Учёные из Технологического университета Чалмерса предложили необычное решение давней проблемы — бактериальных биоплёнок. Вместо традиционных антибиотиков или агрессивных металлов они разработали покрытие, которое уничтожает микробов… физически, буквально прокалывая их до того, как те успевают сформировать защитный слой.
Материал создан на основе металлоорганических каркасов (metal-organic frameworks, MOF) — класса соединений, удостоенного Нобелевской премии по химии 2025 года. Но исследователи использовали их в новом, ранее не испытанном режиме.
Что такое биоплёнки и почему с ними сложно бороться?
Бактерии любят оседать на поверхностях — от катетеров и имплантов до корабельных корпусов и трубопроводов. Закрепившись, они формируют слизистую, плотную плёнку, внутри которой становятся гораздо более устойчивыми к чистке и дезинфекции.
В медицине это ведёт к внутрибольничным инфекциям, в промышленности — к снижению эффективности оборудования, а на море — к повышенному расходу топлива. Для борьбы приходится применять жёсткую химию, что не всегда безопасно и для экологии, и для людей.
Как работает новое покрытие?
Исследователи Чалмерса решили отказаться от химического воздействия и создать поверхность, способную уничтожать бактерии механически.
Они вырастили один MOF-прослой на другом, получив острые наноструктуры — крошечные «иголки», разрывающие бактериальные клетки при контакте.
«Эти наноструктуры действуют как миниатюрные шипы, которые буквально прокалывают бактерии. Это совершенно новый способ применения металлоорганических каркасов», — объясняет ведущий автор работы Чжэцзянь Цао, PhD в области материаловедения.
Покрытие можно наносить на различные материалы, включая те, что используются в медицинских устройствах. А главное — оно не создаёт риска развития устойчивости, ведь бактерии невозможно «натренировать» против механического повреждения.
Создание такой поверхности оказалось непростой задачей. Нужно было точно подобрать расстояние между наношипами.
Если промежутки слишком широкие — бактерии спокойно «проскальзывают» и закрепляются. Если слишком узкие — давление распределяется так, что микробы остаются живыми, как человек, который может лежать на «кровати из гвоздей» без повреждений.
Исследователи добились оптимальной плотности и высоты структур, чтобы обеспечить гарантированное разрушение клеток.
Команда уверена, что технология подходит для промышленного масштаба.
«Эти покрытия можно производить при гораздо более низких температурах, чем, например, ранее созданные массивы графена», — отмечает соавтор исследования Ларс Эрстрём.
Это значит, что материал совместим с чувствительными к нагреву полимерами, применяемыми в медицине, а также может быть использован с переработанными пластмассами.
В эпоху растущей устойчивости бактерий к антибиотикам механические методы защиты становятся особенно востребованными. Новые покрытия помогут:
- предотвращать инфекции, связанные с медицинскими устройствами;
- уменьшить применение токсичных биоцидных красок в судоходстве;
- продлить срок службы промышленного оборудования;
- снизить экологическую нагрузку.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Science.
