(Phys.org) - Forskare som leds av forskare vid Case Western Reserve University har vänt sig till en osannolik modell för att göra medicintekniska produkter säkrare och bekvämare - en bläckfiskens näbb.

Många medicinska implantat kräver hårda material som måste anslutas till eller passera genom mjuk kroppsvävnad. Denna mekaniska felanpassning leder till problem som hudnedbrytning vid bukmatningsrör hos strokepatienter och där ledningar passerar genom bröstet för att driva hjälpande hjärtpumpar. Ange bläckfisken.

Spetsen på en bläckfiskens näbb är hårdare än mänskliga tänder, men basen är lika mjuk som djurets jelloliknande kropp. För att ansluta dessa två mekaniskt olikartade delar av bläckfisken har en större del av näbben en mekanisk gradient som fungerar som en stötdämpare så att djuret kan bita en fisk med benkrossande kraft men inte drabbas av slitage på dess köttiga mun .

Naturens teknik kan göra en rad medicintekniska produkter bekvämare och säkrare för patienter, från glukosgivare för diabetiker till protetiska armar och ben som fäster vid amputerade ben, säger forskarna. Deras arbete publiceras idag i Journal of the American Chemical Society .

"Vi efterliknar arkitekturen och de vattenförbättrade egenskaperna hos bläckfisken för att generera dessa material, "sa Stuart J. Rowan, Kent H. Smith professor i makromolekylär vetenskap och teknik vid Case Western Reserve, och seniorförfattare.

Rowan arbetade med doktoranden Justin D. Fox och biträdande professor i biomedicinsk teknik Jeffrey R. Capadona vid CWRU, och Paul D. Marasco, WHO, som Capadona, är en huvudutredare vid Advanced Platform Technology Center vid Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center.

Andra forskare har visat att näbbens struktur är en nanokomposit som består av ett nätverk av kitinfibrer inbäddade i allt mer tvärbundna strukturproteiner från mun till spets. Gradienten är närvarande när näbbmaterialet är torrt, men förbättras dramatiskt i vatten, bläckfiskens naturliga miljö.

Rowan och Capadona var bland ett team av forskare som tidigare rapporterat ett material som efterliknar havgurkans hud, som är mjuk och smidig när den är våt och stel och hård när den är torr.

De trodde att material, i form av en film, kan vara tvärbunden med nanofibrer för att bibehålla styvhet när den är våt. De fyllde filmen med funktionaliserade cellulosananokrystaller som, vid exponering för ljus, bilda tvärlänkar.

För att öka styvheten över filmen, ena änden utsattes för inget ljus och efterföljande sektioner för allt mer ljus. Ju längre exponering, desto fler tvärbindningar som bildades.

Precis som näbben, betyget från mjukt till hårt var brantare när det var blött. Vatten stänger av de svagare icke-kovalenta bindningarna som bildas när materialet är torrt.

Den våta miljön inuti kroppen kommer att förbättra lutningen lika bra, vilket gör denna teknik särskilt attraktiv för implantat, säger forskarna.

"Det finns alla möjliga platser inom medicin där vi använder hårda material men vi är mestadels mjuka, "Sa Marasco. Kontrasten är ett recept på sår och infektion, dålig prestanda och implantatfel.

Nålar i diabetikerns insulinpumpar, metallstenter som sätts in i blodkärl och elektroder som sätts in i muskler eller hjärnor kan vara säkrare och mer effektiva om material skulle förbli hårda där de behöver vara men buffra kring mjukvävnader.

"Protetiska lemmar är anslutna till armen eller benet med en sockel av hård plast som passar över den kvarvarande lemmen, "Marasco fortsatte." Men ben rör sig runt under uttaget och kan skada mjukvävnaden inuti, medan uttaget kan vara hårt mot huden där det kommer i kontakt. "

En bättre lösning, han sa, skulle vara att köra en metallinsats i benet inuti kroppen och fästa en protes direkt utanför kroppen med hjälp av denna typ av mekanisk buffert där den hårda metallen passerar genom den mjuka huden.

Forskarna arbetar redan med nästa generation av material och tvärbindningsstrategier för att göra buffertgradienten brantare. Spetsen på en bläckfiskens näbb är 100 gånger hårdare än den mjukaste delen, medan den här första efterlikningens hårda spets är fem gånger hårdare än dess mjuka ände.

"Detta är ett bevis på koncept, "Rowan sa." Nu när vi har visat att konceptet fungerar får vi nu lite mer komplicerade och riktade material som gör att vi kan gå närmare applikationer. "