Asas de Cigarras são Antimicrobianas, Impermeáveis e Inovadoras

Cigarras do gênero Magicicada

Neste verão, trilhões de cigarras periódicas do gênero Magicicada emergiram no leste dos EUA, atraindo comparações com eventos apocalípticos na mídia. No entanto, essa emergência pode ser vista como hipnotizante, misteriosa e até mágica.

Magicicada, o nome do gênero, destaca a impressionante sincronia com que essas cigarras emergem da terra para alcançar a luz. Este ano foi notável em Illinois: cigarras de 13 anos da Grande Ninhada do Sul XIX e cigarras de 17 anos da Grande Ninhada do Norte XIII emergiram em grande número simultaneamente, um fenômeno que não ocorria desde 1803 e só acontecerá novamente daqui a 221 anos.

Essa ocasião foi um prato cheio para os pesquisadores do Instituto Beckman para Ciência e Tecnologia Avançada da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. “Usamos cigarras e outros insetos como inspiração para desenvolver novos materiais. Como biólogos, queremos utilizar esses materiais para responder a questões biológicas fundamentais sobre seleção natural,” explicou Marianne Alleyne, professora de entomologia e ciência mecânica e engenharia.

O laboratório de Alleyne foca no design bioinspirado, aprendendo com a natureza para criar novas tecnologias. Yutao Chen, biólogo e estudante de pós-graduação no ABC Lab, investiga as propriedades antibacterianas das asas de cigarra para criar superfícies funcionais inspiradas nessas características.

“As asas das cigarras são super-hidrofóbicas, ou seja, extremamente impermeáveis, e possuem excelentes propriedades antibacterianas,” explicou Chen.

Qual é o segredo dessas asas?

A olho nu, as asas parecem lisas e translúcidas. No entanto, utilizando um microscópio eletrônico de varredura ambiental, Chen aumentou a ampliação de uma asa em 10.000 vezes, revelando padrões ondulados e nanopilares microscópicos.

Esses nanopilares, com cerca de 150 nanômetros de largura e 200 a 400 nanômetros de altura, são distribuídos uniformemente em cada asa, variando em tamanho conforme a espécie. Eles criam uma superfície rugosa, conferindo as propriedades hidrofóbicas e antibacterianas das asas.

Quando microrganismos pousam nos nanopilares, suas membranas externas são danificadas. A contaminação microbiana é um problema não só para as cigarras, mas também para a sociedade humana em indústrias de transporte, oleodutos subaquáticos, implantes médicos e outros dispositivos, segundo Chen.

Soluções convencionais, como revestimentos de superfície, eventualmente se desgastam e perdem eficácia. Antibióticos, embora úteis, levam à resistência microbiana com o tempo.

“É crucial desenvolver superfícies duráveis e mecanicamente antibacterianas,” afirmou Chen.

As asas de cigarras, com suas protuberâncias em nanoescala, são uma inspiração ideal para novos materiais. Chen utiliza a litografia de nanoimpressão para replicar as características das asas em poliestireno, que, uma vez texturizado com nanopilares do tamanho certo, torna-se bactericida.

Essa técnica pode ser combinada com a eletrodeposição por pulso para criar réplicas de nanopilares de cobre, que Chen estuda para aplicações em filtração de ar e água e eletrodos mais condutivos.

Chen usa microscópios eletrônicos e confocais para observar a bactéria Pseudomonas aeruginosa em nanopilares naturais e replicados, avaliando a eficácia dessas superfícies em destruir bactérias. Normalmente, os nanopilares perfuram ou rasgam as membranas bacterianas para repeli-las ou destruí-las.

As imagens mostram que os nanopilares se dobram ao entrar em contato com as bactérias, armazenando e liberando energia elástica que acaba por rasgar a membrana.

Para visualizar a membrana no momento da perfuração, Chen utiliza um corante especial que mancha as bactérias: células intactas ficam verdes e células danificadas ficam vermelhas.

O tamanho e a estrutura dos nanopilares replicados correspondem de perto aos naturais, preservando a funcionalidade. Os nanopilares engenheirados podem destruir mais de 95% das bactérias em 3 horas.

Ainda há muito a ser explorado, disse Chen. Os planos futuros incluem testar diferentes técnicas de fabricação e observar interações mais dinâmicas entre bactérias e superfícies replicadas usando microfluídica, que permite estudar o fluxo de misturas líquidas de bactérias através de superfícies de nanopilares.

Fonte: Newswise