Наноструктурные покрытия физически прокалывают бактерии для предотвращения образования биоплёнок
Бактерии, размножающиеся на поверхностях, представляют серьёзную проблему в здравоохранении, когда они закрепляются, например, на имплантатах или в катетерах. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции нашли новое оружие для борьбы с этими очагами бактериального роста, которое не полагается на антибиотики или токсичные металлы.
Ключ кроется в совершенно новом применении материала, получившего в этом году Нобелевскую премию: металло-органических каркасов (MOF). Эти материалы могут физически пронзать, прокалывать и убивать бактерии до того, как те успеют прикрепиться к поверхности.
Проблема биоплёнок
Как только бактерии прикрепляются к поверхности, они начинают размножаться, окружая себя так называемой биоплёнкой — вязким, слизистым покрытием, которое защищает бактерии и делает их трудными для уничтожения. Биоплёнки особенно хорошо развиваются во влажной среде и могут создавать серьёзные проблемы в здравоохранении.
Например, бактерии могут закрепляться на медицинских устройствах, таких как катетеры, эндопротезы тазобедренного сустава и зубные имплантаты, и приводить к внутрибольничным инфекциям (HAI) — широко распространённой проблеме во всём мире, вызывающей страдания, высокие расходы на здравоохранение и повышенный риск развития антибиотикорезистентности.
Биоплёнки также могут образовываться на корпусах судов, приводя к обрастанию водорослями и ракушками, что замедляет ход судна и увеличивает расход топлива. Для борьбы с этим часто используются противообрастающие краски, содержащие токсичные биоциды, что связано с риском вымывания вредных веществ в морскую среду. Биоплёнки в промышленных трубопроводных системах также являются распространённой проблемой, вызывающей коррозию, засорение, снижение эффективности и увеличение энергопотребления.
Новый способ использования металло-органических каркасов
Исследователи из Технологического университета Чалмерса нашли новый способ борьбы с биоплёнками, покрывая поверхности наноструктурами — металло-органическими каркасами, — которые убивают бактерии механически.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Science, было проведено в сотрудничестве между двумя исследовательскими группами университета: профессора Ивана Мияковича и профессора Ларса Эрстрёма.
«Наше исследование показывает, что эти наноструктуры могут действовать как крошечные шипы, которые физически повреждают бактерии, попросту прокалывая их, так что они погибают. Это совершенно новый способ использования таких металло-органических каркасов», — говорит ведущий автор исследования, доктор философии в области материаловедения и исследователь Чалмерса Чжэцзянь Цао.
Покрытие сконструировано таким образом, что его можно наносить на различные поверхности и интегрировать в другие материалы. Главное преимущество метода в том, что он предотвращает или уменьшает образование биоплёнок без необходимости использования антибиотиков или токсичных металлов.
«Это борется с серьёзной глобальной проблемой, поскольку устраняет риск того, что контроль над бактериями приведёт к антибиотикорезистентности», — говорит Цао.
Сложность в поиске правильного расстояния между нанокончиками
Металло-органические каркасы (MOF) — это новый класс материалов с исключительными свойствами, в которых ионы металлов связаны в трёхмерные структуры с большими полостями и каналами.
Исследователи, стоящие за разработкой этого класса материалов, были удостоены Нобелевской премии по химии 2025 года. Надеются, что эти материалы можно будет использовать для всего: от хранения биогаза и улавливания углерода до катализа и извлечения воды из пустынного воздуха.
Исследователи из Чалмерса изучили совершенно иную функцию MOF в своём исследовании.
«Были предыдущие попытки использовать металло-органические каркасы в антибактериальных целях, но в тех случаях бактерии убивались токсичными ионами металлов или противомикробными агентами, высвобождаемыми MOF. Вместо этого мы вырастили один MOF поверх другого, что привело к образованию острых нанокончиков, которые могут прокалывать и убивать бактерии при их приближении», — объясняет Цао.
Нанокончики были созданы путём контроля кристаллического роста в материале, и серьёзной задачей было найти правильное расстояние между ними для максимизации эффекта.
«Если расстояние между нанокончиками слишком велико, бактерии могут проскользнуть и прикрепиться к поверхности. Однако если расстояние слишком мало, механическое напряжение, оказываемое нанокончиками на бактериальную капсулу, может уменьшиться, так что бактерии выживут — тот же принцип, который позволяет лежать на гвоздях, не получая травм», — говорит Цао.
Возможность крупномасштабного производства
Ларс Эрстрём, соавтор исследования, работающий с металло-органическими каркасами 30 лет, подчёркивает многочисленные практические преимущества использования MOF-покрытий для контроля бактерий на поверхностях по сравнению с другими решениями.
«Эти покрытия можно производить при гораздо более низких температурах, чем, например, графеновые массивы, ранее разработанные в Чалмерсе. Это облегчает крупномасштабное производство и позволяет наносить покрытия на термочувствительные материалы, такие как пластики, используемые в медицинских имплантатах. Кроме того, органические полимеры в металло-органических каркасах могут быть созданы из переработанных пластиков, что потенциально может способствовать циркулярной экономике», — говорит Ларс Эрстрём.
Исследование проводилось в исследовательской группе профессора Ларса Эрстрёма на кафедре химии и химической инженерии и в группе профессора Ивана Мияковича на кафедре наук о жизни.