Tutto è iniziato con una scommessa durante una conferenza in Italia nel 2013. Nicolas Vogel, dottorato di ricerca, poi borsista post-dottorato nel laboratorio di Joanna Aizenberg presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard e la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard, ha tenuto un discorso sui rivestimenti Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS), che prometteva di impedire a quasi tutto di aderire alle strutture a cui erano applicati. Tra il pubblico c'era Ali Miserez, dottorato di ricerca, un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la Nanyang Technological University (NTU) specializzato in materiali biologici che si è avvicinato a Vogel dopo la presentazione e ha detto con sicurezza:"Scommetto che le cozze si attaccheranno ai tuoi rivestimenti, perché devo ancora vedere una superficie a cui non si attaccheranno."

Vogel ha accettato la sfida e ha inviato alcuni campioni SLIPS a Miserez al suo ritorno a Cambridge, avviando una collaborazione i cui risultati sono riportati nel numero di questa settimana di Scienza . Lo studio ha dimostrato che una certa forma di SLIPS è infatti essenzialmente a prova di mitilo, e fanno luce su come ostacolano i meccanismi di attaccamento esperti delle cozze. "Ho perso gravemente la scommessa, "dice Miserez, che è un autore corrispondente dell'articolo insieme a Vogel (ora professore alla Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Germania) e Aizenberg. "Penso di dovere a Nicolas una bella cena."

Le cozze sono uno dei peggiori responsabili del biofouling, o l'accumulo indesiderato di organismi su strutture sottomarine come tubi, Barche, equipaggiamento industriale, e banchine. Non solo organismi biofouling come le cozze minacciano di tagliare il piede di uno sfortunato nuotatore, hanno costi economici e ambientali significativi:la sola Marina degli Stati Uniti spende ~ $ 1 miliardo all'anno in sforzi antivegetativi, e molte specie sono parassiti invasivi che si spostano in nuovi ambienti sugli scafi delle navi.

La stragrande maggioranza delle armi schierate contro le cozze e altri aggrappanti sono vernici e rivestimenti che contengono sostanze chimiche tossiche, generalmente a base di rame, che scoraggiano o uccidono gli organismi quando si avvicinano. Questi materiali destano preoccupazioni perché avvelenano le specie indiscriminatamente, accumularsi nei corsi d'acqua, probabilmente hanno impatti ecologici, devono essere sostituiti regolarmente, e spesso non sono efficaci quanto desiderato. Rivestimenti atossici a "bassa energia superficiale" a base di polimeri siliconici o silossanici (composti simili a quelli utilizzati nell'industria medica per i cateteri) sono stati introdotti come alternative non tossiche, ma mentre questi materiali consentono una più facile rimozione delle specie di incrostazioni biologiche, sono meno efficaci nell'impedire agli organismi di attaccarsi in primo luogo, e sono suscettibili di danneggiamento e decadimento.

La tecnologia SLIPS di Wyss, ispirato al labbro scivoloso di una pianta carnivora carnivora che fa scivolare gli insetti verso il loro destino, approfittare del fatto che è molto difficile per un organismo attaccarsi a una superficie liquida. SLIPS è costituito da una superficie solida infusa con uno strato di lubrificante liquido che viene mantenuto in posizione in modo che tutto ciò che entra in contatto con lo strato liquido scivoli via semplicemente. Gli SLIPS hanno già dimostrato di essere efficaci contro batteri e alghe, ma le cozze rappresentano un nemico particolarmente temibile. I loro piedi muscolosi producono filamenti adesivi chiamati fili bissali le cui punte, chiamate placche adesive, contengono speciali proteine ​​adesive che rimuovono le molecole d'acqua dalla superficie bersaglio per consentire alle placche di legarsi ad essa. "Le cozze hanno imparato l'abilità di conficcarsi in un ambiente sottomarino, nonostante l'acqua sia il più grande nemico dell'adesione, " dice Miserez. Questo sistema permette loro di legarsi molto bene alle superfici:grandi accumuli di cozze possono pesare fino a 1, 700 libbre per piede quadrato.

