Inspirados na aranha aquática (Argyroneta aquaticaspider), os pesquisadores desenvolveram uma superfície superhidrofóbica com um chassi estável que pode durar meses debaixo d'água. Essas superfícies podem ser usadas em áreas biomédicas, como na redução de infecções cirúrgicas, e em áreas industriais, como na prevenção da corrosão de tubos.
Uma espécie de aranha vive toda a sua vida debaixo d'água, embora seus pulmões só possam respirar o oxigênio atmosférico. Como isso é feito? A aranha, chamada Argyroneta Aquatica, possui milhões de pelos ásperos e hidrofóbicos em seu corpo. Esses pelos prendem o ar ao redor do corpo, formando um reservatório de oxigênio e agindo como uma barreira entre os pulmões da aranha e a água.
Os cientistas de materiais têm tentado explorar esta fina camada protetora de ar há décadas. Isso cria superfícies superhidrofóbicas subaquáticas que evitam corrosão, crescimento bacteriano, adesão de vida marinha, incrustações químicas e outros efeitos nocivos de líquidos nas superfícies. Mas acontece que os plastrões são extremamente instáveis debaixo d'água e só conseguem permanecer secos na superfície por algumas horas no laboratório.
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), pelo Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard, pela Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, e pela Universidade Aalto, na Finlândia, desenvolveu uma superfície superhidrofóbica com uma membrana plasmática estável que pode permanecer na água por meses. A estratégia geral da equipe é criar superfícies superhidrofóbicas subaquáticas duradouras que repelem o sangue e reduzam ou impeçam significativamente a fixação de bactérias e organismos marinhos, como cracas e mexilhões, abrindo uma gama de aplicações na biomedicina e na indústria.
"A pesquisa de materiais bioinspirados é um campo extremamente interessante que continua a trazer soluções elegantes evoluídas na natureza para o reino dos materiais feitos pelo homem, permitindo-nos introduzir novos materiais com propriedades nunca antes vistas", disse Joanna Aizenberg, professora Amy Smith Berylson de Ciência dos Materiais e professora de química e biologia química no SEAS, co-autora do artigo. "Este estudo demonstra que a descoberta destes princípios pode levar ao desenvolvimento de superfícies que permanecem superhidrofóbicas na água."
Aizenberg também é membro associado do corpo docente do Wyss Institute. A pesquisa foi publicada na revista Nature Materials.
Os pesquisadores sabem há 20 anos que um chassi subaquático estável é teoricamente possível, mas até agora não conseguiram provar isso experimentalmente.
Um dos maiores problemas dos plastrões é que eles requerem uma superfície rugosa para se formarem, como os pêlos da Argyroneta Aquatica. Mas esta rugosidade torna a superfície mecanicamente instável, suscetível a quaisquer pequenas perturbações de temperatura, pressão ou pequenas imperfeições.
A superfície aerofílica, feita de uma liga de titânio comumente usada e barata, possui uma membrana plasmática durável e permanece seca após ser embebida centenas de vezes em placas de hemocultura. Fonte da imagem: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Tecnologias e descobertas inovadoras
As técnicas atuais para avaliar superfícies superhidrofóbicas produzidas artificialmente consideram apenas dois parâmetros, que não fornecem informações suficientes sobre a estabilidade das partículas de ar debaixo d'água. Aizenberg, Jaakko V.I. Timonen e Robin H.A. Ras da Universidade de Aalto, e Alexander B. Tesler e Wolfgang H. Goldmann da Universidade da Flórida e suas equipes determinaram mais parâmetros, incluindo rugosidade da superfície, hidrofobicidade das moléculas da superfície, cobertura da superfície, ângulo de contato e outras informações.
Usando esta nova abordagem e uma técnica de fabricação simples, a equipe projetou uma chamada superfície aerofílica usando uma liga de titânio barata e comumente usada que possui uma membrana plasmática de longa duração que mantém a superfície seca por milhares de horas melhor do que experimentos anteriores e até supera as membranas plasmáticas de espécies biológicas.
"Usamos um método de caracterização desenvolvido por teóricos há 20 anos para mostrar que nossa superfície é estável, o que significa que não apenas criamos um novo tipo de superfície superhidrofóbica extremamente repelente e extremamente durável, mas também temos uma maneira de fazê-lo novamente com materiais diferentes, "disse Tesler, que trabalhou como pós-doutorado no SEAS e no Wyss Institute e é o primeiro autor do artigo.
Para comprovar a estabilidade da pluma, os investigadores realizaram vários testes na sua superfície – dobrando-a, torcendo-a, pulverizando-a com água quente e fria e polindo-a com areia e aço para evitar que a sua superfície permanecesse aerofílica. Foi embebido em água durante 208 dias e centenas de vezes em placas de Petri de sangue. Reduz severamente o crescimento de E. coli e cracas na sua superfície e evita completamente a aderência dos mexilhões.
“A estabilidade, simplicidade e escalabilidade deste sistema tornam-no muito valioso para aplicações práticas”, disse o coautor do artigo Stefan Kolle, estudante de pós-graduação da SEAS. "Com o método de caracterização demonstrado aqui, demonstramos um kit de ferramentas simples para otimizar superfícies superhidrofóbicas para estabilidade, o que muda drasticamente o espaço de aplicação."
Goldman, autor sênior do artigo e ex-pesquisador da Universidade de Harvard, disse que esse espaço de aplicação inclui aplicações biomédicas para reduzir infecções pós-operatórias ou como implantes biodegradáveis, como stents. Também pode ser usado debaixo d'água para proteger tubos e sensores contra corrosão. No futuro, poderá até ser combinado com revestimentos ultra-escorregadios chamados SLIPS (superfícies porosas com infusão de líquido) que Eisenberg e a sua equipa desenvolveram há mais de uma década para proteger ainda mais as superfícies contra contaminação.