Tudo começou com uma aposta numa conferência na Itália em 2013. Nicolas Vogel, Ph.D., em seguida, um pós-doutorado no laboratório de Joanna Aizenberg no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia da Universidade de Harvard e na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, deu uma palestra sobre os revestimentos Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) do grupo, que prometia impedir quase qualquer coisa de aderir às estruturas às quais foram aplicados. Na platéia estava Ali Miserez, Ph.D., um professor associado de ciência e engenharia de materiais na Nanyang Technological University (NTU), especializado em materiais biológicos, que abordou Vogel após a apresentação e disse com segurança:"Aposto que mexilhões vão grudar em seus revestimentos, porque ainda não vi uma superfície à qual eles não se fixem. "

Vogel aceitou o desafio e enviou algumas amostras SLIPS para Miserez ao retornar para Cambridge, iniciar uma colaboração cujos resultados são relatados na edição desta semana de Ciência . O estudo demonstrou que uma certa forma de SLIPS é, de fato, essencialmente à prova de mexilhões, e esclarecer como eles frustram os mecanismos especializados de fixação dos mexilhões. "Eu perdi muito a aposta, "diz Miserez, que é o autor correspondente do artigo junto com Vogel (agora professor na Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Alemanha) e Aizenberg. "Acho que devo a Nicolas um bom jantar."

Os mexilhões são um dos piores perpetradores de incrustação biológica, ou o acúmulo indesejado de organismos em estruturas subaquáticas, como tubos, barcos, equipamento industrial, e docas. Não só os organismos de incrustação biológica, como os mexilhões, ameaçam abrir o pé de um nadador azarado, eles têm custos econômicos e ambientais significativos:a Marinha dos EUA sozinha gasta ~ $ 1 bilhão por ano em esforços anti-incrustantes, e muitas espécies são pragas invasoras que pegam carona em novos ambientes nos cascos dos navios.

A grande maioria das armas utilizadas contra mexilhões e outros produtos aderentes são tintas e revestimentos que contêm produtos químicos tóxicos, geralmente à base de cobre, que detêm ou matam organismos quando eles se aproximam. Esses materiais levantam preocupações porque envenenam espécies indiscriminadamente, acumulam-se nos cursos de água, provavelmente terá impactos ecológicos, precisa ser substituído regularmente, e muitas vezes não são tão eficazes quanto o desejado. Os revestimentos não tóxicos de "baixa energia de superfície" à base de polímeros de silicone ou siloxano (compostos semelhantes aos usados ​​na indústria médica para cateteres) foram introduzidos como alternativas não tóxicas, mas embora esses materiais permitam uma remoção mais fácil de espécies de incrustação biológica, eles são menos eficazes na prevenção de organismos de se fixarem em primeiro lugar, e são suscetíveis a danos e deterioração.

A tecnologia SLIPS do Wyss, inspirado no lábio liso de uma planta carnívora que envia insetos para sua perdição, aproveite o fato de que é muito difícil para um organismo se fixar a uma superfície líquida. O SLIPS consiste em uma superfície sólida infundida com uma camada de lubrificante líquido que é retida no lugar para que qualquer coisa que entre em contato com a camada de líquido simplesmente deslize para fora. SLIPS já demonstrou ser eficaz contra bactérias e algas, mas os mexilhões representam um inimigo particularmente intimidante. Seus pés musculosos produzem filamentos adesivos chamados fios de bissal cujas pontas, chamadas placas adesivas, contêm proteínas adesivas especiais que removem moléculas de água da superfície alvo para permitir que as placas se liguem a ela. "Os mexilhões dominam a habilidade de aderir a um ambiente subaquático, apesar da água ser o maior inimigo da adesão, ", diz Miserez. Este sistema permite que eles se liguem a superfícies extremamente bem:grandes acúmulos de mexilhões podem pesar até 1, 700 libras por pé quadrado.

Para investigar se o SLIPS poderia se manter contra esses especialistas em biocombustíveis, a equipe da NTU liderada por Miserez colocou mexilhões verdes asiáticos em painéis com um padrão de "tabuleiro de xadrez" de diferentes tipos de superfícies anti-incrustantes não biocidas subaquáticas, e deixe os mexilhões escolherem onde colocar. Dois tipos diferentes de superfícies escorregadias infundidas com óleo de silicone como lubrificante foram avaliados:uma superfície muito fina, revestimento 2D nanoestruturado à base de sílica aplicado camada por camada (i-LBL) e um mais espesso, revestimento 3D tipo matriz feito do polímero comum polidimetilsiloxano (i-PDMS). Versões sem infusão de lubrificante desses revestimentos, um revestimento 2D à base de óxido de tungstênio, vidro não revestido, e dois revestimentos de liberação de sujeira não biocidas disponíveis comercialmente (Intersleek? 700 e Intersleek? 900) foram incluídos para comparação. Após 24 horas, Intersleek? 700 tinha ~ 75 placas adesivas de mexilhão por painel, enquanto o i-PDMS tinha apenas cinco placas de mexilhão em um de um total de quinze painéis, indicando que os mexilhões não, na verdade, aderem bem ao i-PDMS.