Per indagare se gli SLIPS potessero reggere il confronto con questi esperti biofoulers, il team NTU guidato da Miserez ha posizionato cozze verdi asiatiche su pannelli con un motivo a "scacchiera" di diversi tipi di superfici antivegetative non biocide sott'acqua, e lascia che siano le cozze a scegliere dove attaccarsi. Sono stati valutati due diversi tipi di superfici scivolose infuse con olio di silicone come lubrificante:una molto sottile, rivestimento 2D a base di silice e nanostrutturato applicato strato per strato (i-LBL) e un rivestimento più spesso, rivestimento 3D simile a una matrice realizzato con il comune polimero polidimetilsilossano (i-PDMS). Versioni non infuse di lubrificante di quei rivestimenti, un rivestimento 2D a base di ossido di tungsteno, vetro non rivestito, e due rivestimenti a rilascio di fallo non biocidi disponibili in commercio (Intersleek? 700 e Intersleek? 900) sono stati inclusi per il confronto. Dopo 24 ore, Interessante? 700 aveva circa 75 placche adesive di mitili per pannello mentre i-PDMS aveva solo cinque placche di mitili su uno su un totale di quindici pannelli, indicando che le cozze no, infatti, attenersi bene a i-PDMS.

Non contento di determinare il vincitore della scommessa, i ricercatori della NTU hanno continuato la loro indagine per determinare esattamente perché le cozze non si legassero prontamente a i-PDMS:i fili stessi non si attaccavano, e/o le cozze si sono rifiutate di attaccarle? Per rispondere alla prima domanda, il team ha misurato la forza necessaria per estrarre i fili di bisso delle cozze dalle varie superfici, e hai scoperto che i fili attaccati all'Intersleek? i rivestimenti richiedevano da due a sei volte la forza necessaria per rimuovere i fili da i-PDMS, e i fili attaccati ai rivestimenti non infusi avevano bisogno di una forza dieci volte maggiore. "Questo è probabilmente dovuto al fatto che lo strato di liquido delle superfici infuse di lubrificante resiste allo spostamento da parte delle proteine ​​adesive delle cozze, mantenendo la superficie lubrificata e quindi impedendo che i fili bissali si leghino, ", afferma il co-primo autore Shahrouz Amini, dottorato di ricerca, che era ricercatore presso NTU quando lo studio è stato completato ed è ora ricercatore presso il Max Planck Institute of Colloids and Interfaces a Potsdam, Germania. Infatti, quando è stata eseguita un'analisi biochimica dettagliata delle impronte dei mitili, firme biomolecolari delle proteine ​​adesive sono state trovate su tutti i materiali di controllo ma non sulle superfici scivolose del Wyss.

Per vedere se le cozze stavano anche tentando di attaccare meno fili di bisso, i ricercatori li hanno posizionati su ciascuna delle superfici e li hanno osservati in tempo reale. Le cozze sulle superfici LBL e PDMS non infuse si sono comportate normalmente, sondandoli con i piedi per alcuni secondi prima di secernere fili, che si è formato in circa 30 secondi. Quelli su superfici scivolose 2D, però, li ha sondati per un periodo di tempo significativamente più lungo (30-80 secondi) e non ha secernuto fili, mentre quelli su i-PDMS hanno mostrato diversi comportamenti aberranti:hanno scelto di attaccare i loro thread ai propri shell o a un vicino, superficie rivestita non SLIPS; secernevano un gel viscoso che non si solidificava in un filo; oppure sondavano la superficie solo per pochi secondi prima di ritrarre rapidamente il piede nel guscio senza tentare di secernere un filo. "Oltre a interrompere gli stessi fili bissali, le superfici infuse di lubrificante confondevano le cozze, facendogli decidere che non erano posti validi da allegare, "dice Amini.

