskap och teknik vid Nanyang Technological University (NTU) specialiserad på biologiska material som kontaktade Vogel efter presentationen och sa självsäkert, "Jag slår vad om att musslor kommer att fastna på dina beläggningar, för jag har fortfarande inte sett en yta som de inte fäster på."

Vogel antog utmaningen och skickade några SLIPS-prover till Miserez när han återvände till Cambridge, inleder ett samarbete vars resultat redovisas i veckans nummer av Vetenskap . Studien visade att en viss form av SLIPS verkligen är i huvudsak musselsäker, och belyser hur de omintetgör musslornas expertfästemekanismer. "Jag förlorade vadet, säger Miserez, som är motsvarande författare till tidningen tillsammans med Vogel (nu professor vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Tyskland) och Aizenberg. "Jag tror att jag är skyldig Nicolas en trevlig middag."

Musslor är en av de värsta förövarna av biofouling, eller oönskad ansamling av organismer på undervattensstrukturer som rör, båtar, industriell utrustning, och hamnar. Biopåväxtorganismer som musslor hotar inte bara att skära upp en olycklig simmars fot, de har betydande ekonomiska och miljömässiga kostnader:enbart den amerikanska flottan spenderar ~1 miljard dollar per år på antifouling-insatser, och många arter är invasiva skadeinsekter som liftar till nya miljöer på fartygsskrov.

Den stora majoriteten av de vapen som används mot musslor och annat som fastnar är färger och beläggningar som innehåller giftiga kemikalier, vanligtvis kopparbaserad, som avskräcker eller dödar organismer när de kommer i närheten. Dessa material väcker oro eftersom de förgiftar arter urskillningslöst, samlas i vattendrag, sannolikt ha ekologiska effekter, behöver bytas ut regelbundet, och är ofta inte så effektiva som önskat. Icke-toxiska "låg ytenergi"-beläggningar baserade på silikon- eller siloxanpolymerer (föreningar liknande de som används inom den medicinska industrin för katetrar) har introducerats som giftfria alternativ, men även om dessa material möjliggör enklare avlägsnande av biologiska föroreningar, de är mindre effektiva för att förhindra organismer från att fästa i första hand, och är känsliga för skador och förfall.

Wyss SLIPS-teknik, inspirerad av den glatta läppen på en köttätande kannaväxt som får insekter att glida ner till sin undergång, dra fördel av att det är mycket svårt för en organism att fästa på en vätskeyta. SLIPS består av en fast yta infunderad med ett flytande smörjmedelsöverskikt som hålls på plats så att allt som kommer i kontakt med vätskeskiktet helt enkelt glider direkt av. SLIPS har tidigare visat sig vara effektiva mot bakterier och alger, men musslor representerar en särskilt skrämmande fiende. Deras muskulösa fötter producerar självhäftande filament som kallas byssal-trådar vars spetsar, kallas självhäftande plack, innehåller speciella vidhäftande proteiner som tar bort vattenmolekyler från målytan för att göra det möjligt för placken att binda till den. "Musslor har bemästrat färdigheten att hålla sig i en undervattensmiljö, trots att vatten är vidhäftningens största fiende, " säger Miserez. Detta system gör att de kan binda till ytor extremt bra:stora ansamlingar av musslor kan väga så mycket som 1, 700 pund per kvadratfot.

För att undersöka om SLIPS skulle kunna hålla sig mot dessa experter på biofoulers, NTU-teamet under ledning av Miserez placerade asiatiska gröna musslor på paneler med ett "rutmönster" av olika typer av icke-biocidala antifoulingytor under vattnet, och låt musslorna välja var de ska fästa. Två olika typer av hala ytor infunderade med silikonolja som smörjmedel utvärderades:en mycket tunn, kiseldioxidbaserad och nanostrukturerad 2D-beläggning applicerad lager-för-lager (i-LBL) och en tjockare, matrisliknande 3D-beläggning gjord av den vanliga polymeren polydimetylsiloxan (i-PDMS). Icke-smörjmedelsinfunderade versioner av dessa beläggningar, en volframoxidbaserad 2D-beläggning, obestruket glas, och två kommersiellt tillgängliga icke-biocidala smutsfrigörande beläggningar (Intersleek? 700 och Intersleek? 900) inkluderades för jämförelse. Efter 24 timmar, Intersleek? 700 hade ~75 musselhäftande plack per panel medan i-PDMS bara hade fem musselplack på en av totalt femton paneler, vilket indikerar att musslorna inte gjorde det, faktiskt, håller sig väl till i-PDMS.

