Johdanto biomimeettiseen suunnitteluun

Johdanto biomimeettiseen suunnitteluun Monet arkielämän sovellukset perustuvat luonnon omiin mekanismeihin, mutta tullaanko silmän luonnollisten mekanismien perusteella kehittämään uusia biomimeettisia silmänhoitotuotteita? Tri Peter Vukusic ja professori Joe Barr ovat seuraavassa tarkastelleet joitakin tavallisia esimerkkejä biomimeettisista keksinnöistä ja periaatteen soveltamistavoista piilolinssien suunnittelussa Luonnossa on runsaasti esimerkkejä erittäin hienovaraisesti toimivista ja pitkälle kehittyneistä järjestelmistä, joista on eläimille tai kasveille hyötyä vuorovaikutussuhteessa toistensa ja ympäristön kanssa. Tiedemiehet etsivät usein luonnosta ratkaisua teknisiin, biolääketieteellisiin tai teollisiin ongelmiin. Biomimeettiseen suunnitteluun eli biosuunnitteluun 1 perustuu monia arkisia sovelluksia. Tunnettu esimerkki tällaisesta keksinnöstä on tarramekanismi (kuva 1). Kuva 1: Koukkujen ja silmukoiden muodostama rakenne, johon tarramekanismi perustuu, on yleisesti käytetty esimerkki biomimeettisesta suunnittelusta Tarramekanismin keksi yleisen käsityksen mukaan sveitsiläinen insinööri George de Mestral vuonna 1941. Kun de Mestral palasi koiransa kanssa patikkaretkeltä Alpeilta, hän huomasi, että koiran karvoihin oli tarttunut takiaisen mykeröitä. Tarkastellessaan niitä lähemmin de Mestral huomasi, että mykeröissä olevien piik 1

kien päissä oli paljon pieniä koukkuja. Mykeröt olivat kiinnittynet koukuilla tiukasti silmukoihin, joita koiran karvat olivat muodostaneet. de Mestral keksi, että samalla tavalla voitaisiin yhdistää kaksi keinotekoista pintaa toisiinsa koukkujen ja silmukoiden muodostaman keinotekoisen järjestelmän avulla. Hänen keksintönsä patentoitiin ja siirtyi kaupalliseen tuotantoon. Keksintöä on sen jälkeen hyödynnetty laajasti niin kotitaloustuotteissa kuin erilaisissa tieteellisissä, teollisissa ja sotilaallisissa sovelluksissa. Eläinmaailman kanssa analogiset keksinnöt Biologian ja kasvi- ja eläinmaailman tieteellisen tutkimustyön tuloksena on tunnistettu monia mahdollisuuksia valmistaa biomimeettisia tuotteita. Näihin kuuluu kiinnittyvä gekkoteippi. Teipin periaate perustuu gekon jalkoihin, jotka pystyvät kiinnittymään lujasti pehmeisiin pintoihin (kuva 2). Gekot ovat tunnettuja ällistyttävästä kyvystään kiipeillä nopeasti hyvin erilaisilla pinnoilla ja jopa pystypinnoilla. Ne pystyvät vapauttamaan jalkojensa otteen millisekunneissa. Gekkojen kyky tarttua pintoihin perustuu mikroskooppisen pieniin säleisiin, jotka peittävät niiden varpaiden alapinnan. Säleet (katso kuvan 2 tausta) muodostuvat sitkeästä ja kimmoisesta vettähylkivästä keratiinista ja puhdistuvat itsestään. Tämän ansiosta gekot voivat tarttua pintoihin ja irrottautua niistä nopeasti. Suorituskyky ei heikkene kuukausien kuluessa, vaikka pintojen puhtaus ja likaisuus usein vaihtelevat luonnonolosuhteissa. Kuva 2: Gekko-lisko(Gekkonidae) on ottanut toisella jalallaan tartuntaotteen lasipinnasta (edusta). Tartuntaelinten sälerakenne näkyy kuvassa (tausta). (Kuva: Stanislav Gorb. Copyright (2005) National Academy of Sciences, USA). Samaan periaatteeseen pohjautuvien synteettisten pintojen kehitystyö on vasta alkuvaiheessa. Erikoissovelluksissa gekkoteippi kiinnittyy tehokkaasti ja tuottaa tiettyjä erikoisominaisuuksia, joita ei saavuteta perinteisillä viskoelastisilla polymeeripohjaisilla liimoilla. 2

