Исследователи изучают антимикробные свойства крыльев цикад для создания антибактериальных поверхностей
В этом году на востоке США наблюдался массовый выход цикад рода Magicicada, которые появляются раз в 13 или 17 лет. Для штата Иллинойс это особое событие: одновременно вышли 13-летние цикады Великого Южного выводка XIX и 17-летние цикады Великого Северного выводка XIII. Такое одновременное появление последний раз было в 1803 году и повторится только через 221 год.
Исследователи из Института передовой науки и технологий Бекмана в Университете Иллинойса изучают цикад для биоинспирированного дизайна — создания новых материалов и технологий на основе природных решений.
Секрет суперспособностей крыльев цикад
Крылья цикад обладают двумя ключевыми свойствами:
- Супергидрофобность — они сильно отталкивают воду.
- Антибактериальные свойства.
Под электронным сканирующим микроскопом видно, что поверхность крыльев не гладкая. Она покрыта нанностолбиками (nanopillars) размером примерно 150 нанометров в ширину и 200–400 нанометров в высоту. Для сравнения, человеческий волос примерно в 1000 раз толще одного такого столбика. Эти наностолбики создают шероховатую поверхность, которая и обеспечивает гидрофобность и антибактериальный эффект.
Как это работает?
Когда микробы попадают на поверхность с наностолбиками, их внешняя мембрана повреждается. Столбики могут прокалывать или разрывать мембрану бактерии, что приводит к её гибели. Это механический, а не химический способ борьбы с бактериями, что позволяет избежать проблемы развития устойчивости к антибиотикам.
Создание искусственных поверхностей
Исследователи используют метод нанолитографии (nanoimprinting lithography), чтобы точно воспроизвести наноструктуры крыльев цикад на полимерных материалах, например, на полистироле. Сам по себе полистирол не обладает антибактериальными свойствами, но после нанесения наностолбиков правильного размера он становится бактерицидным.
Метод также можно комбинировать с импульсным электроосаждением (pulse electroplating) для создания наностолбиков из меди, что открывает возможности для применения в фильтрации воздуха и воды или создания более проводящих электродов.
Результаты и перспективы
Искусственные наностолбики по размеру и структуре почти идентичны природным. Сохраняя оригинальные размеры, исследователи сохраняют и функциональность: инженерные наностолбики способны уничтожить более 95% бактерий в течение трёх часов.
В будущем планируется экспериментировать с разными методами изготовления и с помощью микрофлюидных (microfluidics) техник изучать более динамичное взаимодействие бактерий с реплицированными поверхностями.