Представьте себе рыбку-прилипалу, которая путешествует по океану, прицепившись к акуле. Ученые из Массачусетского технологического института, вдохновившись ее удивительной присоской, создали устройство, которое может прилипать к мягким и скользким поверхностям под водой и внутри живого организма. Оно держится там днями и даже неделями.

Главная проблема, которую они решили, — как закрепить что-либо на слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта. Она очень скользкая, постоянно обновляется, и ни сенсоры, ни капсулы с лекарствами на ней не удерживаются. Новое устройство справляется с этой задачей. Оно может самостоятельно прилипнуть к стенке желудка или кишечника, чтобы, например, неделю подряд высвобождать препараты для профилактики ВИЧ или доставлять молекулы РНК. Его также можно использовать как датчик для диагностики гастроэзофагеального рефлюкса (ГЭРБ). А еще его можно прикрепить к живой рыбе, чтобы та служила подвижной станцией для мониторинга состояния воды.

Подробности опубликованы в издании Nature.

Понимание фундаментальной физики того, как эта рыба прилипает к другому организму, помогло нам заложить основу для создания собственной адгезивной системы, — говорит Джованни Траверсо, старший автор исследования.

Их открытие основано на детальном изучении присоски рыбы-прилипалы. Оказалось, что ее способность держаться за мягкую и постоянно двигающуюся кожу хозяина обеспечивает целый набор уникальных особенностей:

• Сетчатая структура: Присоска разделена на множество независимых ячеек гибкими пластинами (ламеллями). Это позволяет ей плотно прилегать к неровным поверхностям.
• Разная геометрия: У разных видов прилипал эти ряды пластин ориентированы по-разному — параллельно, под углом или в смешанном порядке. Ученые выяснили, что вид Remora albescens, который прилипает во рту скатов, имеет сильно наклоненные ряды, что обеспечивает максимальное сцепление со слизистой. Этот вариант и стал основным прототипом.
• Микроскопические крючки: На поверхности пластин есть крошечные шипы (спинулы). Они цепляются за ткань, создавая дополнительное механическое сцепление.

Если на ячейку с вакуумом действует сила, то трение, создаваемое сцеплением шипов, помогает удержаться на поверхности, — поясняет ведущий автор исследования Цилян Кан.

Устройство, которое ученые назвали MUSAS, сделано из силикона и умных материалов, меняющих форму при нагреве. Оно полностью пассивное, то есть не требует моторов или батареек для прилипания. Внутри его диска — такие же ряды пластин, а на них — микроиглы из сплава с памятью формы. При контакте с температурой тела эти иглы «оживают» и впиваются в ткань, надежно фиксируя устройство.

Исследователи провели серию успешных испытаний. Устройство держалось на свином желудке, резиновых перчатках и даже на живой тилапии, которая плавала в аквариуме. Затем его возможности проверили на практике.

Теперь ученые планируют адаптировать свою разработку для доставки вакцин и других препаратов, а также для электрической стимуляции нервов, например, для регуляции аппетита.

Реальная польза этого исследования многогранна и простирается далеко за рамки лаборатории.

• Прежде всего, это прорыв в пероральной доставке тех лекарств, которые сегодня можно ввести только уколом. Представьте, что вместо ежемесячных инъекций препарата от ВИЧ или диабета пациент сможет просто проглотить капсулу, которая «присосется» в желудке и будет неделями планомерно выделять лекарство. Это радикально повысит качество жизни и приверженность лечению.
• Во-вторых, такая технология открывает дорогу для совершенно новых методов диагностики. Миниатюрные сенсоры, постоянно находящиеся в пищеводе или кишечнике, смогут в реальном времени передавать данные о pH, температуре или наличии кровотечений, что критически важно для раннего выявления заболеваний.
• Наконец, в перспективе это может стать платформой для «биоэлектронных» таблеток, которые будут точечно стимулировать нервы для управления болью, аппетитом или воспалением.

Основной вопрос, который пока остается без ответа, — это долгосрочная безопасность и биосовместимость устройства. Хотя микрошипы минимально инвазивны, их постоянное механическое сцепление со слизистой оболочкой, которая в норме быстро регенерирует и слущивается, может вызывать хроническое микрораздражение или воспаление. Не до конца изучено, как именно будет происходить отторжение устройства после того, как оно выполнит свою функцию: будет ли оно открепляться целиком или начнет разрушаться на части, которые затем должны безопасно пройти через весь кишечник. Прежде чем говорить о клиническом применении, необходимы длительные исследования на животных, чтобы исключить риски эрозий, изъязвлений или непроходимости.

Ранее мы разбирались, что наука заимствует у природы.