Siemenen istuttaminen Eläinmaailman järjestelmät ovat innoittaneet tekemään runsaasti biomimeettisia keksintöjä tekniikan, teollisuuden ja biolääketieteen alalla. Niiden lisäksi myös kasvit ovat arvokas innoituksen lähde. Yksi esimerkki on lootuskasvin lehti, joka on erittäin hydrofobinen. Niin sanotusta lootusilmiöstä puhuttaessa viitataan kasvin vettä voimakkaasti hylkiviin lehtiin (kuva 3a). Kuva 3a: Vesi vierii lootuskasvin (Nelumbo nucifera) lehdiltä, jotka hylkivät voimakkaasti vettä. Kun vesipallot vierivät pintaa myöten, ne keräävät likahiukkasia ja bakteereita mukaansa ja puhdistavat näin lehden pintaa (Kuva: Ralf Pfeifer). Lootuskasvin lehdissä on pieniä mikrokyhmyjä ja karvamaisia nanorakenteita, joita yhdistää vahamainen pintarakenne. Kun vesipisara putoaa lehdelle, sen kosketuskulma lehden pinnan kanssa on hyvin suuri, jolloin vedestä muodostuu pyöreä pallo (kuva 3b). Pallojen pinta-alasta alle 5 prosenttia koskettaa lehden pintaa. Vesipallo vierii pintarakenteiden ja vesipallon alle joutuneen ilman avustamana lehden pintaa myöten, kun lehteä kallistetaan. Samalla se kerää ja poistaa likaa ja bakteereja lehden pinnalta 2. Lootusilmiö on innoittanut valmistamaan useita sovelluksia, kuten rakennuksissa vettähylkivien ja itsepuhdistuvien kerrosten luomiseen käytettyjä pinnoitusaerosoleja ja itsepuhdistuvia ulkolaseja. 3

Kuva 3b: Vesipisaroita BASF:n Lotus Spray -suihkeella käsitellyllä puupinnalla, joka hylkii vettä voimakkaasti käsittelyn jälkeen (erittäin hydrofobinen pinta) (Kuva: BASF). Valo ja väri Biomimetiikka on vaikuttanut lukuisten optisten toimintojen suunnitteluun ja kehittämiseen viime vuosikymmenen aikana. Monet biologiset järjestelmät ovat toimineet valon ja värin manipuloimiseen kehitettyjen erikoissovellusten perustana. Fotonisovelluksissa ideana on manipuloida sähkömagneettista säteilyä sen ollessa vuorovaikutuksessa sellaisen pinnan kanssa, jonka valontaitekerroin vaihtelee jaksoittaisesti. 3 CD-levyjen urat ja silmälasien linsseissä käytetyt heijastusta estävät pinnoitteet ovat arkisia esimerkkejä tästä ilmiöstä. CD-levyssä spektrin värit havaitaan urien valoa taittavan ominaisuuden perusteella ja linsseistä heijastuvan valon väri havaitaan niiden monikerroksisessa pinnoitteessa aiheuttaman interferenssin ansiosta. Väri muodostuu tällöin eri tavalla kuin silloin, kun valo absorboituu pigmentteihin tai väriaineisiin. Jälkimmäinen perustuu kromoforeihin pigmentit absorboivat valikoivasti joitakin aallonpituuksia ja hajottavat toisia. Fotonijärjestelmät puolestaan manipuloivat valoa suoraan hajottamalla sitä koherentisti: ne sallivat joidenkin aallonpituuksien siirtymisen järjestelmän läpi ja estävät toisien siirtymisen. Aallonpituudet, joiden siirtyminen estyy, heijastuvat pinnasta ja antavat järjestelmälle värillisen ulkoasun tai vaikuttavat siihen. Tavallisia esimerkkejä tästä ovat riikinkukon siniset sulat ja eräiden kalalajien hopeanväriset suomut. Värillisen ulkoasun syntyyn vaikuttava fotonijärjestelmä on erittäin kehittynyt eräillä eläin- ja kasvilajeilla. Näihin kuuluvat säihkyvänsiniset ja helmiäisväriset Morpho -perhoset (kuva 4a). Näiden perhosten voimakkaat päävärit ja erottuva ulkoasu ovat tulosta voimakkaasti kerrostuneista valoa koherentisti hajottavista raken 4