Gli scienziati avevano la sensazione che lo strato lubrificante degli SLIPS stesse interferendo fisicamente con la capacità delle cozze di rilevare la superficie solida sottostante, poiché hanno scoperto che i loro piedi contengono proteine ​​​​che sono note per rilevare la pressione. Hanno usato una piccola sonda per misurare la quantità di forza "percepita" quando la punta della sonda è entrata in contatto con le diverse superfici ed è stata quindi rimossa. La sonda ha rilevato una forza di "trazione" al contatto con entrambi i rivestimenti SLIPS, che si è rivelata essere la tensione superficiale dello strato di lubrificante liquido che si attaccava alla sonda prima che raggiungesse la superficie solida sottostante. "Sappiamo che le cozze si aspettano di sentire una forza di compressione da una superficie dura contro i loro piedi, e questa forza di trazione inaspettata dal lubrificante sembra non fargli desiderare di attaccare i fili, oltre all'interruzione degli SLIPS del meccanismo di legatura del filo, " spiega Amini. L'i-PDMS ha prodotto una forza di trazione maggiore rispetto agli SLIPS 2D, che è probabilmente il motivo per cui maschera meglio la superficie solida sottostante e scoraggia i piedi sensibili alla pressione delle cozze.

Finalmente, il team Wyss ha collaborato con il NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary a Scituate, Messa, immergendo pannelli di tutti i materiali testati in laboratorio a Scituate Harbour per sedici settimane per vedere se gli organismi sarebbero cresciuti su di essi. "Questo sito mostra una tipica comunità di biofouling del Nord Atlantico, in particolare una popolazione di cozze blu (Mytilus edulis), che ha permesso di confrontare i risultati ottenuti in laboratorio con osservazioni in condizioni reali, "dice Stefan Kolle, un ricercatore associato nel laboratorio di Aizenberg presso il Wyss Institute e SEAS, che è anche uno dei primi autori dell'articolo. Non solo l'i-PDMS ha mostrato un insediamento di cozze quattro volte inferiore rispetto a Intersleek? 900 e 30 volte meno del PDMS non infuso, ha anche superato gli altri materiali nel resistere ad altre specie di incrostazioni come i tunicati, idroidi, e melma. "Molti degli organismi sul campo utilizzano diverse strategie e adesivi per attaccarsi alle superfici sottomarine, ma abbiamo una soluzione che può funzionare con la maggior parte delle specie, "dice Onye Ahanotu, un ricercatore senior presso il Wyss Institute e coautore dell'articolo.

È importante sottolineare che i-PDMS può essere modificato chimicamente per contenere una notevole riserva di lubrificante nella rete polimerica che rifornisce lo strato di copertura liquido, e formulato in una lunga durata, vernice ad alte prestazioni. Il team lo sta attualmente testando in cinque località marine ad alto biofouling in tutto il mondo, e finora ha resistito all'assalto di cozze e altri organismi, prevenire costantemente il biofouling per più di due anni.

"La bellezza di questo studio è che non solo abbiamo dimostrato che le superfici scivolose sono efficaci contro l'adesione delle cozze, ma attraverso quell'indagine siamo anche arrivati ​​a capire il meccanismo di come le cozze si attaccano a una superficie dalla scala molecolare a quella macroscopica e, perciò, come si può prevenire, "dice Aizenberg, che è membro fondatore della facoltà presso il Wyss Institute e Amy Smith Berylson Professore di scienze dei materiali presso SEAS. "Ora abbiamo una comprensione molto dettagliata della scienza fondamentale unita a un successo, applicazioni del mondo reale, e questa è una cosa piuttosto unica."

"Questa collaborazione esemplifica l'obiettivo del Wyss di combinare la curiosità della ricerca scientifica di base con la risoluzione dei problemi dell'ingegneria, prendendo spunto dalla natura per sviluppare e distribuire soluzioni ai problemi del mondo reale, ", afferma il direttore fondatore del Wyss Institute Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.