Используя процесс электрохимического травления обычного сплава нержавеющей стали, исследователи создали нанотекстурированную поверхность, которая убивает бактерии, не нанося вреда клеткам млекопитающих. Если дополнительные исследования подтвердят ранние результаты испытаний, этот процесс может быть использован для борьбы с микробным загрязнением имплантируемых медицинских устройств и оборудования для пищевой промышленности, изготовленного из металла.
Хотя конкретный механизм, с помощью которого нанотекстурированный материал убивает бактерии, требует дальнейшего изучения, исследователи полагают, что крошечные шипы и другие нановыступы, созданные на поверхности, прокалывают бактериальные мембраны, убивая насекомых. Поверхностные структуры не оказывают подобного влияния на клетки млекопитающих, которые на порядок крупнее бактерий.
Помимо антибактериального эффекта, нанотекстурирование также улучшает коррозионную стойкость. Об исследовании сообщили 12 декабря в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering исследователи из Технологического института Джорджии.
«Эта обработка поверхности имеет потенциально широкомасштабные последствия, потому что нержавеющая сталь так широко используется, и многие приложения могут принести пользу», - сказала Джули Чемпион, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии. «Многие антимикробные подходы, используемые в настоящее время, добавляют своего рода поверхностную пленку, которая может стираться. Поскольку мы фактически модифицируем саму сталь, это должно быть постоянным изменением материала».
Чемпион и ее сотрудники из Технологического института Джорджии обнаружили, что модификация поверхности убивала как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии, проверяя ее на Escherichia coli и Staphylococcus aureus. Но оказалось, что модификация не токсична для клеток мыши - важный вопрос, поскольку клетки должны прикрепляться к медицинским имплантатам в процессе их внедрения в организм.
Исследование началось с создания супергидрофобной поверхности на нержавеющей стали для отталкивания жидкостей, а вместе с ними и бактерий. Но вскоре стало ясно, что для создания такой поверхности потребуется использование химического покрытия, чего исследователи делать не хотели. Постдокторские стипендиаты Ёнсон Джанг и Вон Тхэ Чой предложили альтернативную идею использования нанотекстурированной поверхности на нержавеющей стали для контроля бактериальной адгезии, и они инициировали 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 Хесс - профессор и Томас ДеЛоах-младший, заведующий кафедрой Школы химической и биомолекулярной инженерии - использовал этот метод для придания шероховатости поверхности в нанометровом масштабе.
«При правильных условиях вы можете создать нанотекстуру на структуре поверхности зерна», - объяснил Хесс. «Этот процесс текстурирования увеличивает сегрегацию хрома и молибдена на поверхности и, таким образом, повышает коррозионную стойкость, что отличает нержавеющую сталь от обычной стали».
Микроскопическое исследование показало выступы на 20-25 нанометров над поверхностью. «Это похоже на горный хребет с острыми вершинами и долинами», - сказал Чемпион. «Мы считаем, что эффект уничтожения бактерий связан с размером этих элементов, что позволяет им взаимодействовать с мембранами бактериальных клеток."
Исследователи были удивлены тем, что обработанная поверхность убивает бактерии. И поскольку этот процесс, по-видимому, основан на биофизическом, а не химическом процессе, жуки не должны быть в состоянии выработать устойчивость к нему, добавила она..
Вторым важным потенциальным применением метода модификации поверхности является оборудование для пищевой промышленности. Там обработка поверхности должна предотвращать прилипание бактерий, улучшая существующие методы стерилизации.
Исследователи использовали образцы распространенного нержавеющего сплава, известного как 316L, обрабатывая поверхность с помощью электрохимического процесса, при котором к металлическим поверхностям подавался ток, пока они были погружены в травильный раствор азотной кислоты.
Под действием тока электроны перемещаются с поверхности металла в электролит, изменяя текстуру поверхности и концентрируя содержание хрома и молибдена. Конкретные напряжения и плотности тока контролируют тип создаваемых поверхностных элементов и их масштаб, сказал Хесс, который работал с Чоем, тогда еще доктором философии. Студент D. и доцент Виктор Бридвельд в Школе химической и биомолекулярной инженерии и профессор Прит Сингх в Школе материаловедения и инженерии для разработки процесса нанотекстурирования.
Чтобы более полно оценить антибактериальные эффекты, Джанг обратился за помощью к Андресу Гарсии, профессору Регентов в Школе машиностроения Вудраффа Технологического института Джорджии, и аспиранту Кристоферу Джонсону. В своих экспериментах они позволяли образцам бактерий расти на обработанных и необработанных образцах нержавеющей стали в течение периода до 48 часов.
По истечении этого времени на обработанном металле было значительно меньше бактерий. Это наблюдение было подтверждено удалением бактерий в раствор, а затем помещением раствора на чашки с агаром. На пластинах, получавших раствор из необработанной нержавеющей стали, наблюдался гораздо больший рост бактерий. Дополнительные испытания подтвердили, что многие бактерии на обработанных поверхностях погибли.
Клетки мышиных фибробластов, однако, похоже, не беспокоили поверхность. «Клетки млекопитающих казались вполне здоровыми», - сказал Чемпион. «Их способность размножаться и покрывать всю поверхность образца свидетельствует о том, что они не возражают против модификации поверхности».
В будущем исследователи планируют провести долгосрочные исследования, чтобы убедиться, что клетки млекопитающих остаются здоровыми. Исследователи также хотят определить, насколько хорошо их нанотекстурирование выдерживает износ.
«В принципе, это очень масштабируемо», - сказал Хесс. «Электрохимия обычно применяется в коммерческих целях для обработки материалов в больших масштабах».