Ученые МФТИ с коллегами изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к колонизации микроорганизмами. Результаты работы опубликованы в журнале Polymers. Установлено, что нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений, — многообещающий метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков. Метод прост в реализации и легко масштабируется до промышленных масштабов.
Благодаря уникальным физико-химическим свойствам: гибкости, термостойкости, устойчивости к окислению и биосовместимости — полимеры нашли широкое применение. В частности, из них изготавливают медицинские изделия: катетеры, контактные линзы, протезы и имплантаты. В то же время поверхность полимеров имеет характеристики, благоприятствующие прикреплению к ней бактерий, что может привести к инфицированию пациентов.
Традиционно с бактериальными инфекциями борются с помощью антибиотиков, но появление устойчивых к ним штаммов требует поиска новых способов защиты от колонизации, то есть от заселения поверхностей микроорганизмами. На решение данной проблемы исследователей МФТИ: Марию Баршутину, Дмитрия Якубовского, Алексея Арсенина — и их коллег из ТГТУ и ИБГ УФИЦ РАН вдохновили цветы, точнее, структура поверхности лепестков.
Следует пояснить, что заимствование учеными идей у природы, иными словами, биомиметика подарила миру множество изобретений. Например, плоды репейника являются прототипом текстильной застежки-липучки, а изучение нервной системы человека позволяет развивать электронику и компьютерные науки, в том числе системы искусственного интеллекта.
В данной работе для экспериментов ученые выбрали полидиметилсилоксан — линейный полимер, известный в быту как силикон, — и четыре цветка: розу, ромашку, анютины глазки и магнолию. Чтобы изготовить силиконовые копии лепестков, фрагменты лепестков живых растений площадью около 1 см2 закрепляли в чашке Петри. Затем их заливали жидкостью на основе полидиметилсилоксана и выдерживали при комнатной температуре в течение 2 дней. После отверждения образцы аккуратно снимали и промывали дистиллированной водой.
Изучение полученных образцов проводилось методом сканирующей электронной микроскопии (Рисунок 1). Данный метод позволяет получить изображение поверхности при отражении от нее пучка электронов.
Установлено, что у силиконовых копий лепестков роз поверхность испещрена ячеистыми полостями диаметром 25–35 мкм, стенки и дно которых покрыты складками размером 700–900 нм. У копии лепестков ромашки похожие полости, только более извилистые и крупные, их диаметр составляет 35–45 мкм. Внутри полостей тоже есть субмикронные складки, но их рельеф менее выраженный. Поверхность копий лепестков анютиных глазок и магнолии имеет другую структуру: на ней расположены бороздки с низкорельефными складками внутри. Причем у копий анютиных глазок длина и ширина бороздок составляет 60–90 и 35–45 мкм соответственно, тогда как у копий магнолии оба указанных параметра примерно на 10 мкм меньше.
Рисунок 1. Фотографии цветов и изображения поверхности силиконовых копий лепестков этих цветов, полученные методом сканирующей электронной микроскопии в различных масштабах: роза (a – c), ромашка (d – f), анютины глазки (g – i), магнолия (j – l). Источник: Polymers.
Антибактериальные свойства шести силиконовых копий лепестков и плоской подложки, взятой в качестве контрольного образца, оценивались на примере их заселения кишечной палочкой. Кишечная палочка является частью микрофлоры кишечника теплокровных животных и человека.
Силиконовые образцы 30 мин стерилизовали под ультрафиолетовой лампой, затем помещали в жидкую питательную среду, предназначенную для культивирования микроорганизмов, и инкубировали при 37 °C в течение 48 часов. После этого образцы промывали. Визуализировали кишечную палочку под микроскопом посредством флуоресцентного белка, выполняющего роль красителя, и рассчитывали площадь ее распространения (Рисунок 2).
Рисунок 2. Изображения силиконовых образцов, заселенных кишечной палочкой, полученные методом флуоресцентной микроскопии (при 20-кратном увеличении). Плоская подложка (a) и копии: магнолии (b), анютиных глазок (c), ромашки (d), розы (e). Количественный анализ (f). Источник: Polymers.
Согласно полученным результатам, на плоской подложке кишечная палочка заняла 18 % площади. Для копий лепестков часть площади, колонизированная микробом, уменьшается в следующем порядке: магнолия (16 %) → анютины глазки (6 %) → ромашка (2 %) → роза (1,5 %). Следует подчеркнуть, что копии ромашки и розы имеют самый высокий уровень сложности и неоднородности поверхности, при этом у них наиболее выражены антибактериальные свойства.
«Мы тщательно изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к колонизации микроорганизмами, — пояснила Мария Баршутина, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ. — Это позволило нам разработать алгоритм прогнозирования антибактериальных свойств синтетических материалов, поверхность которых имитирует ткани растений».
Нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений, — многообещающий метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков. Основное преимущество данного метода в том, что он прост в реализации и легко масштабируется до промышленных масштабов. Полученные результаты могут быть использованы для модернизации производства полимерных медицинских изделий с антибактериальным покрытием.
_________________________
Кроме ученых из МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Института энергетики, приборостроения и электроники Тамбовского государственного технического университета и Института биохимии и генетики УФИЦ РАН (Уфа).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ, проект № 24-45-00021.
