Las alas de mariposa inspiran la superficie que manipula la luz para los implantes médicos

Inspirados en diminutas nanoestructuras en alas de mariposa transparentes, los ingenieros de Caltech han desarrollado un análogo sintético para implantes oculares que los hace más efectivos y duraderos. Un artículo sobre la investigación fue publicado en Nature Nanotechnology .

Resultado de imagen para Las alas de mariposa inspiran la superficie que manipula la luz para los implantes médicosLas secciones de las alas de una mariposa longwing glasswing son casi perfectamente transparentes. Hace tres años, el investigador postdoctoral Caltech Radwanul Hasan Siddique -en ese momento trabajando en una disertación sobre una especie de ala de vidrio en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania- descubrió la razón por la cual: las secciones transparentes de las alas están recubiertas de pequeños pilares, cada uno aproximadamente 100 nanómetros de diámetro y espaciados a unos 150 nanómetros de distancia. El tamaño de estos pilares -50 a 100 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano- les otorga propiedades ópticas inusuales. Los pilares redirigen la luz que incide sobre las alas para que los rayos pasen sin importar el ángulo original en el que golpean las alas. Como resultado, casi no se refleja la luz de la superficie del ala.

En efecto, los pilares hacen las alas más claras que si estuvieran hechas de vidrio simple.

Esa propiedad de redirección, conocida como antirreflexión independiente del ángulo, atrajo la atención del Hyuck Choo de Caltech. En los últimos años, Choo ha estado desarrollando un implante ocular que mejoraría la monitorización de la presión intraocular en pacientes con glaucoma. El glaucoma es la segunda causa de ceguera en el mundo. Aunque el mecanismo exacto por el cual la enfermedad daña la vista todavía está bajo estudio, la teoría principal sugiere que los picos repentinos en la presión dentro del ojo dañan el nervio óptico. La medicación puede reducir el aumento de la presión ocular y evitar daños, pero idealmente debe tomarse ante los primeros signos de un aumento en la presión ocular.

“En este momento, la presión ocular generalmente se mide solo un par de veces al año en un consultorio médico. Los pacientes con glaucoma necesitan una forma de medir la presión ocular de manera fácil y regular”, dice Choo, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la División de Ingeniería y Aplicada Científico e Investigador del Instituto de Investigaciones Médicas Patrimoniales.

Choo ha desarrollado un implante ocular con forma de un pequeño tambor, del ancho de algunos mechones de cabello. Cuando se inserta en un ojo, su superficie se flexiona al aumentar la presión ocular, lo que reduce la profundidad de la cavidad dentro del tambor. Esa profundidad puede medirse con un lector de mano, que proporciona una medición directa de la presión a la que se encuentra el implante.

Sin embargo, una debilidad del implante ha sido que, para obtener una medición precisa, el lector óptico debe mantenerse casi perfectamente perpendicular, en un ángulo de 90 grados (más o menos 5 grados), con respecto a la superficie del implante. el implante. En otros ángulos, el lector da una medida incorrecta.

Y ahí es donde las mariposas de cristal entran en escena. Choo razonó que la propiedad óptica independiente del ángulo de los nanopilares de las mariposas podría usarse para asegurar que la luz siempre pase perpendicularmente a través del implante, haciendo que el implante sea insensible al ángulo y proporcionando una lectura precisa independientemente de cómo se sostenga el lector.

Pidió a Siddique que trabajara en su laboratorio, y los dos, trabajando junto con el estudiante de posgrado de Caltech Vinayak Narasimhan, descubrieron una manera de adornar el implante con pilares del mismo tamaño y forma que los de las alas de la mariposa, pero hechos de nitruro de silicio , un compuesto inerte de uso frecuente en implantes médicos . Experimentando con varias configuraciones del tamaño y la ubicación de los pilares, los investigadores finalmente pudieron reducir el error en las lecturas de los implantes oculares por triplicado.

“Las nanoestructuras desbloquean el potencial de este implante, haciendo que sea práctico para los pacientes con glaucoma probar su propia presión del ojo todos los días”, dice Choo.

La nueva superficie también otorga a los implantes una propiedad anti-bioincrustante no tóxica de larga duración.

En el cuerpo, las células tienden a engancharse a la superficie de los implantes médicos y, con el tiempo, las encienden. Una forma de evitar este fenómeno, llamado bioincrustación, es recubrir los implantes médicos con una sustancia química que impida que las células se adhieran. El problema es que dichos recubrimientos eventualmente desaparecen.

Los nanopilares creados por el equipo de Choo, sin embargo, funcionan de una manera diferente. A diferencia de los nanopilares de la mariposa, los nanopilares hechos en laboratorio son extremadamente hidrofílicos, lo que significa que atraen agua. Debido a esto, el implante, una vez en el ojo, pronto se recubre con un recubrimiento de agua. Las células se deslizan en lugar de ganar un punto de apoyo.

“Las células se unen a un implante al unirse con las proteínas que se adhieren a la superficie del implante. Sin embargo, el agua impide que esas proteínas establezcan una conexión fuerte en esta superficie”, dice Narasimhan. Las primeras pruebas sugieren que el implante equipado con nanopilares reduce el bioensuciamiento diez veces más que los diseños anteriores, gracias a esta propiedad antiinflamabilidad.

Ser capaz de evitar la bioincrustación es útil para cualquier implante, independientemente de su ubicación en el cuerpo. El equipo planea explorar qué otros implantes médicos podrían beneficiarse de sus nuevas nanoestructuras, que pueden producirse en masa de forma económica.

El estudio se titula “Nanoestructuras biofotónicas multifuncionales inspiradas en alas de ala de mariposa de cola larga para dispositivos médicos”.

Más información: Vinayak Narasimhan y otros, nanoestructuras multifotales biofotónicas inspiradas en la mariposa longwing glasswing para dispositivos médicos, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038 / s41565-018-0111-5

Información de: phys.org

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