蝉翅膀在接触时杀死超级细菌，我们可能终于知道如何

蝉翅膀可以杀死和去除细菌，现在研究人员已经使用模拟来研究它们表面钝尖刺的功能，并取得了一些令人惊讶的发现。

了解这一自然过程可以解决重大的医疗保健挑战。医疗设备，如导管实现微生物定植和生物膜通过为细菌提供附着的表面而形成，因此科学家们正在开发更有效的杀菌表面。

研究人员以前曾研究过蝉和蝉的化学和物理特性蜻蜓翅膀，但很多关于它们的抗菌特性尚不清楚，例如它们如何去除细菌受害者的痕迹。

“此时此刻，我们知道蝉翼可以防止细菌粘附，但机制尚不清楚，”说Tadanori Koga，纽约石溪大学的化学工程师。

阅读后2012年研究关于蝉翅膀对细菌细胞的致命刺穿，古贺和石溪大学聚合物物理学家Maya Endoh决定复制和研究翅膀的纳米柱。

“蝉翼有一个非常好的支柱结构，所以我们决定使用。但我们也想优化结构，“古贺说.

模仿其中一个的机翼迷人的小动物，来自石溪大学的材料科学家Daniel Salatto使用一种常用于包装的聚合物在硅基座上创建形状像柱子的微小结构。

“的二嵌段聚合物从技术上讲，只要我们控制环境，就可以自行创建纳米结构，“Endoh说.“即使我们使用普通聚合物，我们也可以具有与蝉翼柱的杀菌特性相同或相似的特性。

蝉机翼的纳米柱高约150纳米（nm），相距相同，但研究小组测试了不同的尺寸，以了解这将如何影响这一过程。

“我们认为高度对纳米结构很重要，因为我们最初认为柱子的高度就像针刺穿细菌的膜一样，”Endoh解释.

在实验室测试中，他们发现超小纳米柱的表面，高约10纳米，宽50纳米，相距70纳米，在杀死方面非常有效。大肠杆菌细菌并释放它们至少 36 小时，不会在表面上留下积聚的死细菌或碎屑。

“众所周知，有时当细菌细胞死亡并且它们吸收到表面上时，它们的碎片会留在表面上，因此为它们的兄弟进入并吸收它们提供了更好的环境，”萨拉托解释.

“这就是你看到很多生物医学材料失败的地方，因为如果不使用或多或少可能对周围环境有毒的化学物质，就没有什么可以很好地解决碎片。

但他们仍然不知道纳米柱是如何完成杀戮的双重任务的。和去除翅膀上的表面细菌。

为了了解这些表面是如何工作的，他们得到了田纳西州橡树岭国家实验室的计算化学家Jan-Michael Carrillo的帮助，他运行了高分辨率。分子动力学（MD） 模拟使用简化模型大肠杆菌细菌。

由大约一百万个颗粒组成的大规模MD模拟表明，当细菌与柱表面接触时，它们的脂质外壳（膜）与纳米柱有很强的相互作用。

“脂质头强烈吸收到亲水柱表面上，并使膜的形状符合柱子的结构或曲率，”Carrillo解释.

“更强的吸引力相互作用进一步鼓励了额外的膜附着在柱子表面。模拟表明，当柱子在夹在柱子边缘的脂质双层内产生足够的张力时，就会发生膜破裂。

膜破裂后继续受到压力，张力建立，直到细菌从柱子上分离，有效地清洁表面。

添加一层薄薄的氧化钛（TiO₂）的柱子使杀菌和释放性能更好，它们也对革兰氏阳性菌叫单核细胞增生李斯特菌.

革兰氏阳性细菌的外壳“弹性”较小，压力更多地集中在它们与柱子的连接点，导致它们容易破裂，但它们的细胞似乎对没有TiO的柱子有足够强的吸引力。_2.

一些机制需要更多澄清，但令科学家们惊讶的是，最有效的方法不是复制自然的设计。

“这不是我们想象的那样，”恩多说.“即使纳米柱的高度很短，细菌仍然会自动死亡。此外，出乎意料的是，我们在表面上没有看到任何吸收，所以它是自清洁的。

“这被认为是由于昆虫移动翅膀以甩掉碎片。但通过我们的方法和结构，我们证明它们只是自然地杀死和清理自己。

该团队计划使用进一步的模拟来发现其他机制，特别是自清洁功能，最终改进用于医疗领域的抗菌涂层。

该研究已发表在ACS应用材料与接口.

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