蟬翅膀在接觸時殺死超級細菌，我們可能終于知道如何

蟬翅膀可以殺死和去除細菌，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)使用模擬來研究它們表面鈍尖刺的功能，并取得了一些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。

了解這一自然過程可以解決重大的醫(yī)療保健挑戰(zhàn)。醫(yī)療設(shè)備，如導(dǎo)管實現(xiàn)微生物定植和生物膜通過為細菌提供附著的表面而形成，因此科學(xué)家們正在開發(fā)更有效的殺菌表面。

研究人員以前曾研究過蟬和蟬的化學(xué)和物理特性蜻蜓翅膀，但很多關(guān)于它們的抗菌特性尚不清楚，例如它們?nèi)绾稳コ毦芎φ叩暮圹E。

“此時此刻，我們知道蟬翼可以防止細菌粘附，但機制尚不清楚，”說Tadanori Koga，紐約石溪大學(xué)的化學(xué)工程師。

閱讀后2012年研究關(guān)于蟬翅膀?qū)毦毎闹旅檀?，古賀和石溪大學(xué)聚合物物理學(xué)家Maya Endoh決定復(fù)制和研究翅膀的納米柱。

“蟬翼有一個非常好的支柱結(jié)構(gòu)，所以我們決定使用。但我們也想優(yōu)化結(jié)構(gòu)，“古賀說.

模仿其中一個的機翼迷人的小動物，來自石溪大學(xué)的材料科學(xué)家Daniel Salatto使用一種常用于包裝的聚合物在硅基座上創(chuàng)建形狀像柱子的微小結(jié)構(gòu)。

“的二嵌段聚合物從技術(shù)上講，只要我們控制環(huán)境，就可以自行創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)，“Endoh說.“即使我們使用普通聚合物，我們也可以具有與蟬翼柱的殺菌特性相同或相似的特性。

蟬機翼的納米柱高約150納米（nm），相距相同，但研究小組測試了不同的尺寸，以了解這將如何影響這一過程。

“我們認為高度對納米結(jié)構(gòu)很重要，因為我們最初認為柱子的高度就像針刺穿細菌的膜一樣，”Endoh解釋.

在實驗室測試中，他們發(fā)現(xiàn)超小納米柱的表面，高約10納米，寬50納米，相距70納米，在殺死方面非常有效。大腸桿菌細菌并釋放它們至少 36 小時，不會在表面上留下積聚的死細菌或碎屑。

“眾所周知，有時當(dāng)細菌細胞死亡并且它們吸收到表面上時，它們的碎片會留在表面上，因此為它們的兄弟進入并吸收它們提供了更好的環(huán)境，”薩拉托解釋.

“這就是你看到很多生物醫(yī)學(xué)材料失敗的地方，因為如果不使用或多或少可能對周圍環(huán)境有毒的化學(xué)物質(zhì)，就沒有什么可以很好地解決碎片。

但他們?nèi)匀徊恢兰{米柱是如何完成殺戮的雙重任務(wù)的。和去除翅膀上的表面細菌。

為了了解這些表面是如何工作的，他們得到了田納西州橡樹嶺國家實驗室的計算化學(xué)家Jan-Michael Carrillo的幫助，他運行了高分辨率。分子動力學(xué)（MD） 模擬使用簡化模型大腸桿菌細菌。

由大約一百萬個顆粒組成的大規(guī)模MD模擬表明，當(dāng)細菌與柱表面接觸時，它們的脂質(zhì)外殼（膜）與納米柱有很強的相互作用。

“脂質(zhì)頭強烈吸收到親水柱表面上，并使膜的形狀符合柱子的結(jié)構(gòu)或曲率，”Carrillo解釋.

“更強的吸引力相互作用進一步鼓勵了額外的膜附著在柱子表面。模擬表明，當(dāng)柱子在夾在柱子邊緣的脂質(zhì)雙層內(nèi)產(chǎn)生足夠的張力時，就會發(fā)生膜破裂。

膜破裂后繼續(xù)受到壓力，張力建立，直到細菌從柱子上分離，有效地清潔表面。

添加一層薄薄的氧化鈦（TiO₂）的柱子使殺菌和釋放性能更好，它們也對革蘭氏陽性菌叫單核細胞增生李斯特菌.

革蘭氏陽性細菌的外殼“彈性”較小，壓力更多地集中在它們與柱子的連接點，導(dǎo)致它們?nèi)菀灼屏?，但它們的細胞似乎對沒有TiO的柱子有足夠強的吸引力。_2.

一些機制需要更多澄清，但令科學(xué)家們驚訝的是，最有效的方法不是復(fù)制自然的設(shè)計。

“這不是我們想象的那樣，”恩多說.“即使納米柱的高度很短，細菌仍然會自動死亡。此外，出乎意料的是，我們在表面上沒有看到任何吸收，所以它是自清潔的。

“這被認為是由于昆蟲移動翅膀以甩掉碎片。但通過我們的方法和結(jié)構(gòu)，我們證明它們只是自然地殺死和清理自己。

該團隊計劃使用進一步的模擬來發(fā)現(xiàn)其他機制，特別是自清潔功能，最終改進用于醫(yī)療領(lǐng)域的抗菌涂層。

該研究已發(fā)表在ACS應(yīng)用材料與接口.

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