En vattentank full av ryggradslösa djur i myntstorlek kanske inte är det första du kan förvänta dig att se i ett forskningslabb för materialvetenskap och ingenjörskonst.

Men Eli Sone, professor vid avdelningen för materialvetenskap och teknik vid University of Torontos fakultet för tillämpad vetenskap och teknik och Institute of Biomedical Engineering, och hans team har studerat både zebra- och quaggamusslor i flera år i hopp om att de kan hjälpa till att lösa en mängd olika utmaningar.

"Det finns en materialvetenskaplig vinkel, men det finns också en biomedicinsk vinkel", säger Sone. "Å ena sidan är dessa musslor ett problem när det gäller vad vi kallar biofouling, så vi letar efter att designa material eller beläggningar för att förhindra att de täpper igen vattenintagsrören, till exempel."

"Men å andra sidan, om vi förstår varför de fäster så bra, kan det hjälpa oss att designa saker som giftfria biologiskt nedbrytbara lim, som kan erbjuda ett alternativ till inre stygn för kirurgi eller lokaliserade läkemedelstillförselapplikationer."

Zebra- och quaggamusslor är infödda i sjöarna och floderna i södra Ryssland och Ukraina. De anlände till de stora sjöarna i Nordamerika på 1980-talet – troligen genom att haka på en tur i barlastvattnet på fartyg som avgick från Europa.

De har sedan dess blivit invasiva i många nordamerikanska vattendrag och har förträngt inhemska musselarter och förorenat båtar, vattenintagsrör och annan infrastruktur.

Teamets senaste studie, nyligen publicerad i Scientific Reports , skisserar nya tekniker för att mäta vidhäftningen av zebra- och quaggamusslor till olika ytor.

"En av utmaningarna är hur små dessa musslor är jämfört med andra arter", säger U of T Engineering alumn Bryan James, som arbetade med projektet som en del av sin grundexamen och nu är postdoktor vid Woods Hole Oceanographic Institution i Woods Hole, Mass.

"Trådarna de använder för att fästa sig på ytor är bara några millimeter långa och lika tunna som ett människohår. Du kan inte placera dem i en traditionell apparat för att testa draghållfasthet."

Teamets improviserade lösning involverade ett par självstängande pincett med finspets, en digitalkamera och en kraftmätare. Med dessa kunde de mäta hur mycket kraft som krävdes för att bryta det proteinbaserade lim som musslorna utsöndrar.

Teamet fann att musslorna fäste starkare vid glas än de gjorde på plaster som PVC eller PDMS. Detta var väntat, eftersom glas är ett hydrofilt (vattenattraherande) material som liknar de stenar som musslorna använder som substrat i naturen. PDMS, å andra sidan, stöter bort vatten och appliceras ofta på båtskrov för att förhindra biofouling.

Men det var några överraskningar också.

"Den faktiska storleken på dessa värden var jämförbar med - eller i vissa fall större än - de rapporterade värdena för andra musslor", säger James. "Detta tyder på att det mycket väl kan vara något speciellt med limet de har utvecklat."

Efter att trådarna hade lossnat skannade teamet limmet som lämnades kvar på ytorna med hjälp av elektronmikroskopi.

"På vissa ytor fann vi att en tunn proteinrester lämnades kvar efter lossning", säger Kenny Kimmins, en nuvarande Ph.D. elev i Sones labb.

"Detta visar att proteinerna vid gränsytan interagerar mycket starkt med dessa ytor även under våta förhållanden, vilket de flesta syntetiska lim inte kan göra."

Sone och hans team fortsätter sin forskning inom området och arbetar med docent Ben Hatton på nya typer av ytor för att förhindra nedsmutsning av kritisk infrastruktur.

– Just nu använder man ofta kemisk behandling för att ta bort musslorna, säger Sone. "Det fungerar, men det dödar också allt annat i närheten. Att ha ytor som är naturligt svåra för musslorna att hålla sig till kan erbjuda ett mer miljömässigt hållbart alternativ."

Teamet analyserar också lim som produceras av både zebra- och quaggamusslor, i syfte att efterlikna dem i biomedicinska lim.

"Naturen har haft några miljoner års försprång när det gäller att designa högpresterande lim som är motståndskraftiga även när de är våta", säger Sone. "Om vi ​​kan lära av det kan vi kanske komma på bättre lösningar än vad vi har just nu."