Inspirerad av små nanostrukturer på transparenta fjärilsvingar, ingenjörer på Caltech har utvecklat en syntetisk analog för ögonimplantat som gör dem mer effektiva och längre. Ett papper om forskningen publicerades i Naturnanoteknik .

Delar av vingarna på en fjäril med lång svans är nästan helt genomskinliga. Tre år sedan, Caltech postdoktoralforskare Radwanul Hasan Siddique-som arbetade med en avhandling om en glasvingeart vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland-upptäckte anledningen till att:de genomskinliga delarna av vingarna är belagda med små pelare, cirka 100 nanometer i diameter och cirka 150 nanometer åtskilda. Storleken på dessa pelare - 50 till 100 gånger mindre än bredden på ett människohår - ger dem ovanliga optiska egenskaper. Pelarna omdirigerar ljuset som träffar vingarna så att strålarna passerar oavsett den ursprungliga vinkeln vid vilken de träffar vingarna. Som ett resultat, det finns nästan ingen reflektion av ljuset från vingeytan.

I själva verket, pelarna gör vingarna tydligare än om de vore gjorda av bara vanligt glas.

Den omdirigeringsegenskapen, känd som vinkeloberoende antireflektion, väckte uppmärksamheten hos Caltechs Hyuck Choo. Under de senaste åren har Choo utvecklat ett ögonimplantat som skulle förbättra övervakningen av intraögat tryck hos glaukompatienter. Glaukom är den näst vanligaste orsaken till blindhet i världen. Även om den exakta mekanismen genom vilken sjukdomen skadar syn fortfarande undersöks, den ledande teorin tyder på att plötsliga spikar i trycket inuti ögat skadar synnerven. Medicinering kan minska det ökade ögontrycket och förhindra skador, men helst måste det tas vid de första tecknen på en ökning av ögontrycket.

"Just nu, ögontrycket mäts vanligtvis bara ett par gånger om året på en läkarmottagning. Glaukompatienter behöver ett sätt att mäta ögontrycket enkelt och regelbundet, "säger Choo, biträdande professor i elektroteknik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap och en Heritage Medical Research Institute Investigator.

Choo har utvecklat ett ögonimplantat format som en liten trumma, bredden på några hårstrån. När det sätts in i ett öga, dess yta böjer sig med ökande ögontryck, förminska djupet av hålrummet inuti trumman. Det djupet kan mätas av en handhållen läsare, ger en direkt mätning av hur mycket tryck implantatet är under.

En svaghet hos implantatet, dock, har varit att för att få en exakt mätning, den optiska läsaren måste hållas nästan perfekt vinkelrätt - i en vinkel på 90 grader (plus eller minus 5 grader) - med avseende på implantatets yta. I andra vinklar, läsaren ger en felaktig mätning.

Och det är där glasvingarfjärilar kommer in i bilden. Choo resonerade att den vinkeloberoende optiska egenskapen för fjärilarnas nanopilar kan användas för att säkerställa att ljus alltid passerar vinkelrätt genom implantatet, gör implantatet vinkelokänsligt och ger en korrekt avläsning oavsett hur läsaren hålls.

Han fick Siddique att arbeta i sitt labb, och de två, arbetar tillsammans med Caltech doktorand Vinayak Narasimhan, tänkte ut ett sätt att plugga in ögonimplantatet med pelare ungefär samma storlek och form som på fjärilens vingar men tillverkade av kiselnitrid, en inert förening som ofta används i medicinska implantat. Experimentera med olika konfigurationer av pelarnas storlek och placering, forskarna kunde i slutändan minska felet i ögonimplantatens avläsningar trefaldigt.

"Nanostrukturerna frigör potentialen för detta implantat, gör det praktiskt för glaukompatienter att testa sitt eget ögontryck varje dag, "Säger Choo.

Den nya ytan ger också implantaten en långvarig, icke-toxisk anti-biofouling egenskap.

I kroppen, celler tenderar att fastna på ytan av medicinska implantat och, över tid, tugga dem. Ett sätt att undvika detta fenomen, kallas biofouling, är att belägga medicinska implantat med en kemikalie som avskräcker cellerna från att fästa. Problemet är att sådana beläggningar så småningom avtar.

Nanopillrarna skapade av Choos team, dock, arbeta på ett annat sätt. Till skillnad från fjärilens nanopilar, de laboratorietillverkade nanopilarna är extremt hydrofila, vilket betyder att de drar till sig vatten. På grund av detta, implantatet, en gång i ögat, är snart innesluten i en beläggning av vatten. Celler glider av istället för att få fotfäste.

"Celler fäster vid ett implantat genom att binda till proteiner som fäster vid implantatets yta. Vattnet, dock, hindrar dessa proteiner från att upprätta en stark anslutning på denna yta, "säger Narasimhan. Tidiga tester tyder på att det nanopillar-utrustade implantatet minskar bioföroreningar tiofaldigt jämfört med tidigare konstruktioner, tack vare denna anti-biofouling egenskap.

Att kunna undvika bioförorening är användbart för alla implantat oavsett dess placering i kroppen. Teamet planerar att utforska vilka andra medicinska implantat som kan ha nytta av deras nya nanostrukturer, som kan massproduceras billigt.

Studien har titeln "Multifunktionella biofotoniska nanostrukturer inspirerade av longtail glasvinga fjärilvingar för medicinsk utrustning."