水生クモ (Argyroneta aquaticaspider) からインスピレーションを得て、研究者らは水中で数か月間使用できる安定したシャーシを備えた超疎水性表面を開発しました。このような表面は、外科的感染症の軽減などの生物医学分野や、パイプの腐食防止などの工業分野で使用できます。
ある種のクモは一生を水中で暮らしますが、その肺は大気中の酸素しか呼吸できません。どのように行われるのでしょうか？ Argyroneta aquatica と呼ばれるこのクモは、体に何百万もの粗い疎水性の毛を持っています。これらの毛は体の周りの空気を閉じ込め、酸素貯蔵所を形成し、クモの肺と水の間の障壁として機能します。
材料科学者たちは、何十年もの間、この薄い空気の保護層を活用しようと試みてきました。そうすることで、水中に超疎水性の表面が形成され、腐食、細菌の増殖、海洋生物の付着、化学的汚れ、および表面への液体のその他の有害な影響が防止されます。しかし、腹甲は水中では非常に不安定で、水面で乾燥したままでいられるのは研究室で数時間だけであることが判明しました。
今回、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）、ハーバード大学ウィス生物インスピレーション工学研究所、ドイツのエアランゲン・ニュルンベルクのフリードリッヒ・アレクサンダー大学、フィンランドのアアルト大学が率いる研究チームは、水中に数カ月間留まることができる安定した細胞膜を備えた超疎水性表面を開発した。チームの全体的な戦略は、血液をはじき、バクテリアやフジツボやイガイなどの海洋生物の付着を大幅に減少または防止する長期持続性の水中超疎水性表面を作成し、生物医学や産業における幅広い用途を開拓することです。
論文の共著者であるSEASのエイミー・スミス・ベリルソン材料科学教授で化学・ケミカルバイオロジー教授のジョアンナ・アイゼンバーグ氏は、「バイオインスパイアされた材料研究は、自然界で進化したエレガントな解決策を人工材料の領域にもたらし続ける非常に刺激的な分野であり、これまでに見たことのない特性を持つ新材料の導入を可能にする」と述べた。 「この研究は、これらの原理を明らかにすることで、水中で超疎水性を維持する表面の開発につながる可能性があることを示しています。」
アイゼンバーグはウィス研究所の准教員でもあります。この研究は Nature Materials 誌に掲載されました。
研究者らは安定した水中シャーシが理論的に可能であることを20年前から知っていたが、これまで実験的に証明することができなかった。
腹甲の最大の問題の 1 つは、Argyroneta aquatica の毛のように、形成するには粗い表面が必要であることです。しかし、この粗さにより表面が機械的に不安定になり、温度や圧力の小さな変動や小さな欠陥の影響を受けやすくなります。
一般的に使用される安価なチタン合金で作られた好気性の表面は耐久性のある細胞膜を備えており、血液培養皿に何百回も浸した後も乾燥したままです。画像出典: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
革新的な技術と発見
人工的に生成された超疎水性表面を評価するための現在の技術では、2 つのパラメーターのみが考慮されており、水中での空気粒子の安定性について十分な情報が得られません。アイゼンバーグ、ジャーコ V.I.ティモネンとロビン H.A.アアルト大学の Ras 氏、フロリダ大学の Alexander B. Tesler 氏、Wolfgang H. Goldmann 氏とそのチームは、表面粗さ、表面分子の疎水性、表面被覆率、接触角、その他の情報を含む、より多くのパラメータを決定しました。
この新しいアプローチと簡単な製造技術を使用して、研究チームは、一般的に使用される安価なチタン合金を使用して、いわゆる好気性表面を設計しました。これは、以前の実験よりも表面を何千時間も乾燥した状態に保ち、生物種の細胞膜よりも長持ちする長期持続する細胞膜を備えています。
「私たちは、表面が安定していることを示すために、20年前に理論家によって開発された特性評価方法を使用しました。これは、非常に撥水性があり、非常に耐久性のある新しいタイプの超疎水性表面を作成しただけでなく、異なる材料でそれを再度行う方法も持っていることを意味します」と、SEASとウィス研究所で博士研究員として働き、論文の筆頭著者であるテスラー氏は述べた。
プルームの安定性を証明するために、研究者らはプルームの表面にさまざまなテストを実施した。プルームを曲げたり、ひねったり、温水や冷水を吹きかけたり、表面が好気性のままになるのを防ぐために砂や鋼で磨いたりした。それを208日間、血液シャーレの中で数百回水に浸した。表面の大腸菌やフジツボの増殖を大幅に抑制し、貝類の付着を完全に防ぎます。
「このシステムの安定性、シンプルさ、拡張性により、実用的なアプリケーションにとって非常に価値があります」と論文の共著者であり、SEAS の大学院生である Stefan Kolle 氏は述べています。 「ここで実証された特性評価方法を使用して、安定性を確保するために超疎水性表面を最適化するためのシンプルなツールキットを実証します。これにより、アプリケーション空間が劇的に変化します。」
論文の上級著者で元ハーバード大学研究員のゴールドマン氏は、この応用分野には術後感染を軽減するための生物医学的応用や、ステントなどの生分解性インプラントとしての応用が含まれると述べた。パイプやセンサーを腐食から保護するために水中で使用することもできます。将来的には、表面を汚染からさらに保護するためにアイゼンバーグ氏と彼女のチームが10年以上前に開発したSLIPS（液体注入多孔質表面）と呼ばれる超滑りやすいコーティングと組み合わせる可能性もある。