Não contente em determinar o vencedor da aposta, os pesquisadores da NTU continuaram sua investigação para determinar exatamente por que os mexilhões não se ligaram prontamente ao i-PDMS:os fios em si não grudaram, e / ou os mexilhões recusaram-se a prendê-los? Para responder a primeira pergunta, a equipe mediu a força necessária para puxar os fios de bissal dos mexilhões das várias superfícies, e descobriu que tópicos ligados ao Intersleek? os revestimentos exigiam duas a seis vezes a força necessária para remover os fios do i-PDMS, e os fios presos aos revestimentos não infundidos precisaram de dez vezes mais força. "Isso provavelmente ocorre porque a camada líquida das superfícies infundidas com lubrificante resiste ao deslocamento pelas proteínas adesivas dos mexilhões, mantendo a superfície lubrificada e, portanto, evitando que os fios de bissal se liguem, "diz o co-primeiro autor Shahrouz Amini, Ph.D., que era pesquisador da NTU quando o estudo foi concluído e agora é pesquisador do Instituto Max Planck de coloides e interfaces em Potsdam, Alemanha. De fato, quando uma análise bioquímica detalhada das pegadas dos mexilhões foi realizada, assinaturas biomoleculares das proteínas adesivas foram encontradas em todos os materiais de controle, mas não nas superfícies escorregadias de Wyss.

Para ver se os mexilhões também tentavam prender menos fios de bissal, os pesquisadores os colocaram em cada uma das superfícies e os observaram em tempo real. Os mexilhões nas superfícies LBL e PDMS não infundidos se comportaram normalmente, sondando-os com os pés por alguns segundos antes de secretar os fios, que se formou em cerca de 30 segundos. Aqueles em superfícies escorregadias 2D, Contudo, sondou-os por um período de tempo significativamente maior (30-80 segundos) e não secretou threads, enquanto aqueles no i-PDMS exibiram vários comportamentos aberrantes:eles optaram por anexar seus fios ou às suas próprias conchas ou a um vizinho, superfície não revestida com SLIPS; eles secretaram um gel viscoso que não se solidificou em um fio; ou eles sondaram a superfície por apenas alguns segundos antes de retrair rapidamente o pé em sua concha sem tentar secretar um fio. "Além de interromper os próprios tópicos de bissal, as superfícies infundidas com lubrificante estavam confundindo os mexilhões, fazendo-os decidir que não eram lugares válidos para anexar, "diz Amini.

Os cientistas suspeitaram que a camada de lubrificante do SLIPS estava fisicamente interferindo na capacidade dos mexilhões de detectar a superfície sólida abaixo dela, pois descobriram que seus pés contêm proteínas que são conhecidas por sentir pressão. Eles usaram uma pequena sonda para medir a quantidade de força "sentida" quando a ponta da sonda entrou em contato com as diferentes superfícies e foi removida. A sonda detectou uma força de "tração" em contato com ambos os revestimentos SLIPS, que acabou sendo tensão superficial da camada de lubrificante líquido ligada à sonda antes de atingir a superfície sólida abaixo. "Sabemos que os mexilhões esperam sentir uma força compressiva de uma superfície dura contra seus pés, e essa força inesperada de puxar do lubrificante parece fazer com que eles não queiram prender os fios, além da interrupção do SLIPS do mecanismo de ligação do fio, "explica Amini. O i-PDMS produziu uma força de tração mais forte do que o 2D SLIPS, é provavelmente por isso que mascara melhor a superfície sólida subjacente e dissuade os pés sensíveis à pressão dos mexilhões.

Finalmente, a equipe Wyss fez parceria com o Santuário Marinho Nacional do NOAA Stellwagen Bank em Scituate, Massa, submergir painéis de todos os materiais testados em laboratório em Scituate Harbor por dezesseis semanas para ver se organismos cresceriam neles. "Este campo exibe uma comunidade típica de bioincrustação do Atlântico Norte, mais notavelmente uma população de mexilhões azuis (Mytilus edulis), o que permitiu comparar os resultados obtidos em laboratório com observações em condições do mundo real, "diz Stefan Kolle, um Pesquisador Associado no laboratório Aizenberg no Wyss Institute e SEAS que também é um co-autor do artigo. O i-PDMS não mostrou apenas quatro vezes menos assentamento de mexilhões do que o Intersleek? 900 e 30 vezes menos do que o PDMS não infundido, também superou os outros materiais na resistência a outras espécies de incrustação biológica, como tunicados, hidroides, e limo. "Muitos dos organismos no campo usam diferentes estratégias e adesivos para se prenderem às superfícies subaquáticas, mas temos uma solução que pode funcionar na maioria das espécies, "diz Onye Ahanotu, um cientista pesquisador sênior do Wyss Institute e co-autor do artigo.

Mais importante, O i-PDMS pode ser modificado quimicamente para manter um estoque substancial de lubrificante na rede de polímero que reabastece a camada de líquido, e formulado em uma longa duração, tinta de alto desempenho. A equipe está testando-o atualmente em cinco locais marinhos de alta bioincrustação em todo o mundo, e até agora tem resistido ao ataque de mexilhões e outros organismos, evitando consistentemente a incrustação biológica por mais de dois anos.

"A beleza deste estudo é que não apenas mostramos que as superfícies escorregadias são eficazes contra a adesão do mexilhão, mas, por meio dessa investigação, também viemos a entender o mecanismo de como os mexilhões se ligam a uma superfície desde a escala molecular até a macroscópica e, Portanto, como pode ser evitado, "diz Aizenberg, que é um membro do corpo docente fundador do Wyss Institute e Amy Smith Berylson Professora de Ciências dos Materiais no SEAS. "Agora temos uma compreensão muito detalhada da ciência fundamental juntamente com o sucesso, aplicativos do mundo real, e isso é algo único. "

"Esta colaboração exemplifica o objetivo de Wyss de combinar a curiosidade da pesquisa científica básica com a solução de problemas da engenharia, pegando dicas da natureza para desenvolver e implantar soluções para problemas do mundo real, "diz o diretor fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.