11:58
Используя процесс электрохимического травления на обычном сплаве из нержавеющей стали, исследователи создали нанотехнологическую поверхность, которая убивает бактерии, не нанося вреда клеткам млекопитающих. Если дополнительные исследования подтвердят результаты испытаний, этот процесс может быть использован для атаки на микробное загрязнение на имплантируемые медицинские устройства и на оборудование для пищевой промышленности, изготовленное из металла.
Хотя конкретный механизм, с помощью которого нанотехнологический материал убивает бактерии, требует дальнейшего изучения, исследователи полагают, что крошечные шипы и другие нано-выступы, созданные на поверхности, прокалывают мембраны бактерии, убивая вредоносные микроорганизмы. Поверхностные структуры, по-видимому, не оказывают подобного влияния на клетки млекопитающих, которые на порядок больше, чем бактерии.
Помимо антибактериальных эффектов, наноструктурирование также улучшает коррозионную стойкость. Исследование было опубликовано в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering под названием «Ингибирование бактериальной адгезии на наноструктурированной нержавеющей стали 316L электрохимическим травлением» исследователями Технологического института Джорджии.
На рисунке изображен увеличенный образец необработанной нержавеющей стали (слева) и образец, который подвергали электрохимической обработке для создания наноструктурированной поверхности
Образец готовят с использованием потенциостата в лаборатории профессора Преэта Сингха в Georgia Tech. (Изображение: Rob Felt, Georgia Tech)
«Эта обработка поверхности имеет потенциально широкие последствия, потому что нержавеющая сталь очень широко используется, и многие из приложений могут принести пользу», - говорит Джулия Чемпион, адъюнкт-профессор в Технологической школе химической технологии и биомолекулярной инженерии штата Джорджия. «Многие применяемые в настоящее время антимикробные подходы добавляют какую-то поверхностную пленку, которая может изнашиваться. Поскольку мы фактически модифицируем саму сталь, это должно быть постоянным изменением материала».
Чемпион и ее сотрудники, сотрудничавшие с Georgia Georgia, обнаружили, что модификация поверхности убивает как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии, протестировав ее на Escherichia coli и Staphylococcus aureus. Но модификация, по-видимому, не токсична для клеток мыши – важный аспект, потому что клетки должны придерживаться медицинских имплантатов как часть их включения в организм.
Исследование началось с создания супергидрофобной поверхности на нержавеющей стали с целью отражения жидкостей и вместе с ними бактерий. Но вскоре стало ясно, что для создания такой поверхности потребуется использование химического покрытия, которое исследователи не хотели создавать. Они предложили альтернативную идею использования наноструктурированной поверхности из нержавеющей стали для борьбы с бактериальной адгезией, и начали сотрудничество, чтобы продемонстрировать этот эффект.
Исследовательская группа экспериментировала с различными уровнями напряжения и тока в стандартном электрохимическом процессе. Как правило, электрохимические процессы используются для полировки нержавеющей стали, но Чемпион и соавтор Деннис Гесс - профессор и Томас К. ДеЛоах, младший сотрудник в Школе химической и биомолекулярной инженерии - использовали технику для полировки шероховатости поверхности в нанометровом масштабе.
«При правильных условиях вы можете создать нанотрубку на структуре поверхности зерна», объяснил Гесс. «Этот процесс текстурирования увеличивает сегрегацию поверхности хрома и молибдена и, таким образом, повышает коррозионную стойкость, что отличает нержавеющую сталь от обычной стали».
Микроскопическое исследование показало выступы на 20-25 нм над поверхностью. «Это похоже на горный хребет с острыми пиками и долинами», - сказал Чемпион. «Мы считаем, что эффект для бактерий связан с масштабом этих возвышений, позволяя им взаимодействовать с мембранами бактериальных клеток».
Исследователи были удивлены, что обработанная поверхность убила бактерии. И потому, что процесс, похоже, зависит от биофизического, а не от химического процесса, ошибки не должны вызывать сопротивления, добавила она.
Эти изображения растрового электронного микроскопа показывают разницу в адгезии бактерий E. coli
Образец из нержавеющей стали слева не был обработан, а образец справа обрабатывался для создания наноструктурированной поверхности. (Изображение: Yeongseon Jang, Georgia Tech)
Второе важное потенциальное применение для технологии модификации поверхности - оборудование для пищевой промышленности. Там обработка поверхности должна препятствовать прилипанию бактерий, усиливая существующие методы стерилизации.
Исследователи использовали образцы обычного нержавеющего сплава, известного как 316L, обрабатывая поверхность электрохимическим процессом, в котором ток прикладывался к металлическим поверхностям, когда они погружались в раствор для травления азотной кислоты.
Применение тока перемещает электроны с поверхности металла в электролит, изменяя текстуру поверхности и концентрируя содержание хрома и молибдена. Конкретные напряжения и плотность тока контролируют тип производимых поверхностных характеристик и их масштаб.
Чтобы более полно оценить антибактериальные эффекты, в своих экспериментах исследователи позволяли бактериальным образцам расти на обработанных и необработанных образцах из нержавеющей стали в течение периодов до 48 часов.
По истечении этого времени обработанный металл нес на себе значительно меньше бактерий. Это наблюдение было подтверждено удалением бактерий в раствор, затем помещением раствора на агаровые пластины. Пластины, получающие раствор из необработанной нержавеющей стали, показали гораздо больший рост бактерий. Дополнительное тестирование подтвердило, что многие из бактерий на обработанных поверхностях были мертвы.
Однако клетки фибробластов мышей, похоже, не были повреждены. «Клетки млекопитающих выглядели вполне здоровыми», - сказала Чемпион. «Их способность размножаться и покрывать всю поверхность образца показала, что они прекрасно справляются с модификацией поверхности».
В будущем ученые планируют провести долгосрочные исследования, чтобы убедиться, что клетки млекопитающих остаются здоровыми. Исследователи также хотят определить, насколько хорошо их нанотехнология удерживается при изнашивании.
«В принципе, это очень масштабируемо. Электрохимия обычно применяется в коммерческих целях для обработки материалов в больших масштабах», - сказал Гесс.
