Сайт переехал physreal.com

Австралийские ученые (при участии коллег из Испании) наблюдали быструю гибель грамотрицательных бактерий Pseudomonas aeruginosa (синегнойной палочки) на поверхности крыльев цикады Psaltoda claripennis. Исследования были продолжены на австралийских стрекозах [3,4]. Ученые обнаружили, что на крыльях стрекозы Diplacodes bipunctata гибнут не только грамотрицательные, но и грамположительные бактерии, и даже более стойкие споры бактерий. С помощью методов электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) были изучены микроструктура и химический состав поверхности. Оказалось, что поверхность крыльев насекомых покрыта кластерами нановыступов (наностолбиков). Авторы работ предположили, что главную роль в наблюдаемом эффекте играет именно такая наноструктура, а не химический состав. Для проверки на поверхность крыльев методом магнетронного распыления были нанесены пленки золота толщиной 10 нм (не влияющие на топологию поверхности). Антибактериальные свойства действительно остались прежними, несмотря на изменение химического состава поверхностных слоев. Эти результаты подсказали ученым идею проверить бактерицидность синтетических материалов с аналогичной структурой поверхности. В качестве объекта исследований они выбрали так называемый “черный кремний”, то есть кремний, поверхность которого покрыта длинными острыми наноконусами.

История открытия этого материала довольно любопытна. Название “черный кремний” впервые появилось в 1990-ые гг. в статьях [5, 6], авторы которых при изучении реактивного ионного травления во фторсодержащей плазме обнаружили побочный (и нежелательный!) эффект – “почернение” поверхности кремниевой подложки из-за появления многочисленных глубоких бороздок (и, соответственно, выступов), снижающих отражательную способность. (Не исключено, что это явление наблюдали еще в 1960-ые годы, но данные не были опубликованы). Позднее “черный кремний” был получен (опять случайно) при облучении Si пластинки фемтосекундными лазерными импульсами в атмосфере SF₆ (Eric Mazur's group, Harvard Univ.). На поверхности образовалось множество микроконусов. Но тут уже ученые не растерялись, запатентовали этот способ производства черного кремния и даже создали компанию SIOnyx для коммерческого применения технологии (поскольку черный кремний обладает очень низкой отражательной способностью в видимом и ИК диапазоне, он считается перспективным для разработки новых фотогальванических элементов, ИК-сенсоров и др.) [7]. Новые результаты работы [4] показывают, что этот материал полезен и для биомедицины – по антибактериальной активности он аналогичен крылу стрекозы D. bipunctata!

Черный кремний авторы [4] получили методом реактивного ионного травления [6] с использованием SF₆/O₂. Иерархическая структура поверхностей крыла и черного кремния действительно похожа (рис.1). Верхние кончики наностолбиков сгибаются и объединяются в нанокластеры. Размеры кластеров для черного кремния 20-80 нм (отдельные наностолбики имеют диаметр 10-20 нм); основная часть кластеров на крыльях имеет диаметр до 30 нм, максимальный размер – 90 нм. На SEM изображениях, полученных под углом 53^о (врезки на рис. 1a, b), видны некоторые отличия микроструктуры – наностолбики черного кремния выше, острее, почти по всей длине отделены друг от друга, а на крыле стрекозы в основании они образуют “ковер” и разделяются только в верхней части. На крыльях цикады наностолбики расположены регулярно на расстоянии 200 нм друг от друга, их диаметр 50-70 нм, высота около 200 нм [2, 4].

Для проверки бактерицидных свойств были использованы грамотрицательные бактерии синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa, грамположительные бактерии золотистого стафилококка Staphylococcus aureus и сенной палочки Bacillus subtilis, а также споры Bacillus subtilis. Результаты приведены на рис. 2. SEM изображения наглядно демонстрируют повреждение бактерий на поверхности черного Si и крыльев стрекозы (в отличие от поверхности контрольного образца). Лазерная конфокальная микроскопия подтверждает гибель клеток и спор. Напыление золотой пленки не изменило результаты.

Рис. 1 [4]. SEM изображения поверхности черного Si (a) и крыла стрекозы (b), шкала 200 нм. Оптическая профилометрия черного Si (c) и крыла стрекозы (d), шкала 50 мкм, на врезке 2 мкм. 3D SEM реконструкция поверхности черного Si (e) и крыла стрекозы (f).

 

Рис.2. SEM изображения поврежденных клеток P. aeruginosa., S. aureus, B. subtilis и спор B. subtilis (слева направо) на крыльях стрекозы (a-d) и черном кремнии (i-l). Шкала 200 нм. Конфокальная лазерная  микроскопия подтверждает гибель клеток на крыльях стрекозы (e-h) и черном кремнии (m-p). Красный цвет – нежизнеспособные клетки; живые (окрашенные в зеленый цвет) отсутствуют. Шкала 5 мкм. Внизу – неповрежденные бактерии на контрольной ровной Si поверхности, шкала 1 мкм.

Характеристики всех изученных бактерицидных поверхностей приведены в таблице. Несмотря на различия в химическом составе и гидрофобности крылья стрекозы и черный кремний одинаково эффективно и быстро (до 450 000 клеток в минуту на см²!) уничтожают клетки бактерий и даже споры, имеющие плотные оболочки. В отличие от этого, на крыльях цикад гибнут только грамотрицательные бактерии, стенки которых в 4-5 раз тоньше стенок грамположительных.

Таблица. Сравнительные характеристики поверхности крыльев насекомых и черного кремния.

* число погибших клеток на см² в мин в течение 3 первых часов

Антибиотики – мощное оружие медицины, однако с каждым годом проблема устойчивости к ним патогенных бактерий (например, золотистого стафилококка) становится все более острой. Один из новых способов борьбы с распространением инфекций – разработка противомикробных поверхностей, которые действуют химическим путем. Авторы исследований [2-4] предложили абсолютно другой подход. Клетки бактерий повреждаются механически и гибнут при взаимодействии с наноструктурированной поверхностью независимо от ее химической природы, поэтому проблемы развития невосприимчивости не существует. Можно использовать различные материалы, оптимизировать способы формирования наностолбиков, синтезировать поверхности больших размеров. Это путь создания чрезвычайно эффективных материалов: в работе [4] показано, что всего 1 см² черного кремния в течение 3 ч убивает количество бактерий золотистого стафилококка в 810 раз больше, а синегнойной палочки – в 77 400 раз больше минимальной инфицирующей дозы.

 

1.   ПерсТ 18, вып. 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).