Бактерии образуют на различных предметах биопленки — прочные колонии, окруженные защитным слоем слизи. В этом виде микробы становятся невосприимчивы к действию антибиотиков и защитным силам организма, что часто вызывает затяжные инфекции, особенно в клинических условиях (на катетерах, имплантатах и искусственных суставах).
Природная подсказка: механическое уничтожение
Природа нашла решение этой проблемы механическим способом: например, на крыльях цикад и коже гекконов присутствуют мельчайшие структуры, уничтожающие бактерии физически. Ученые давно стремятся повторить такой эффект, однако существующие технологии слишком дорогостоящи и сложны для широкого использования.
Металлорганические каркасы (MOF) в роли основы
Для борьбы с биопленками исследователи использовали металлорганические каркасы (MOF). Это класс особых пористых материалов, образующихся при соединении ионов металлов с органическими связующими молекулами, подобно конструктору. Разработчики данного материала были удостоены Нобелевской премии в 2025 году.
Создание гибридных нано-"ежей"
Ученые применили метод эпитаксиального роста, при котором один кристалл формируется на поверхности другого. Сначала были получены кристаллы MOF типа UiO-66 на базе циркония, послужившие основой. На них затем вырастили кристаллы другого типа — MIL-88B на основе железа.
В итоге сформировались гибридные наночастицы, своей формой напоминающие противотанковые ежи. Каждая частица имеет ядро и множество острых игл, направленных в разные стороны. Размеры этих игл сравнимы с габаритами бактериальных клеток: их длина составляет около 300 нанометров, а диаметр кончика не превышает пяти нанометров.
Эффективная стратегия применения
Тесты показали, что нанесение готового раствора с синтезированными наночастицами эффективнее, чем выращивание структур прямо на поверхности материала. При опадании "наноежей" они распределяются беспорядочно, торча вверх множеством острий, создавая таким образом практически непреодолимое поле шипов.
Высокая эффективность против бактерий и безопасность для человека
В экспериментах с кишечной палочкой (E. coli) поверхность, обработанная методом капельного нанесения, уничтожила 83% микроорганизмов в течение суток. Электронная микроскопия подтвердила механические причины гибели бактерий: клетки не подвергались химическому отравлению, а погибали от прямых физических повреждений. Острия шипов прокалывали клетки насквозь; одни бактерии повисали на иглах и разрушались, в других случаях повреждения активировали внутри программу клеточной смерти (апоптоз).
При этом для клеток человека такое покрытие полностью безопасно. Благодаря огромной разнице в размерах (человеческие клетки значительно крупнее) наношипы ощущаются тканями организма лишь как легкая шероховатость. Ключевое достоинство подобного покрытия в том, что к нему принципиально невозможно выработать устойчивость у бактерий.
