Уроки природи. Крила бабки допомогли створити новий бактерицидний матеріал

Вивчення властивостей природних самоочисних і супергидрофобных поверхонь (листок лотоса, крила метеликів і ін) допомагає вченим створювати нові функціональні матеріали, наприклад, плівки з різною смачиваемостью [1]. Але, виявляється, поверхню крил деяких комах має ще одна чудова властивість – високу антибактеріальну активність! Перше повідомлення про це з’явилося в роботі [2].

Австралійські вчені (за участю колег з Іспанії) спостерігали швидку загибель грамнегативних бактерій Pseudomonas aeruginosa (синьогнійної палички) на поверхні крил цикади Psaltoda claripennis. Дослідження були продовжені на австралійських бабок [3,4]. Вчені виявили, що на крилах бабки Diplacodes bipunctata гинуть не тільки грамнегативні, але і грампозитивні бактерії, і навіть більш стійкі спори бактерій. За допомогою методів електронної мікроскопії та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЭС) були вивчені мікроструктура і хімічний склад поверхні. Виявилося, що поверхня крил комах покрита кластерами нановыступов (наностолбиков). Автори робіт припустили, що головну роль в спостережуваний ефект відіграє саме така наноструктура, а не хімічний склад. Для перевірки на поверхню крил методом магнетронного розпилення були нанесені плівки золота товщиною 10 нм (не впливають на топологію поверхні). Антибактеріальні властивості дійсно залишилися незмінними, незважаючи на зміну хімічного складу поверхневих шарів. Ці результати підказали вченим ідею перевірити бактерицидність синтетичних матеріалів з аналогічною структурою поверхні. В якості об’єкта досліджень вони обрали так званий “чорний кремній”, тобто кремній, поверхня якого вкрита довгими гострими наноконусами.

Історія відкриття цього матеріалу досить цікава. Назва “чорний кремній” вперше з’явилося в 1990-ті рр. у статтях [5, 6], автори яких при вивченні реактивного іонного травлення у фторовмісною плазмі виявили побічний (і небажаний!) ефект – “почорніння” поверхні кремнієвої підкладки з-за появи численних глибоких борозенок (і, відповідно, виступів), що знижують відбивну здатність. (Не виключено, що це явище спостерігали ще в 1960-ті роки, але дані не були опубліковані). Пізніше “чорний кремній” був отриманий (знову випадково) при опроміненні Si пластинки фемтосекундными лазерними імпульсами в атмосфері SF6 (Eric Mazur’s group, Harvard Univ.). На поверхні утворилося безліч микроконусов. Але тут вже вчені не розгубилися, запатентували цей спосіб виробництва чорного кремнію і навіть створили компанію SIOnyx для комерційного застосування технології (оскільки чорний кремній володіє дуже низькою відбивною здатністю в видимому і ІЧ діапазоні, він вважається перспективним для розробки нових фотогальванічних елементів, ІЧ-сенсорів та ін) [7]. Нові результати роботи [4] показують, що цей матеріал корисний і для біомедицини – за антибактеріальної активності він аналогічний крила бабки D. bipunctata!

Чорний кремній автори [4] отримали методом реактивного іонного травлення [6] з використанням SF6/O2. Ієрархічна структура поверхонь крила і чорного кремнію дійсно схожа (рис.1). Верхні кінчики наностолбиков згинаються і об’єднуються в нанокластери. Розміри кластерів для чорного кремнію 20-80 нм (окремі наностолбики мають діаметр 10-20 нм); основна частина кластерів на крилах має діаметр до 30 нм, максимальний розмір – 90 нм. На SEM зображеннях, отриманих під кутом 53о (врізки на рис. 1a, b), видно деякі відмінності мікроструктури – наностолбики чорного кремнію вище, гостріше, майже по всій довжині відокремлені один від одного, а на крилі метелика в підставі вони утворюють “килим” і розділяються тільки у верхній частині. На крилах цикади наностолбики розташовані регулярно на відстані 200 нм один від одного, їх діаметр 50-70 нм, висота близько 200 нм [2, 4].