Inte nöjd med att utse vinnaren av vadet, NTU-forskarna fortsatte sin undersökning för att fastställa exakt varför musslorna inte lätt binds till i-PDMS:fastnade inte själva trådarna, och/eller vägrade musslorna att fästa dem? För att svara på den första frågan, teamet mätte kraften som behövdes för att dra musslornas byssala trådar från de olika ytorna, och upptäckte att trådar kopplade till Intersleek? beläggningar krävde två till sex gånger den kraft som krävs för att ta bort trådar från i-PDMS, och trådar fästa på de icke-infunderade beläggningarna behövde tio gånger mer kraft. "Detta beror troligen på att det flytande överlagret på de smörjmedelsinfunderade ytorna motstår förskjutning av musslornas vidhäftande proteiner, hålla ytan smord och därför förhindra att byssaltrådarna binder sig, " säger den första författaren Shahrouz Amini, Ph.D., som var forskare vid NTU när studien avslutades och är nu forskare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, Tyskland. Verkligen, när en detaljerad biokemisk analys av musslornas fotspår utfördes, biomolekylära signaturer av de adhesiva proteinerna hittades på alla kontrollmaterial men inte på Wyss hala ytor.

För att se om musslorna också försökte fästa färre byssala trådar, forskarna placerade dem på var och en av ytorna och observerade dem i realtid. Musslor på de icke-infunderade LBL- och PDMS-ytorna betedde sig normalt, sondera dem med fötterna i några sekunder innan de utsöndrar trådar, som bildades inom cirka 30 sekunder. De på hala 2D-ytor, dock, sonderade dem under en betydligt längre tid (30-80 sekunder) och utsöndrade inte trådar, medan de på i-PDMS uppvisade flera avvikande beteenden:de valde att fästa sina trådar antingen till sina egna skal eller till en angränsande, icke-SLIPS-belagd yta; de utsöndrade en trögflytande gel som inte stelnade till en tråd; eller de sonderade ytan i bara några sekunder innan de snabbt drog in foten i skalet utan att försöka utsöndra en tråd. "Förutom att de stör själva de byssala trådarna, de smörjmedelsinfunderade ytorna förvirrade musslorna, få dem att bestämma sig för att de inte var giltiga platser att fästa, säger Amini.

Forskarna hade en aning om att SLIPS:s smörjmedelsskikt fysiskt stör musslornas förmåga att upptäcka den fasta ytan under den, eftersom de fann att deras fötter innehåller proteiner som är kända för att känna av tryck. De använde en liten sond för att mäta mängden kraft som "kändes" när spetsen på sonden kom i kontakt med de olika ytorna och togs sedan bort. Sonden upptäckte en "dragkraft" vid kontakt med båda SLIPS-beläggningarna, vilket visade sig vara ytspänning från det flytande smörjmedelsskiktet som fästes på sonden innan det nådde den fasta ytan under. "Vi vet att musslor förväntar sig att känna en tryckkraft från en hård yta mot sina fötter, och denna oväntade dragkraft från smörjmedlet verkar göra att de inte vill fästa gängor, utöver SLIPS:s störning av trådbindningsmekanismen, " förklarar Amini. i-PDMS producerade en starkare dragkraft än 2D SLIPS, vilket är troligt varför det bättre maskerar den underliggande fasta ytan och avskräcker musslornas tryckkänsliga fötter.

Till sist, Wyss-teamet samarbetade med NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary i Scituate, Massa, nedsänka paneler av allt labbtestat material i Scituate Harbor i sexton veckor för att se om organismer skulle växa på dem. "Denna fältplats visar ett typiskt nordatlantiskt biopåväxtsamhälle, framför allt en population av blåmusslor (Mytilus edulis), som gjorde det möjligt att jämföra resultaten från laboratoriet med observationer under verkliga förhållanden, säger Stefan Kolle, en forskarassistent i Aizenberg-labbet vid Wyss Institute och SEAS som också är en av de första författare till artikeln. Inte nog med att i-PDMS visade fyra gånger mindre musselsättning än Intersleek? 900 och 30 gånger mindre än icke-infunderad PDMS, det överträffade också de andra materialen när det gällde att motstå andra biologiska föroreningar som manteldjur, hydroider, och slem. "Många av organismerna i fältet använder olika strategier och lim för att fästa sig på undervattensytor, men vi har en lösning som kan fungera för de flesta arter, " säger Onye Ahanotu, en senior forskare vid Wyss Institute och medförfattare till artikeln.

Viktigt, i-PDMS kan modifieras kemiskt för att hålla ett stort lager av smörjmedel i polymernätverket som återförsörjer vätskeöverdraget, och formulerad till en långvarig, högpresterande färg. Teamet testar för närvarande det på fem marina platser med hög bioförorening runt om i världen, och hittills har den hållit upp mot angrepp av musslor och andra organismer, konsekvent förhindra biofouling i mer än två år.

"Det fina med denna studie är att vi inte bara visade att hala ytor är effektiva mot vidhäftning av musslor, men genom den undersökningen kom vi också att förstå mekanismen för hur musslor fäster sig på en yta från molekylär till makroskopisk skala och, därför, hur det kan förhindras, säger Aizenberg, som är en grundande Core Faculty-medlem vid Wyss Institute och Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid SEAS. "Vi har nu en mycket detaljerad förståelse av grundläggande vetenskap i kombination med framgångsrika, verkliga applikationer, och det är en ganska unik sak."

"Detta samarbete exemplifierar Wyss mål att kombinera nyfikenheten hos grundläggande vetenskaplig forskning med problemlösning inom ingenjörsvetenskap, ta ledtrådar från naturen för att utveckla och distribuera lösningar på verkliga problem, " säger Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid SEAS.