Ispirato da minuscole nanostrutture su ali di farfalla trasparenti, gli ingegneri di Caltech hanno sviluppato un analogo sintetico per gli impianti oculari che li rende più efficaci e duraturi. Un articolo sulla ricerca è stato pubblicato in Nanotecnologia della natura .

Le sezioni delle ali di una farfalla glasswing longtail sono quasi perfettamente trasparenti. Tre anni fa, Il ricercatore post-dottorato del Caltech Radwanul Hasan Siddique, che all'epoca stava lavorando a una tesi su una specie di ali di vetro al Karlsruhe Institute of Technology in Germania, ha scoperto il motivo:le sezioni trasparenti delle ali sono rivestite da minuscoli pilastri, ciascuno di circa 100 nanometri di diametro e distanziati di circa 150 nanometri l'uno dall'altro. La dimensione di questi pilastri, da 50 a 100 volte più piccola della larghezza di un capello umano, conferisce loro proprietà ottiche insolite. I pilastri reindirizzano la luce che colpisce le ali in modo che i raggi passino indipendentemente dall'angolo originale con cui colpiscono le ali. Di conseguenza, non c'è quasi nessun riflesso della luce dalla superficie dell'ala.

In effetti, i pilastri rendono le ali più chiare che se fossero fatte di semplice vetro.

Quella proprietà di reindirizzamento, noto come antiriflesso indipendente dall'angolo, ha attirato l'attenzione di Hyuck Choo di Caltech. Negli ultimi anni Choo ha sviluppato un impianto oculare che migliorerebbe il monitoraggio della pressione intraoculare nei pazienti con glaucoma. Il glaucoma è la seconda causa di cecità nel mondo. Sebbene l'esatto meccanismo con cui la malattia danneggia la vista è ancora in fase di studio, la teoria principale suggerisce che improvvisi picchi di pressione all'interno dell'occhio danneggiano il nervo ottico. I farmaci possono ridurre l'aumento della pressione oculare e prevenire danni, ma idealmente deve essere preso ai primi segni di un picco nella pressione oculare.

"Proprio adesso, la pressione oculare viene in genere misurata solo un paio di volte all'anno in uno studio medico. I pazienti con glaucoma hanno bisogno di un modo per misurare la pressione oculare facilmente e regolarmente, "dice Choo, assistente professore di ingegneria elettrica presso la Divisione di ingegneria e scienze applicate e ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute.

Choo ha sviluppato un impianto oculare a forma di piccolo tamburo, la larghezza di alcune ciocche di capelli. Quando inserito in un occhio, la sua superficie si flette con l'aumentare della pressione oculare, restringendo la profondità della cavità all'interno del tamburo. Tale profondità può essere misurata da un lettore portatile, dando una misura diretta di quanta pressione è sotto l'impianto.

Un punto debole dell'impianto, però, è stato che per ottenere una misurazione accurata, il lettore ottico deve essere tenuto quasi perfettamente perpendicolare - con un angolo di 90 gradi (più o meno 5 gradi) - rispetto alla superficie dell'impianto. Ad altri angoli, il lettore fornisce una misura errata.

Ed è qui che entrano in scena le farfalle glasswing. Choo pensava che la proprietà ottica indipendente dall'angolo dei nanopilastri delle farfalle potesse essere utilizzata per garantire che la luce passasse sempre perpendicolarmente attraverso l'impianto, rendendo l'impianto insensibile all'angolo e fornendo una lettura accurata indipendentemente da come viene tenuto il lettore.

Ha arruolato Siddique per lavorare nel suo laboratorio, e i due, lavorando insieme allo studente laureato Caltech Vinayak Narasimhan, trovato un modo per fissare l'impianto oculare con pilastri approssimativamente della stessa dimensione e forma di quelli sulle ali della farfalla ma fatti di nitruro di silicio, un composto inerte spesso utilizzato negli impianti medici. Sperimentando varie configurazioni delle dimensioni e del posizionamento dei pilastri, i ricercatori sono stati infine in grado di ridurre di tre volte l'errore nelle letture degli impianti oculari.

"Le nanostrutture sbloccano il potenziale di questo impianto, rendendo pratico per i pazienti con glaucoma testare la propria pressione oculare ogni giorno, " dice Cho.

La nuova superficie conferisce inoltre agli impianti una lunga durata, proprietà anti-biofouling non tossica.

Nel corpo, le cellule tendono ad attaccarsi alla superficie degli impianti medici e, col tempo, gommarli. Un modo per evitare questo fenomeno, chiamato biofouling, consiste nel rivestire gli impianti medici con una sostanza chimica che scoraggia l'adesione delle cellule. Il problema è che tali rivestimenti alla fine si consumano.

I nanopillar creati dal team di Choo, però, lavorare in modo diverso. A differenza dei nanopilastri della farfalla, i nanopillar realizzati in laboratorio sono estremamente idrofili, nel senso che attirano l'acqua. A causa di ciò, l'impianto, una volta negli occhi, è presto racchiuso in uno strato d'acqua. Le cellule scivolano via invece di prendere piede.

"Le cellule si attaccano a un impianto legandosi alle proteine ​​che aderiscono alla superficie dell'impianto. L'acqua, però, impedisce a quelle proteine ​​di stabilire una forte connessione su questa superficie, " afferma Narasimhan. I primi test suggeriscono che l'impianto dotato di nanopillar riduce di dieci volte il biofouling rispetto ai modelli precedenti, grazie a questa proprietà anti-biofouling.

Essere in grado di evitare il biofouling è utile per qualsiasi impianto indipendentemente dalla sua posizione nel corpo. Il team prevede di esplorare quali altri impianti medici potrebbero trarre vantaggio dalle loro nuove nanostrutture, che può essere prodotto in serie a basso costo.

Lo studio è intitolato "Nanostrutture biofotoniche multifunzionali ispirate alle ali di farfalla ad ali di vetro a coda lunga per dispositivi medici".