Ученые из МФТИ, Института биохимии и генетики УФИЦ РАН и Тамбовского государственного технического университета разработали покрытия, которые обезопасят от микробного загрязнения импланты, вживляемые в человеческий организм. Работа опубликована в журнале Biofouling.
Импланты в основном используют для замещения дефектов в живых тканях. Наиболее известные виды — это протезы для суставов и внутренних органов, сердечные стимуляторы и заменители стенок кровеносных сосудов. Также имплантаты применяют в косметологии, например для увеличения женской груди, или внедряют под кожу в виде микрочипов для приобретения дополнительных функций. Очень важно при операции не занести вместе с имплантируемым материалом в организм человека патогенные микроорганизмы. Число инфекций, вызванных подобными заражениями, превышает 100 тысяч случаев в год. В целом, около 5% имплантов содержат на себе очаги опасной для человека биопленки — колоний микробов.
Ученые ищут решение этой проблемы в разработке новых антибактериальных наноструктурированных поверхностей. Сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами исследовали влияние параметров наноструктурирования на антибактериальные свойства силиконовых поверхностей.
На силиконовые подложки они нанесли наностолбики-иголочки различных размеров методом мягкой литографии. Это способ изготовления с помощью специальных эластичных штампов. Иголочки препятствуют оседанию на поверхности бактерий и образованию биопленок.
«Диаметр столбиков — 500 или 700 нанометров, а расстояние между ними — вдвое больше. Причем эти параметры — на порядок меньше, чем размеры бактерий. Микробам “неудобно” оседать на такую игольчатую поверхность», — рассказала Мария Баршутина, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Бактерия «садится» на поверхность с наностолбиками. Источник: Biofouling
Когда бактерия пытается «сесть» на столбики, ее оболочка растягивается. При этом достаточно 15% натяжения, чтобы она лопнула. В результате микроорганизм погибает.
При тестировании были определены оптимальные параметры силиконовых наноструктур для достижения наиболее выраженного антибактериального эффекта в отношении бактериальной культуры Escherichia coli. Было продемонстрировано, что можно достичь сокращения популяции бактерий до 90% по сравнению с плоскими силиконовыми подложками.
«Столбики слишком малы, чтобы различить их невооруженным глазом. Для этого нужен электронный микроскоп. Или атомный — чтобы оценить их в объеме. Обыкновенному же глазу будет видна радужная игра, похожая на перламутровые переливы. Они возникают в результате преломления света, поскольку размеры конструкций сопоставимы с длиной световой волны. Полученные покрытия вдобавок к противомикробным свойствам приобретают эстетически привлекательный внешний вид», — резюмировала Мария Баршутина.
В настоящие время ученые продолжают исследования, экспериментируя с узорами — формой наностолбиков и их расположением относительно друг друга — для получения наибольшего антибактериального эффекта.
