Российские исследователи изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к заселению микроорганизмами. Они выяснили, что нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений, — передовой и эффективный метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков. На его основе можно будет создать покрытия для бытовых предметов и медицинских изделий, которые не потребуют обработки противомикробными средствами. Подробнее о технологии — в материале «Известий».
Благодаря уникальным физико-химическим свойствам — гибкости, термостойкости, устойчивости к окислению и биосовместимости — полимеры нашли широкое применение. В частности, из них изготавливают медицинские изделия: катетеры, контактные линзы, протезы и имплантаты. В то же время поверхность полимеров имеет характеристики, благоприятствующие прикреплению к ней бактерий, что может привести к инфицированию пациентов.
Традиционно с бактериальными инфекциями борются с помощью антибиотиков, но появление устойчивых к ним штаммов требует поиска новых способов защиты от колонизации, то есть от заселения поверхностей микроорганизмами. На решение проблемы исследователей МФТИ и их коллег из ТГТУ и ИБГ УФИЦ РАН вдохновили цветы, точнее, структура поверхности лепестков.
Фото: пресс-служба МФТИ Фотографии цветов и изображения поверхности силиконовых копий лепестков этих цветов, полученные методом сканирующей электронной микроскопии в различных масштабах: роза (a – c), ромашка (d – f), анютины глазки (g – i), магнолия (j – l)В данной работе для экспериментов ученые выбрали полидиметилсилоксан — полимер, известный в быту как силикон, — и четыре цветка: розу, ромашку, анютины глазки и магнолию. Чтобы изготовить силиконовые копии лепестков, фрагменты лепестков живых растений площадью около 1 кв. см закрепляли в чашке Петри. Затем их заливали жидкостью на основе полидиметилсилоксана и выдерживали при комнатной температуре в течение двух дней. После отверждения образцы аккуратно снимали и промывали дистиллированной водой.
— Мы тщательно изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к колонизации микроорганизмами, — пояснила «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ Мария Баршутина. — Это позволило нам разработать алгоритм прогнозирования антибактериальных свойств синтетических материалов, поверхность которых имитирует ткани растений.
Изучение полученных образцов проводилось методом сканирующей электронной микроскопии, который позволяет получить изображение поверхности при отражении от нее пучка электронов.
Антибактериальные свойства шести силиконовых копий лепестков и плоской подложки, взятой в качестве контрольного образца, оценивались на примере их заселения кишечной палочкой. Образцы 30 минут стерилизовали под ультрафиолетовой лампой, затем помещали в жидкую питательную среду, предназначенную для культивирования микроорганизмов, и инкубировали при 37 °C в течение 48 часов. После этого образцы промывали. Визуализировали кишечную палочку под микроскопом посредством флуоресцентного белка, выполняющего роль красителя, и рассчитывали площадь ее распространения.
Фото: пресс-служба МФТИ Изображения силиконовых образцов, заселенных кишечной палочкой, полученные методом флуоресцентной микроскопии (при 20-кратном увеличении). Плоская подложка (a) и копии: магнолии (b), анютиных глазок (c), ромашки (d), розы (e). Количественный анализ (f)Согласно полученным результатам, на плоской подложке кишечная палочка заняла 18% площади. Копии ромашки и розы имеют самый высокий уровень сложности и неоднородности поверхности, при этом у них наиболее выражены антибактериальные свойства, рассказали разработчики метода.
Нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений, — многообещающий метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков, сделали вывод ученые. Основное преимущество в том, что он прост в реализации и легко масштабируется до промышленных масштабов. Полученные результаты могут быть использованы для производства полимерных медицинских изделий с антибактериальным покрытием. Также такими полимерами можно покрывать различные бытовые изделия.
Сейчас ученые прорабатывают возможность использования «цветочных» покрытий для биосенсорики.
Данное исследование — пример применения супергидрофобных поверхностей, сказала «Известиям» директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
— Для размножения микроорганизмов необходима влажная среда. Благодаря рельефному рисунку снижается смачиваемость поверхности. Из-за этого площадь контакта питательной среды с полимером минимальная, и бактерии не могут эффективно размножаться. Так, если бактерия попадет в углубление, то она не получит питания — вода в пору не заходит, — объяснил эксперт.
Фото: пресс-служба МФТИС практической точки зрения подобные рисунки можно использовать на поверхности контактирующих с людьми элементов общественного транспорта, поликлиник и так далее, отметил Евгений Александров.
Использование данного подхода в медицинских целях не ново. Например, акулья кожа и крылья некоторых насекомых (стрекоз и цикад) также обладают антибактериальными свойствами, рассказала «Известиям» старший преподаватель факультета экотехнологий ИТМО Ирина Тимофеева. Недавно один стартап предложил выпуск чехлов для телефонов с антибактериальным «акульим» покрытием.
— В энергетике подобный подход также применим. Ученые из Калифорнийского университета и их коллеги из Технологического института Карлсруэ изучали крылья одного из видов бабочек парусников (Pachliopta aristolochiae). Они рассказали, что эта бабочка вдохновила их на создание светопоглощающей архитектуры верхнего слоя фотоэлектрической панели. Структура чешуек обеспечивает поглощение солнечных лучей в широком диапазоне углов падения и длин волн, отверстия помогают рассеивать свет и поглощать бабочке тепло. Инженеры создали похожую структуру, используя тонкую пленку, — отметила эксперт.
Работа выполнена в МФТИ, ТГТУ и ИБГ УФИЦ РАН при финансовой поддержке РНФ. Результаты опубликованы в журнале Polymers.
