蟬翅膀在接觸時殺死超級細菌，我們可能終于知道如何

蟬翅膀可以殺死和去除細菌，現在研究人員已經使用模擬來研究它們表面鈍尖刺的功能，并取得了一些令人驚訝的發現。

了解這一自然過程可以解決重大的醫療保健挑戰。醫療設備，如導管實現微生物定植和生物膜通過為細菌提供附著的表面而形成，因此科學家們正在開發更有效的殺菌表面。

研究人員以前曾研究過蟬和蟬的化學和物理特性蜻蜓翅膀，但很多關于它們的抗菌特性尚不清楚，例如它們如何去除細菌受害者的痕跡。

“此時此刻，我們知道蟬翼可以防止細菌粘附，但機制尚不清楚，”說Tadanori Koga，紐約石溪大學的化學工程師。

閱讀后2012年研究關于蟬翅膀對細菌細胞的致命刺穿，古賀和石溪大學聚合物物理學家Maya Endoh決定復制和研究翅膀的納米柱。

“蟬翼有一個非常好的支柱結構，所以我們決定使用。但我們也想優化結構，“古賀說.

模仿其中一個的機翼迷人的小動物，來自石溪大學的材料科學家Daniel Salatto使用一種常用于包裝的聚合物在硅基座上創建形狀像柱子的微小結構。

“的二嵌段聚合物從技術上講，只要我們控制環境，就可以自行創建納米結構，“Endoh說.“即使我們使用普通聚合物，我們也可以具有與蟬翼柱的殺菌特性相同或相似的特性。

蟬機翼的納米柱高約150納米（nm），相距相同，但研究小組測試了不同的尺寸，以了解這將如何影響這一過程。

“我們認為高度對納米結構很重要，因為我們最初認為柱子的高度就像針刺穿細菌的膜一樣，”Endoh解釋.

在實驗室測試中，他們發現超小納米柱的表面，高約10納米，寬50納米，相距70納米，在殺死方面非常有效。大腸桿菌細菌并釋放它們至少 36 小時，不會在表面上留下積聚的死細菌或碎屑。

“眾所周知，有時當細菌細胞死亡并且它們吸收到表面上時，它們的碎片會留在表面上，因此為它們的兄弟進入并吸收它們提供了更好的環境，”薩拉托解釋.

“這就是你看到很多生物醫學材料失敗的地方，因為如果不使用或多或少可能對周圍環境有毒的化學物質，就沒有什么可以很好地解決碎片。

但他們仍然不知道納米柱是如何完成殺戮的雙重任務的。和去除翅膀上的表面細菌。

為了了解這些表面是如何工作的，他們得到了田納西州橡樹嶺國家實驗室的計算化學家Jan-Michael Carrillo的幫助，他運行了高分辨率。分子動力學（MD） 模擬使用簡化模型大腸桿菌細菌。

由大約一百萬個顆粒組成的大規模MD模擬表明，當細菌與柱表面接觸時，它們的脂質外殼（膜）與納米柱有很強的相互作用。

“脂質頭強烈吸收到親水柱表面上，并使膜的形狀符合柱子的結構或曲率，”Carrillo解釋.

“更強的吸引力相互作用進一步鼓勵了額外的膜附著在柱子表面。模擬表明，當柱子在夾在柱子邊緣的脂質雙層內產生足夠的張力時，就會發生膜破裂。

膜破裂后繼續受到壓力，張力建立，直到細菌從柱子上分離，有效地清潔表面。

添加一層薄薄的氧化鈦（TiO₂）的柱子使殺菌和釋放性能更好，它們也對革蘭氏陽性菌叫單核細胞增生李斯特菌.

革蘭氏陽性細菌的外殼“彈性”較小，壓力更多地集中在它們與柱子的連接點，導致它們容易破裂，但它們的細胞似乎對沒有TiO的柱子有足夠強的吸引力。_2.

一些機制需要更多澄清，但令科學家們驚訝的是，最有效的方法不是復制自然的設計。

“這不是我們想象的那樣，”恩多說.“即使納米柱的高度很短，細菌仍然會自動死亡。此外，出乎意料的是，我們在表面上沒有看到任何吸收，所以它是自清潔的。

“這被認為是由于昆蟲移動翅膀以甩掉碎片。但通過我們的方法和結構，我們證明它們只是自然地殺死和清理自己。

該團隊計劃使用進一步的模擬來發現其他機制，特別是自清潔功能，最終改進用于醫療領域的抗菌涂層。

該研究已發表在ACS應用材料與接口.

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