Samenvatting van het proefschrift met de titel: Getting a grip on tree frog attachment:structures, mechanisms, and biomimetic potential

Boomkikkers zijn veelzijdige klimmers die hun met slijm bedekte teen- en vingerkussens gebruiken om zich te hechten aan verscheidene substraten, zelfs onder uitdagende omstandigheden. De hechtkussens kunnen adhesie- en wrijvingskrachten genereren tot enkele malen het lichaamsgewicht van de kikker per teen. Al eeuwen trachten wetenschappers de fundamentele principes van de opmerkelijke aanhechtingsprestaties van boomkikkers te ontrafelen. Van de verscheidene mechanismen die bediscussieerd zijn om de aanhechting van boomkikkers te verklaren, is capillaire adhesie de meest gebruikte. Voorgaand onderzoek richtte zich voornamelijk op de rol van de microstructuur van het hechtkussenoppervlak op de aanhechting. Dit resulteerde in de ontwikkeling van verschillende boomkikker-geïnspireerde adhesieven. Een overtuigende verklaring van de aanhechtingsmechanismen is hier echter niet uit voortgekomen. Daarnaast wordt de rol van de interne structuur van de hechtkussens in de aanhechting onvoldoende begrepen.

In dit proefschrift presenteer ik een interdisciplinaire analyse van het aanhechtingsapparaat van boomkikkers met de focus op sub-epidermale structuren. Dit draagt niet alleen bij aan het begrijpen van natuurlijke aanhechtingssystemen maar verschaft tevens inspiratie voor het ontwerpen van biomimetische aanhechtingsmechanismen.

In hoofdstuk 2 presenteren wij een synthese van de status quo van de kennis van boomkikkeraanhechting - van de functionele morfologie van de hechtkussens tot experimentele bevindingen die voorgestelde mechanismen voor boomkikkeraanhechting wel of niet ondersteunen - en identificeren wij belangrijke kennislacunes van dit onderzoeksgebied. Onze revisie van de beschikbare analytische modellen, gerapporteerde data en observaties maakt duidelijk dat de eerder voorgestelde natte adhesie als primair mechanisme in de aanhechting niet afdoende ondersteund wordt. Vanderwaalskrachten, waarvan langdurig gedacht werd dat ze een geringe rol spelen doordat het hechtkussen met slijm bedekt is, zijn mogelijk belangrijk in boomkikkeraanhechting. Onze literatuuranalyse laat zien dat een beter begrip van de functionele morfologie van de interne structuur van de hechtkussens en van de chemische samenstelling van het afgescheiden slijm noodzakelijk is om het mechanisme van aanhechting te ontrafelen.

In hoofdstuk 3 combineren wij histochemie en synchrotron micro-computertomografie om de interne morfologie van de hechtkussens van de boomkikker Hyla cinerea in 3D te karakteriseren. Daarbij richten wij ons op de mechanische verbindingen tussen het hechtkussenoppervlak en het interne vinger- en teenskelet. De ventrale zijde van het hechtkussen is door verschillende krachttransmissiestructuren verbonden met het skelet. Een bindweefselschot loopt van de ventrale huid tot het uiteinde van de distale falanx en verdeelt het onderhuidse hechtkussenvolume in een distale lymferuimte en een met slijmklieren gevulde proximale ruimte. Bovendien loopt een collageene bindweefsellaag vanaf de ventrale lederhuid via de interfalangiale ligamenten tot de middelste falanx. De vezels die deel uit maken van deze laag lopen in gebogen banen om de transversale hechtkussenas en vormen lateraal gescheiden richels onder de klierruimte. Door gebruik te maken van eindige-elementenanalyse en numerieke optimalisatie van een met schuifkrachten belast hechtkussenmodel laten wij zien dat de collageenvezels vermoedelijk in de richting van de maximale trekspanning georiënteerd zijn. De optimalisatie resulteert ook in richelformatie als gevolg van de noodzakelijke aanwezigheid van de klierbuizen die uitmonden op de ventrale epidermis. Het collageenvezelverloop en de richels duiden erop dat de collageenlaag cruciaal is voor een effectieve krachttransmissie van huid naar distale falanx (inclusief de daarbij behorende hoge stijfheid) tijdens schuifkrachtbelasting, hetgeen overeenkomt met de waarneming dat de maximale afschuifkrachten aanzienlijk hoger zijn dan de maximale adhesiekrachten. Tenslotte onthulde onze immunohistochemische kleuring van het weefsel de aanwezigheid van verspreid voorkomende gladde spiervezelbundels in de kikkerhechtkussens. Deze actieve structuren verschaffen boomkikkers waarschijnlijk de mogelijkheid om de verdeling van de mechanische spanning over de ventrale zijde van het hechtkussen te reguleren, en daarmee de uitgeoefende aanhechtingskracht.