teista, jotka peittävät niiden siipien suomut. Kerrostunut rakenne ja taitteet tuottavat kirkkaat helmiäisvärit ja parantavat perhosen näkyvyyttä kulmassa tarkasteltuna. 4 Kuva 4a: Kaukaa erottuvien sinisten Morpho-suvun perhosten (kuvassa M rhetenor) ulkoasu perustuu valon koherenttiin hajaantumiseen siipien suomuissa, jotka muodostuvat jaksottaisista nano- ja mikrorakenteista. Silmää pettävät kosmetiikkasovellukset Kosmetiikan suunnittelussa on saatu innoitusta Morpho-perhosista ja muista perhosista. Erityisesti L Oreal on biomimeettisten optisten keksintöjen edelläkävijä kosmetiikkateollisuudessa. L Oreal on kehittänyt kosmetiikkatuotteitaan jäljittelemällä tapaa, jolla Morpho-perhosten suomut manipuloivat valoa ja värejä. Yhtiö on käyttänyt inerttejä synteettisiä materiaaleja jaksoittaisten mikro- ja nanorakenteiden luomiseen luonnon innoittamalla tavalla (kuva 4b). 5

Kuva 4b: L Oreal on suunnitellut biologisten fotonijärjestelmien toimintaa jäljitteleviä fotoniperusteisia kosmetiikkatuotteita (Kuva: L Oreal). Monien eläinlajien ulkomuotoon vaikuttavat optiset ominaisuudet, joista osan ihmissilmä voi havaita jo kaukaa ja joista osa on ihmissilmältä piilossa. Biomimeettisia keksintöjä ovat myös epätavalliset sovellukset, joissa kehitetään väärennökset estäviä laitteita. Kaupallinen kehitystyö on tavallisesti hyvin salaista, mutta patenttihakemukset sisältävät joitakin tietoja myös tällaisista tuotteista. Papilio palinurus eli salamaritari näyttää ihmisestä vihreältä, vaikka sen siipien suomut koostuvat mikrokokoisista alueista, joissa keltainen ja sininen väri vuorottelevat. 5 Ihmissilmä ei pysty erottamaan näin pieniä yksittäisiä värikeskittymiä, vaan ne sekoittuvat silmässä tasaisen vihreäksi väriksi. Analogisessa synteettisessä sovelluksessa voidaan hyödyntää piilossa oleva turvaominaisuus, kun kahdesta erillisestä väristä toinen heijastuu (kuva 6). Vain sinisen värikeskittymän komponentit heijastavat kaksinkertaisesti tulevan valon kunkin monikerroksisen rakenteen kaltevilta sivuilta. Sininen heijastus polarisoituu silloin ja tuottaa vaikutelman, ettei sinistä ole heijastuneessa keltaisessa komponentissa. Näillä luonnon omaan järjestelmään perustuvilla synteettisillä väärennökset estävillä rakenteilla on useita hyviä puolia ja niitä kehitetään parhaillaan esimerkiksi seteleihin liittyvien huippukehittyneiden sovellusten tuotannon aloittamiseksi (katso OVD Kinegram -tuote kuvassa 5b). 6

Kuvat 5a ja 5b: Salamaritarin (Papilio palinurus) kirkkaan vihreä ulkoasu on tulosta mikroskooppisen pienien värikeskittymien additiivisesta sekoittumisesta. Värikeskittymät heijastavat samanaikaisesti keltaista ja sinistä (vasen) rakenneväriä samasta nanotason fotonirakenteesta. Näitä ominaisuuksia voidaan hyödyntää esimerkiksi kehittyneissä seteliväärennökset estävissä logoissa (oikea). Silmän luonnollisten mekanismien jäljitteleminen Biomimeettisilla konsepteilla voi olla suuri merkitys lääketieteellisten laitteiden kehittämisessä ja potilaiden saatavilla olevien laadukkaiden tuotteiden tuotannossa. Silmään liittyvällä alalla silmänsisäisen linssirakenteen suunnittelussa pyritään jäljittelemään luonnollista kiteistä rakennetta mahdollisimman tarkasti. Tekomykiö liikkuu silmässä ja mahdollistaa potilaalle hyvän näöntarkkuuden lähelle, keskialueelle ja kauas. Bausch + Lombin Crystalens HD, joka on mukauttava kehittynyttä optiikkaa hyödyntävä tekomykiö, auttaa potilasta nauttimaan kummankin maailman parhaista puolista parantamalla tarkennuksen syvyyttä. Se on suunniteltu silmän luonnollisen toiminnan pohjalta. Crystalens-tekomykiöiden toiminta ja liike silmässä vastaavat mahdollisimman tarkasti silmän luonnollisia ominaisuuksia (kuva 6). Piilolinsseissä tiedemiehet ovat jo soveltaneet biomimeettisia keksintöjä piilolinssimateriaaleissa, joiden ominaisuudet jäljittelevät silmän pinnan ominaisuuksia. Lisäksi on suunniteltu silmän kuivumisen ehkäiseviä silmätippoja, jotka perustuvat silmän toiminnan ymmärtämiseen ja jäljittelemiseen. 7

