Крылья цикад вдохновили на создание антибактериальных поверхностей для медицины
Крылья цикад, обитающих в США, обладают удивительными свойствами: они самоочищаются и убивают бактерии при контакте. Исследователи, используя ресурсы национальных лабораторий Министерства энергетики США (DOE), изучили этот феномен, чтобы создать его синтетические аналоги для медицинского применения.
От насекомых к медицинским устройствам
Ещё в 2012 году австралийские учёные обнаружили, что крылья цикад убивают даже бактерии, устойчивые к антибиотикам. Для медицины это «двойной удар»: существующие методы стерилизации убивают микробы, но не удаляют мёртвые клетки с поверхностей. Этот биологический мусор привлекает новых бактерий, что является серьёзной проблемой. Например, около половины инфекций крови в учреждениях длительного ухода вызваны биозагрязнениями на катетерах.
Ключ к свойствам крыльев — наноколонны (nanopillars), структуры чуть тоньше тысячной доли человеческого волоса. Однако механизм их действия оставался неизвестным.
Создание и тестирование искусственных наноколонн
Учёные из Университета Стоуни-Брук воссоздали эти структуры, используя полимер полистирол (известный как пенопласт). Для формирования наноразмерных узоров они применили метод направленной самоорганизации в Центре функциональных наноматериалов (Center for Functional Nanomaterials) — пользовательском центре DOE в Брукхейвенской национальной лаборатории.
В результате получились крошечные цилиндры, перпендикулярные поверхности. Часть колонн дополнительно покрыли диоксидом титана (titanium oxide), который активнее взаимодействует с бактериями.
Эффективность проверили, погрузив образцы на 36 часов в «бульон» с бактериями E. coli и Listeria monocytogenes. Искусственные наноколонны успешно убили и удалили бактерии, в отличие от плоских поверхностей из тех же материалов. Колонны только из полистирола справились с E. coli, но не с листерией, а покрытые диоксидом титана — с обоими типами.
Неожиданный механизм действия
Чтобы понять, как колонны разрушают бактерии, учёные провели крупномасштабное компьютерное моделирование в Центре нанофазных материалов (Center for Nanophase Materials Sciences) в Национальной лаборатории Ок-Ридж. С помощью суперкомпьютера Summit они смоделировали взаимодействие мембраны бактерии с колоннами, отследив поведение более миллиона частиц.
Результат удивил: колонны не прокалывали мембрану. Вместо этого, когда мембрана (состоящая из двойного слоя липидов) касалась колонны, головка липида прикреплялась к ней и «стягивала» за собой остальную мембрану. Растягиваясь, как воздушный шар, мембрана в конце концов разрывалась от напряжения.
Ещё одним сюрпризом стало то, что искусственные колонны, имевшие иную высоту, чем природные, оказались эффективнее. Это знание позволит оптимизировать дизайн структур.
Сейчас команда изучает вопросы, связанные с медицинским применением технологии. Исследования, вдохновлённые крыльями насекомых, в будущем могут привести к созданию медицинских устройств с превосходными антибактериальными свойствами.