Физики и биологи из США изучили способность рыб семейства прилипаловые прикрепляться к мягким поверхностям и воссоздали миниатюрный механический аналог их присоски. Приспособление позволило ученым неинвазивно фиксировать микроэлектронику на живых тканях свиней и рыб в условиях жидкостной среды и экстремальных pH. Исследование, опубликованное в журнале Nature, открывает новые возможности для подводных исследований, контролируемого дозирования медикаментов и непрерывного мониторинга здоровья.
Прилипаловые — это семейство лучеперых рыб, у которых в результате эволюции передний плавник сместился на голову и превратился в присоску. Такая особенность позволяет им прикрепляться к особям более крупных видов, таких как акулы, китообразные, скаты, черепахи, а также к днищам кораблей (зафиксированы и даже случаи прилипания к дайверам). Некоторые рыбы-прилипалы присасываются к хозяину, чтобы питаться его паразитами (например, акулья ремора), но есть и виды, которые способны жить самостоятельно и используют хозяев только для миграции на большое расстояние (к примеру, обыкновенный прилипало).
Способность прилипаловых крепко присасываться к подводным жителям издавна используется народами Индийского океана для добычи морских черепах, а теперь ею заинтересовались и физики. В 2017 году мы писали о том, как ученые воссоздали механический аналог присоски рыбы-прилипало, однако крепиться такая присоска может лишь к плоским твердыми поверхностями, а не к мягким подвижным тканям. Существующие жидкие адгезивы хорошо справляются с такой задачей и даже могут залечивать раны, однако для надежного прикрепления требуют внешнего давления и pH от нейтрального до щелочного. Все вышеперечисленное мотивировало группу ученых из Массачусетского технологического института под руководством Джованни Траверсо (Giovanni Traverso) продолжить изучение рыб прилипал для создания механического адгезивного устройства, способного удерживаться на мягких поверхностях в условиях экстремальных pH.
Ученые подробно исследовали процесс прилипания особи обыкновенного прилипало (E. naucrates) к твердым и мягким поверхностям, а также анатомию и принцип действия его присоски под микроскопом. Оказалось, что в отличие от поведения на твердых материалах, где рыба буквально присасывается к поверхности каймой присоски, на мягких материалах рыба-прилипало крепится, сначала выпячивая, а затем поджимая ламеллы — кластеры гребенчатых шипиков, расположенные рядами на внутренней части присоски (этот процесс хорошо видно на видео). Важной оказалась и взаимная ориентация ламелл: так, для фиксации на быстро передвигающихся хозяевах, к примеру китообразных, некоторые прилипаловые обзавелись присосками с преимущественно параллельными ламеллами (например, короткоперая рыба-прилипало), тогда как прилипаловые, предпочитающие питаться паразитами со слизистых оболочек скатов, имеют ламеллы, расположенные под различными углами (белая рыба-прилипало).
Далее ученые провели серию компьютерных моделирований для разработки присоски, имеющей наилучшую адгезию к мягким поверхностям, и создали ее механический аналог. Конструкция представляет собой овальную силиконовую присоску, внутри которой расположены ряды ламелл из нитинола — сплава с эффектом памяти формы. При нагреве от контакта с тканями нитиноловые ламеллы разгибается и цепляются за поверхность, фиксируя присоску. Разработку назвали MUSAS, что дословно расшифровывается как «механическая подводная мягкая адгезивная система», а размеры присоски позволяют поместить ее в пищевую капсулу размера 000.
Помимо этого присоска MUSAS может быть запрограммирована как на закрепление в конкретном отделе ЖКТ выбором материала капсулы, так и на открепление в заданное время при помощи биоразлагаемых ламелл. Благодаря этому ученым удалось доставить MUSAS в различные отделы ЖКТ свиньи, где присоска могла фиксироваться на слизистой вплоть до трех с половиной недель, а затем безопасно покидала организм. Сила адгезии такой присоски в лабораторных испытаниях превзошла жидкие биоадгезивы в 300 раз. Примечательно, что на месте прикрепления MUSAS остаются отверстия шириной 100 и глубиной 300-800 нанометров, что делает разработку еще и потенциальной неинвазивной платформой, способной преодолевать слизистый барьер. Это позволяет доставлять в ткани ЖКТ крупномолекулярные препараты для лечения таких заболеваний, как болезнь Крона. Более того, MUSAS способна удержать на себе сенсор контроля pH для динамического исследования гастроэзафагального рефлюкса (и это тоже было протестировано на пищеводе живой свиньи), который прежде для закрепления в пищеводе требовал повреждения тканей. Также присоска MUSAS может быть использована для пролонгированного высвобождения лекарственных препаратов.
Разработку можно использовать и для фиксации датчиков на теле подводных жителей — это полезно как для изучения среды обитания живых существ, так и их социального поведения. С помощью MUSAS авторам исследования удалось закрепить датчик температуры на различных частях тела тилапии (Oreochromis niloticus) вплоть до 110 часов, что никак не отразилось на поведении и жизнедеятельности рыбы.
Суммарно ученые провели испытания на 58 свиньях и 8 рыбах, в которых присоска MUSAS продемонстрировала стабильные показатели адгезивной эффективности и безопасности, а это значит, что разработка уже может быть использована для изучения подводного мира. А для непрерывного мониторинга здоровья и постепенной доставки лекарств устройство можно будет использовать после успешных клинических испытаний.
Другой удивительный способ прикрепляться к поверхностям эволюция подарила гекконам — расположенные на их лапках микроскопические ворсинки позволяют рептилиям удерживаться на поверхностях за счет сил межатомного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Ученые и здесь попытались повторить за природой и создали манипулятор, способный удерживать предметы, в несколько раз больше устройства, а так же систему захвата космического мусора, работающую по принципу лапки геккона.
