Nanostrukturer hjælper med at reducere vedhæftningen af ​​bakterier

Forskere har vist, hvordan bakterier klæber til ru overflader på mikroskopisk niveau. Nu har et team af forskere opdaget, at præcis analyse af den topografiske sammensætning af nanostrukturerede overflader giver et direkte middel til at udlede de klæbende kræfter, der binder bakterier til en overflade. Denne opdagelse har åbnet op for lovende nye forskningsmuligheder, herunder måder at bekæmpe de bakterier, der er så farlige i kliniske miljøer. Resultaterne er offentliggjort i det akademiske tidsskrift Nanoskala .

Staphylococcus aureus bakterier er en af ​​hovedårsagerne til hospitalserhvervede infektioner. Disse patogener er særligt problematiske, fordi de kan danne meget robuste biofilm på både naturlige og kunstige overflader og er meget svære at fjerne. Biofilmen beskytter effektivt de enkelte bakterier mod angreb af andre stoffer, såsom antibiotika, gør dem meget svære at behandle. En tilgang er derfor at forsøge at stoppe biofilm i at dannes i første omgang. Men for at kunne påvirke væksten af ​​biofilm, forskere skal forstå de mekanismer, hvorved bakterierne hæfter sig til forskellige typer materialer. Overflader som dørhåndtag eller medicinske implantater har nanoskala topografi og er udbredt i hospitalsmiljøer. Under mikroskopet, disse tilsyneladende glatte overflader viser sig som ru, uregelmæssige landskaber af bjerge og dale.

I en tidligere undersøgelse, holdet fra Saarland University, ledet af eksperimentel fysiker professor Karin Jacobs og mikrobiolog professor Markus Bischoff, opdaget, at bakterierne hæftede sig til faste overflader ved en mekanisme, hvor adskillige individuelle molekyler i bakteriecellevæggen bliver bundet til overfladen. Dimensionerne af disse bindingsmolekyler varierer på grund af termiske fluktuationer, der kan inducere længdeændringer på omkring 50 nanometer.

I deres seneste undersøgelse, forskerne foretog en detaljeret undersøgelse af, hvordan klæbestyrken af ​​individuelle molekyler afhænger af topografien af ​​substratoverfladen. Forskerholdet forberedte siliciumoverflader, der udviser nanostrukturer af forskellige størrelser, men af ​​samme størrelsesorden som bindingsmolekylerne i cellevæggen.

De målte derefter de kræfter, hvormed de enkelte bakterieceller hæftede sig til de nanostrukturerede overflader. Disse eksperimenter viste, at klæbekræfterne aftog med stigende størrelse af nanostrukturerne. Mens det eksperimentelle arbejde blev udført, matematikeren Michael A. Klatt fra Karlsruhe Institute of Technology (nu ved Princeton University) udførte en meget præcis analyse af siliciumsubstraterne og kvantificerede overfladegeometrierne ved hjælp af specifikke matematiske formmål kaldet Minkowski functionals. Proceduren er kendt som 'morfometri.'

Arbejde sammen, holdene var i stand til at vise, at størrelsen af ​​den eksperimentelt bestemte klæbekraft kunne forklares ved hjælp af geometriske parametre fra den morfometriske analyse. Enkelt sagt, hvis overfladens ruhed øges, mange af 'dalene' på overfladen er ikke længere tilgængelige som adhæsionssteder, da de nu er dybere end længden af ​​de fluktuerende molekyler. Der sker derfor en tilsvarende reduktion i klæbekraften mellem bakteriecellerne og overfladen.

Dette er et vigtigt resultat, da det antyder, at optimering af den nanostrukturerede topografi af en overflade kan minimere bakteriel adhæsion og dermed reducere sandsynligheden for biofilmdannelse. Forskerholdet peger på, at dette resultat også kan anvendes på andre typer bakterier og på andre typer overflader. Undersøgelsens resultater kan meget vel være med til at udvikle nye materialer og til at forbedre eksisterende materialer, der bedre er i stand til at hæmme bakteriel adhæsion og dannelsen af ​​biofilm.

Undersøgelsen demonstrerer også styrken af ​​Minkowski-funktioner til at karakterisere topografien af ​​en lang række materialer. Forskerne mener, at den brede anvendelighed af morfometrisk analyse betyder, at Minkowski-funktioner i fremtiden vil blive brugt som guldstandarden til at beskrive sådanne overflader.