Для перевірки бактерицидних властивостей були використані грамнегативні бактерії синьогнійної палички Pseudomonas aeruginosa, грампозитивні бактерії золотистого стафілокока Staphylococcus aureus і сінної палички Bacillus subtilis, а також спори Bacillus subtilis. Результати наведені на рис. 2. SEM зображення наочно демонструють пошкодження бактерій на поверхні чорного Si і крил бабки (на відміну від поверхні контрольного зразка). Лазерна конфокальна мікроскопія підтверджує загибель клітин і спор. Напилення золотої плівки не змінило результати.

Рис. 1 [4]. SEM зображення поверхні чорного Si (a) і крила бабки (b), шкала 200 нм. Оптична профілометрія чорного Si (c) і крила бабки (d), шкала 50 мкм, на урізанні 2 мкм. 3D SEM реконструкція поверхні чорного Si (e) і крила бабки (f).

 

Рис.2. SEM зображення пошкоджених клітин P. aeruginosa., S. aureus, B. subtilis і спір B. subtilis (зліва направо) на крилах бабки (a-d) і чорному кремнії (i-l). Шкала 200 нм. Конфокальна лазерна мікроскопія підтверджує загибель клітин на крилах бабки (e-h) і чорному кремнії (m-p). Червоний колір – нежиттєздатні клітини; живі (пофарбовані в зелений колір) відсутні. Шкала 5 мкм. Внизу – неушкоджені бактерії на контрольній рівній поверхні Si, шкала 1 мкм.

Характеристики всіх вивчених бактерицидних поверхонь наведені в таблиці. Незважаючи на відмінності в хімічному складі і гідрофобності крила бабки і чорний кремній однаково ефективно і швидко (до 450 000 клітин в хвилину на см2!) знищують клітини бактерій і навіть суперечки, мають щільні оболонки. На відміну від цього, на крилах цикад гинуть тільки грамнегативні бактерії, стінки яких в 4-5 разів тонші стінки грампозитивних.

Таблиця. Порівняльні характеристики поверхні крил комах і чорного кремнію.

Поверхня

Крило цикади

(P. claripennis)

Крило бабки

(D. bipunctata)

Чорний кремній

Характеристики:

Крайовий кут змочування води

Хімічний склад

Висота наностолбиков

 

159о

 

Ліпіди/воски

200 нм

 

153о

 

Ліпіди/воски

240 нм

 

80о

 

В основному SiO2

500 нм

Бактерицидна активність

Грамнегативні

Грамнегативні

Грампозитивні

Спори

Грамнегативні

Грампозитивні

Спори

Ефективність* проти:

P. aeruginosa

S. aureus

B. subtilis

 

2,0 x 105

 

3,0 x 105

4,6 x 105

1,4 x 105

 

4,3 x 105

4,5 x 105

1,4 x 105

* число загиблих клітин на см2 хв протягом перших 3 годин

Антибіотики – потужна зброя медицини, проте з кожним роком проблема стійкості до них патогенних бактерій (наприклад, золотистого стафілокока) стає все більш гострою. Один з нових способів боротьби з поширенням інфекцій – розробка протимікробних поверхонь, які діють хімічним шляхом. Автори досліджень [2-4] запропонували абсолютно інший підхід. Клітини бактерій пошкоджуються механічно і гинуть при взаємодії з наноструктурованої поверхнею незалежно від її хімічної природи, тому проблеми розвитку несприйнятливості не існує. Можна використовувати різні матеріали, оптимізувати способи формування наностолбиков, синтезувати поверхні великих розмірів. Це шлях створення надзвичайно ефективних матеріалів: в роботі [4] показано, що всього 1 см2 чорного кремнію протягом 3 год вбиває кількість бактерій золотистого стафілокока в 810 разів більше, а синьогнійної палички – у 77 400 разів більше мінімальної яка інфікує дози.

 

1. ПерсТ 18, вип. 15/16, с. 5 (2011).

2. E. P. Ivanova et al., Small 8, 2489 (2012).

3. E. P. Ivanova et al., PLOS ONE 8, e67893 (2013).

4. E. P. Ivanova et al., Nature Commun. 4, 2838 (2013).

5. G. S. Oerlein et al., J. Vac. Sci. Technol. B8, 1199 (1990).

6. H. Jansen et al., J. Micromech. Microeng. 5, 115 (1995).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *