Z natury nowoczesne

W poszukiwaniu coraz lepszych i nowocześniejszych rozwiązań naukowcy coraz chętniej sięgają po wzorce, które w ciągu tysięcy, a nawet milionów lat ewolucji z powodzeniem przetestowała natura. Intencją pasjonatów biomimetyki jest to, by znajdować i naśladować szczególnie inspirujące właściwości świata przyrody, które mogą stanowić rozwiązania dla wielu technologicznych, biomedycznych czy przemysłowych odkryć. Dr Peter Vukusic oraz dr Joe Barr przeanalizowali różnorodne projekty oparte na bioinspiracji rozważając, w jaki sposób tę zasadę można wykorzystać w dziedzinie ochrony zdrowia oczu.

Praktyczne rozwiązania

Bio-inspiracja ze stale rosnącego trendu powoli zamienia się w globalny ruch. Świat przyrody dostarcza wielu przykładów rozwiązań adaptacyjnych, dzięki którym rośliny i zwierzęta zyskały przewagę nad otoczeniem i konkurencyjnymi gatunkami. Nie zawsze zdajemy sobie sprawę z tego, jak wiele przedmiotów czy specyfików wokół nas zawdzięcza swe powstanie podglądaniu natury. Popularne i praktyczne rzepy, stosowane w ubraniach czy butach, powstały 70 lat temu, kiedy szwajcarski inżynier zbadał dokładnie wczepione w sierść swojego psa koszyczki łopianu, popularnie zwane rzepami. Odkrył on, że końcówki kolców pokrywających koszyczki kwiatowe wyposażone są w liczne drobne haczyki, które mocno przyczepiają się do pętelek utworzonych z sierści zwierząt. Zainspirowany swoim odkryciem stworzył system dwóch powierzchni, zaopatrzonych w system haczyków i pętelek.

Łapy gekona przylegają do gładkich powierzchni dzięki mikroskopijnym, rozwidlającym się wyrostkom pokrywającym spód łapy jaszczurki, zwanym szczecinkami. Szczecinki te zawierają sztywne, podobne do sprężyny włókna keratyny o właściwościach hydrofobowych (odpornych na zwilżanie) oraz samooczyszczających.  Daje to możliwość szybkiego przylgnięcia i odczepienia od podłoża, a także zachowania dłużej tej własności, nawet w środowisku o zmieniającym się stopniu zanieczyszczenia. Taśma gecko, podobnie jak łapy gekona mocno przyczepiające się do powierzchni, znacznie ściślej przylega do podłoża niż tradycyjne taśmy polimerowe. Takich produktów jest znacznie więcej.

Efekt lotosu

Rośliny także dostarczają naukowcom wielu pomysłów. Inspiracją stał się na przykład liść lotosu, którego powierzchnia wykazuje wybitnie hydrofobowe, czyli niezwilżalne właściwości. To właśnie tę cechę, polegającą na silnym odpychaniu cząsteczek wody, nazwano efektem lotosu.

Lotosowe liście wyposażone są w mikroskopijne wypukłości oraz włosowate wyrostki wielkości kilku nanometrów, połączone z powierzchnią o woskowatej strukturze. Kiedy kropla deszczu spada na liść, kąt zetknięcia z jego powierzchnią, czyli kąt zwilżania jest bardzo szeroki i dzięki temu woda nie rozlewa się, lecz tworzy niemal okrągłe kulki. Woda łatwo spływa po pochyłości, w czym pomaga jej wyjątkowa struktura liścia oraz warstwa powietrza zatrzymana między kroplą a podłożem. Ten system umożliwia zbieranie i spłukiwanie zanieczyszczeń i bakterii z powierzchni rośliny, a dla inżynierów stał się źródłem inspiracji do opracowania powłok wodoodpornych. Inspirowane efektem lotosu produkty to na przykład rozpylane na powierzchni konstrukcji architektonicznych powłoki aerozolowe, które nadają zewnętrznym ścianom budynków własności hydrofobowe i samoczyszczące, a także tafle szklane o fakturze zapewniającej efekt samooczyszczania.

Magia światła i koloru

Wiele systemów biologicznych rozwinęło odrębne mechanizmy wytwarzania barw dzięki operowaniu światłem i kolorem w taki sposób, że część fal elektromagnetycznych jest rozprzestrzeniana a inna zatrzymana. Ten efekt zafascynował świat nauki. Fale zatrzymywane są odbijane, nadając barwy danej strukturze lub przyczyniając się do ich powstania. W przyrodzie powstają dzięki temu opalizujące struktury – pawie pióra, łuski ryb czy też jaskrawoniebieskie skrzydła motyla z rodziny Morpho, mieszkańca Amazonii. Obserwacja oraz kopiowanie tego sposobu tworzenia barw zaowocowała takimi rozwiązaniami jak mieniące się kolorowo płyty kompaktowe, logotyp zabezpieczający środki finansowe, w którym tylko część znaku jest czytelna dla ludzkiego oka czy efektowne produkty kosmetyczne. Szczególnie firma L’Oreal przoduje w adaptacji technologii biooptycznych na potrzeby wytwarzania kosmetyków kolorowych. Naśladując sposób manipulowania światłem i kolorem na łuskach motyli z rodzaju Morpho, ale przy wykorzystaniu syntetycznych materiałów do wytworzenia mikro i nanostruktur ułożonych okresowo, L’Oreal poprawił estetykę swoich produktów.

Rzut oka w przyszłość

Organizm człowieka to także wspaniałe źródło pomysłów. W takich dziedzinach jak ochrona zdrowia oczu bacznie obserwowana jest biologia ludzkiego oka. Przy opracowaniu akomodacyjnych soczewek wewnątrzgałkowych starano się jak najwierniej naśladować naturalną soczewkę oka, która poruszając się i zmieniając kształt umożliwia równie wyraźne widzenie zarówno z bliska, z daleka jak i z odległości pośredniej. Taka jest właśnie soczewka Crystalens HD firmy Bausch&Lomb, która odtwarza funkcje akomodacji i zapewnia najlepsze widzenie dzięki regulacji głębi ostrości. Zarówno jej sposób poruszania się jak i funkcjonowanie w maksymalny sposób naśladują pierwowzór.

Źródłem inspiracji dla naukowców z firmy Bausch&Lomb stały się także …łzy. A dokładniej – znajomość budowy i własności płynu łzowego ludzkiego oka. Efekt – płyn do pielęgnacji soczewek Biotrue, można by rzec, łzy zamknięte w butelce. I nie jest to grubą przesadą, ponieważ płyn odtwarza naturalne pH zdrowych łez. Ponadto zawiera hialuronian – środek nawilżający naturalnie występujący we łzach – zapewniając długotrwałe nawilżenie, a tym samym komfort. Dodatkową funkcją Biotrue jest naśladowanie ochronnej dla narządu wzroku funkcji płynu łzowego. Ponieważ naturalne działanie niektórych białek ma działanie antybakteryjne, płyn chroni te „dobre proteiny”, pozwalające zachować czyste i przejrzyste soczewki.
Korzystanie z bioinspiracji umożliwiło połączenie zalet związanych z korekcją ostrości wzroku przy użyciu soczewek kontaktowych i komfortu ich noszenia możliwie najbardziej zbliżonego do warunków naturalnych.

A w przyszłości – zapewne powstaną soczewki zaprojektowane tak, by przepływ łez między nimi a powierzchnią rogówki naśladował mechanizmy fizjologiczne. Dzięki temu można by je nosić przez dłuższy okres czasu, nie odczuwając dyskomfortu. Efekty badań naukowców zgłębiających biologię ludzkiego oka przyniosą zapewne nowe, naśladujące naturę rozwiązania.

Dr Peter Vukusic jest profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Exeter.

Dr Joe Barr jest w firmie Bausch & Lomb wiceprezesem do spraw klinicznych i medycznych oraz wsparcia dla specjalistów na szczeblu globalnym.

Więcej:nauka