Hoofdstuk 4 adresseert de morfologie van de slijmklieren van de vinger- en teenkussens en de chemie van het afgescheiden slijm. In H. cinerea vormen de slijmklieren, die gezamenlijk uitmonden aan de ventrale zijde van het hechtkussenoppervlak, een macroklier. Daarmee verschillen ze morfologisch van de slijmklieren, welke uitmonden op het dorsale (niet-adhesieve) huidoppervlak. Wij hebben dergelijke ventrale vingeren teenslijmmacroklieren geïdentificeerd in minstens 10 neobatrachiale families die niet exclusief arboreaal leven. Dit impliceert dat de macrokliermorfologie bepaald wordt door zowel algemene functionele vereisten die voortkomen uit ‘bodemcontact’ (e.g. smering en het compenseren van slijmverlies) als door specifieke vereisten voor klimmen en aanhechting. Door gebruik te maken van zowel cryo-histochemie als infrarood- en som-frequentie-generatie-spectroscopie laten wij zien dat—in contrast met de kliermorfologie—de algemene slijmchemie slechts weinig varieert tussen de lichaamslocaties in zowel de boomkikkers H. cinerea en Osteopilus septentrionalis als tussen arboreale en niet-arboreale (Pyxicephalus adspersus en Ceratophrys cranwelli) kikkersoorten. Deze waarnemingen suggereren dat de chemie van het slijm gedurende de evolutie grotendeels geconserveerd is en geen specialisatie laat zien van het slijm voor aanhechting.

In hoofdstuk 5 hebben wij de aanhechtingsprestatie van de boomkikkers H. cinerea en Litoria caerulea gemeten met behulp van een met videocamera’s uitgerust roterend platform waarop de kikkers werden geplaatst. Door de effecten van variatie in de nominale substraatruwheid op de aanhechtingsprestatie te analyseren onderzochten wij de rol van het eerder voorgestelde mechanisme van mechanisch in-elkaar-grijpen van substraat en aanhechtingskussen in de aanhechting. Boomkikkers hechten zowel aan nano- en microruwe substraten als aan een glad substraat. De aanhechtingsprestatie neemt pas af boven een nominale substraatruwheid van 15 μm. Deze waarnemingen komen niet overeen met de verwachte variatie in aanhechtingskracht met substraatruwheid bij aanwezigheid van een mechanisme van in-elkaar-grijpen. Dit geeft aan dat mechanisch in-elkaar-grijpen verwaarloosbaar is in boomkikkeraanhechting. Onze op video-waarnemingen gebaseerde analyses van aanhechtingsoppervlakken en lichaamsbewegingen hebben duidelijk gemaakt dat boomkikkers substantiële traagheidskrachten kunnen weerstaan met slechts twee aangehechte ledematen. Dit suggereert dat de maximale aanhechtingsprestatie van boomkikkers beduidend hoger is dan voorheen werd gerapporteerd.

Tenslotte plaats ik in hoofdstuk 6 de eerdere bevindingen van dit proefschrift in een bredere wetenschappelijke context. Ik bediscussieer het belang van voorheen voorgestelde mechanismen van boomkikkeraanhechting door de uitkomsten van onze literatuuranalyse (hoofdstuk 2) te integreren met de resultaten van de experimentele hoofdstukken en de inzichten verkregen over boomkikker-geïnspireerde adhesieven. Ik concludeer dat aanzuiging en mechanisch in-elkaar-grijpen verwaarloosbaar zijn. Een bijdrage van hydrodynamische adhesie kan niet worden uitgesloten maar lijkt een onvermijdelijk gevolg te zijn van het hebben van een natte huid in plaats van een primair aanhechtingsmechanisme. Terwijl voorheen capillaire adhesie genoemd werd as primair adhesiemechanisme, suggereert integratie van de beschikbare kennis dat capillaire adhesie en Vanderwaalskrachten beiden bijdragen waarbij die laatste het dominante aanhechtingsmechanisme is. Ter verkenning van de gehypothesiseerde convergente evolutie van boomkikkerhechtingkussens verschaf ik een overzicht van eerder werk over de fylogenie van de hechtkussens, aangevuld met nieuwe gegevens van mijn promotieonderzoek. Globaal bekeken zijn verscheidene morfologische kenmerken (e.g. het micro gestructureerde hechtkussenoppervlak en het klierencluster in de vinger en tenen) wijdverspreid over de kikkerfamilies. Dit suggereert dat het gehele hechtkussen een functionele eenheid is en roept de vraag op of hechtkussens convergent geëvolueerd zijn of dat zij afstammen van een algemene voorouder. Een voorlopige discussie omtrent de evolutionaire geschiedenis van kikkerhechtkussens benadrukt, in overeenstemming met de voorgaande secties, het belang van drainering, genereren van wrijving en Vanderwaalskrachten in boomkikkeraanhechting. Gebaseerd op de uitkomsten van dit proefschrift verschaf ik ontwerpsuggesties voor boomkikker-geïnspireerde-adhesieven. De draineringsmogelijkheden van kikkerhechtkussens maken dit een goed model voor de ontwikkeling van technische adhesieven in een natte omgeving. Veelbelovende trends zijn het ontwerp van vezel-versterkte adhesieven met microstructuren voor de transmissie van hoge mechanische belastingen en het maken van adhesieven met actief controleerbare adhesie, geïnspireerd door de spierstructuren die in het biologisch model aanwezig zijn. Tenslotte presenteer ik een vooruitzicht voor de komende jaren van de mogelijke ontwikkelingen van het onderzoek aan boomkikkeraanhechting.