Katse kauas Katse keskialueelle Katse lähelle Bausch + Lombin Crystalens HD, mukauttava kehittynyttä optiikka hyödyntävä tekomykiö, on suunniteltu jäljittelemään silmän luonnollista toimintaa. Silmän kyynelfilmin ja kyynelien sisältämien komponenttien tuntemus voi innoittaa keksimään uusia rakenteita ja luomaan optimaalisia ratkaisuja piilolinssien käyttäjille. Kyynelfilmissä on esimerkiksi proteiineja ja lipidejä, joilla on tärkeä merkitys sarveiskalvon ja sidekalvon suojaamisessa ja kosteana pitämisessä. Lysotsyymin ja laktoferriinin kaltaiset proteiinit suojaavat luonnollisella tavalla silmää tulehduksilta estämällä mikrobien muodostumista. Kyynelten sisältämä lipokaliini on proteiini, joka sitoutuu lipideihin ja jonka tiedetään estävän sarveiskalvon pinnan kuivumista. Kyynelten sisältämän lipokaliinin suojausmekanismeja ja toimintaa jäljittelevät tekniikat voivat auttaa säilyttämään elimistön dynaamisen tasapainon, mikä on tärkeä näkökohta biomimeettisessa suunnittelussa. Tulevaisuus Piilolinssien käyttökokemuksen parantaminen on yksi tärkeimpiä asioita piilolinssien ja piilolinssien hoitotuotteiden valmistajille ja alan palveluntarjoajille. Markkinointi-, tutkimus- ja kehitysosasto ja tehtaat tekevät jatkuvasti työtä kehittääkseen uusia rakenteita ja täyttääkseen asiakkaiden tarpeet. Luonto ja ihmiskeho ovat valtavia ideoiden ja konseptien lähteitä, joista voi ammentaa loputtomasti. Biomimeettinen suunnittelu vie meitä uusiin suuntiin luonnon miljoonien vuosien evoluution perusteella ei meidän rajalliset kokemustemme perusteella. Biomimeettiset materiaalit ja hoidot ovat jo alkaneet yleistyä terveydenhuoltoalan kaikissa segmenteissä silmänhoitoala mukaan lukien. 8

Näön korjaaminen piilolinsseillä ja luonnon olosuhteita mahdollisimman paljon muistuttava käyttökokemus ovat parhaassa tapauksessa tulosta biomimeettisesta lähestymistavasta. Jos piilolinssien valmistuksessa käytetyt polymeerit perustuisivat luonnon järjestelmiin tai jos linssit suunniteltaisiin siten, että kyynelvirta linssien ja sarveiskalvon pinnan välillä jäljittelisi luonnollista tapahtumaketjua silmässä, potilaat voisivat unohtaa piilolinssien silmiin asettamisen jälkeen kokonaan niiden olemassaolon. He voisivat käyttää piilolinssejä koko päivän kaikissa olosuhteissa silmien ärtymättä tai käytön tuntumatta epämiellyttävältä. Kun silmää tutkivien tiedemiehien tietämys silmästä ja sen mekanismeista kasvaa, tuloksena on lisää tämän ihmeellisen elimen luonnolliseen toimintaan perustuvia tuotteita. Biomimeettinen suunnittelu on silloin täyttänyt tehtävänsä piilolinssien käyttäjien tarpeiden täyttämisessä. Kirjallisuus 1. Sanchez C, Arribart H ja Guille MMG. Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials 2005; 4:4 277-288. 2. Barthlott W ja Neinhuis C. The lotus-effect: nature s model for self cleaning surfaces. International Textile Bulletin (2001);1: 8 12. 3. Vukusic P ja Sambles JR. Photonic structures in biology. Nature 2003; 424:6950 852-855. 4. Vukusic P, Sambles JR, Lawrence CR ja Wootton RJ. Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proc Roy Soc Lond B 1999;266: 1403-11. 5. Vukusic P, Sambles JR ja Lawrence CR. Structural colour: colour mixing in the wing scales of a butterfly. Nature 2000;404: 457. Tri Peter Vukusic on apulaisprofessori Exeterin yliopiston fysiikan laitoksella. Professori Joe Barr on Bausch + Lobmin apulaisjohtaja ja vastaa kansainvälisestä kliinisestä ja lääketieteellisestä liiketoiminnasta ja ammatillisista palveluista (silmien terveydenhoito). Julkaistu alunperin Optician-lehdessä 9. huhtikuuta 2010 9