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杀死“超级细菌”!科学家从蜻蜓翅膀的纳米粒子获得灵感,开发出新型抗菌表面

昆虫翅膀启发的纳米材料,如何能够通过拉伸、切割或撕裂接触细菌来摧毁它们?科学家揭示了背后的原理,并依此开发出杀菌力无敌的强效抗菌表面。

蝉和蜻蜓的翅膀是天然的细菌杀手,这一现象激起了许多科学家的兴趣,促使研究人员寻找击败耐药性“超级细菌”的方法。他们正在开发一种新型抗菌表面,其特征是模拟昆虫翅膀致命作用的不同纳米粒子。

杀死“超级细菌”!科学家从蜻蜓翅膀的纳米粒子获得灵感,开发出新型抗菌表面

他们的发现和成果近日发表在《自然微生物评论》(Nature Reviews Microbiology)上,题为“Mechano-bactericidal actions of nanostructured surfaces”。

该研究的第一作者、RMIT大学的著名教授伊莲娜·伊万诺娃(Elena Ivanova)说,寻找非化学方法杀灭细菌至关重要,因为每年有超过70万人死于耐药性细菌感染。

伊万诺娃说:“细菌对抗生素的耐药性是全球健康的最大威胁之一,对感染的常规治疗正变得越来越困难。”

“当我们从大自然中寻找灵感时,我们发现昆虫已经进化出高效的抗菌系统。如果我们能确切地了解受昆虫启发的纳米粒子是如何杀死细菌的,我们就能更精确地设计这些形状,以提高它们对抗感染的有效性。”他们的最终目标是开发低成本、可伸缩的抗菌表面,用于植入物和医院,为对抗致命超级细菌提供强大的新武器。

蝉和蜻蜓的翅膀上覆盖着微小的纳米粒子,这是科学家们为了模仿它们的杀菌效果而研发的第一个纳米粒子。从那以后,他们还精确地设计了其他纳米材料——如薄片和导线,这些材料都是为了物理上破坏细菌细胞而设计的。

仔细研究发现,这种杀菌效果并不在于蝉翅的化学成分上,而是在蝉翅整齐排列的“纳米柱”上。当细菌停靠在蝉翅表层上时,这些细小的“纳米柱”就会将细菌拉伸、割裂开来,细胞膜被破坏,最终杀死细菌。这项新的综述首次对表面纳米粒子提供击破细胞膜所需机械力的不同方式进行了分类。

红体蜻蜓身上的“纳米柱”只有240纳米,比黑硅表层的还要细小。蜻蜓翅膀被放大2-3万倍后,他们观察到金色的葡萄球菌被黑色的硅纳米针破坏。

伊万诺娃说:“我们的合成仿生纳米结构在抗菌性能上存在很大差异,但原因并不总是很清楚。”“我们还努力研究出特定纳米粒子的最佳形状和尺寸,以最大限度地发挥其杀伤力。

以红体蜻蜓为例,研究人员们发现不同物种的翅膀比其他物种的翅膀更能杀死一些细菌。“我们一直在开发的合成表面,将自然原理下能发挥的杀菌结构效用提升到一个新的水平。”而且,这种方案,有别于一般消毒药水给环境造成的污染,也不容易导致细菌产生抗药性。

“当我们在纳米尺度上检查蜻蜓翼时,我们可以看到覆盖在表面的纳米颗粒在密度、高度和直径上的差异,然后我们明白了正确使用纳米结构是关键。”

伊万诺娃说,大规模生产具有成本效益的纳米表面,并使其能够用于医疗或工业应用,这仍然是一个挑战。但她说,最近纳米制造技术的进展显示出了开启生物医学抗菌纳米技术新时代的希望。

她的研究得到了澳大利亚研究委员会工业转型研究中心(Australian Research Council Industrial Transformation Research Hubs)和工业转型培训中心计划(Industrial Transformation Training Centre schemes)以及中国社科院基金会(CASS Foundation)的资助。

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

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