研究人员此前研究过蝉和蜻蜓翅膀的化学和物理特性，但对它们的抗菌特性还不清楚，比如它们如何去除细菌受害者的痕迹。
蝉翼可以杀死和去除细菌，现在研究人员利用模拟来研究其表面钝尖刺的功能，并得到了一些令人惊讶的发现。了解这一自然过程可以解决重大的医疗保健挑战。导管等医疗设备通过为细菌提供附着表面来实现微生物定植和生物膜形成，因此科学家们正在开发更有效的杀菌表面。
研究人员此前研究过蝉和蜻蜓翅膀的化学和物理特性，但对它们的抗菌特性还不清楚，比如它们如何去除细菌死去尸体的痕迹。
纽约石溪大学的化学工程师 Tadanori Koga 表示：“目前，我们知道蝉翼可以防止细菌粘附，但其机制尚不清楚。”在阅读了 2012 年关于蝉翼致命刺穿细菌细胞的研究后，Koga 和石溪大学高分子物理学家 Maya Endoh 决定复制并研究蝉翼的纳米柱。“蝉翼有一个非常漂亮的柱子结构，所以我们决定使用它。但我们也想优化该结构，”古贺说。
为了模仿这些迷人生物的翅膀，石溪大学的材料科学家 Daniel Salatto 使用了一种常用于包装的聚合物，在硅基上创建了形状像柱子的微小结构。
Endoh 说：“从技术上讲，只要我们控制环境，二嵌段聚合物就可以自行创造纳米结构。” “即使我们使用常见的聚合物，我们也可以具有与蝉翼柱的杀菌特性相同或相似的特性。”
描绘纳米柱杀死和去除细菌的图形。 （Salatto 等人，ACS 应用材料接口，2023 年）
蝉翅膀具有约 150 纳米 (nm) 高且间距相同的纳米柱，但该团队测试了不同的尺寸，以了解这将如何影响这一过程。
Endoh 解释说：“我们认为高度对于纳米结构很重要，因为我们最初预计柱子的高度会像针一样刺穿细菌的膜。”
在实验室测试中，他们发现超小型纳米柱的表面（约10纳米高、50纳米宽、70纳米间隔）能够非常有效地杀死大肠杆菌，并释放它们至少36小时，不会留下累积的死亡细胞。表面上的细菌或碎片。
“众所周知，有时当细菌细胞死亡并吸收到表面上时，它们的碎片会留在表面上，因此为它们的兄弟进入并吸收在它们上面提供了更好的环境，”萨拉托解释道。“这就是你看到许多生物医学材料失败的地方，因为没有任何东西可以在不使用或多或少对周围环境有毒的化学物质的情况下有效地处理碎片。”
但他们仍然不知道纳米柱如何完成杀死和清除机翼表面细菌的双重任务。
为了了解这些表面的工作原理，他们寻求了田纳西州橡树岭国家实验室计算化学家 Jan-Michael Carrillo 的帮助，他使用大肠杆菌的简化模型进行了高分辨率分子动力学 (MD) 模拟。
模拟细菌与纳米柱相互作用的顶视图横截面。 （扬-迈克尔·卡里略/橡树岭国家实验室）
由约一百万个颗粒组成的大规模高分辨率分子动力学（MD）模拟表明，当细菌与柱表面接触时，它们的脂质外壳（膜）与纳米柱有很强的相互作用。
卡里洛解释说：“脂质头强烈吸附在亲水柱表面上，并使膜的形状与柱的结构或曲率一致。”“更强的吸引力相互作用进一步刺激额外的膜附着在柱子表面。模拟表明，当柱子在夹在柱子边缘的脂质双层内产生足够的张力时，就会发生膜破裂。”
膜破裂后继续受到压力，张力不断增大，直到细菌从柱子上脱落，从而有效地清洁表面。
模拟细菌与纳米柱相互作用的侧视横截面。 （扬-迈克尔·卡里略/橡树岭国家实验室）
在柱子上添加一层薄薄的氧化钛（TiO 2 ）可以使细菌的杀菌和释放性能变得更好，并且它们还可以对抗称为单核细胞增生李斯特氏菌的革兰氏阳性细菌。
革兰氏阳性细菌的外壳“弹性”较小，应力更多地集中在它们与柱子的附着点，导致它们很容易破裂，但如果没有 TiO，它们的细胞似乎对柱子没有足够强的吸引力 2.
有些机制需要更多的澄清，但令科学家们惊讶的是，最有效的方法并不是复制自然的设计。
“这不是我们想象的那样，”Endoh 说。 “尽管纳米柱的高度很短，细菌仍然会自动死亡。而且，出乎意料的是，我们没有看到表面有任何吸收，所以它是自清洁的。这被认为是由于昆虫移动翅膀来甩掉碎片。但通过我们的方法和结构，我们证明它们只是自然地杀死和自行清洁。”
该团队计划利用进一步的模拟来揭示其他机制，特别是自清洁功能，以最终改进在医疗领域使用的抗菌涂层。
该研究已发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上。