科學(xué)家們已經(jīng)確定，蟬和蜻蜓等昆蟲的翅膀具有抗菌特性，因?yàn)檫@些昆蟲的翅膀上具有納米柱，細(xì)菌一旦接觸到就會(huì)死亡，然而，納米柱的抗菌原理尚且不為人知。
2020年4月2日，Nature?子刊?Nature Communications?雜志在線發(fā)表了來自英國(guó)布里斯托大學(xué)的一篇題為：Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress?的研究論文。
在高分辨率的掃描顯微鏡下，研究人員發(fā)現(xiàn)，蜻蜓翅膀的抗菌機(jī)理來自于表面納米柱對(duì)細(xì)菌的包膜變形與滲透過程。
蜻蜓翅膀可以殺菌
除蟬外，蜻蜓翅膀也已被證明具備有效的殺菌性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，一種名為Diplacodes bipunctata的澳大利亞紅色蜻蜓的翅膀能夠同時(shí)殺死革蘭氏陰性菌以及革蘭氏陽(yáng)性菌，其翅膀上的納米柱會(huì)增強(qiáng)細(xì)胞壁的應(yīng)力，甚至使之變形，從而形成殺菌效果。
注：革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌是利用革蘭氏染色法來鑒別的兩大類細(xì)菌。大多數(shù)化膿性球菌都屬于革蘭氏陽(yáng)性菌，它們能產(chǎn)生外毒素使人致病，而大多數(shù)腸道菌多屬于革蘭氏陰性菌，它們產(chǎn)生內(nèi)毒素，靠?jī)?nèi)毒素使人致病。
為了保證手術(shù)植入物的抗菌性，醫(yī)生們會(huì)將這些植入物提前浸入抗生素中，然而，鑒于蟬和蜻蜓翅膀具有獨(dú)特的殺菌性能，科學(xué)家們想要利用這種性質(zhì)設(shè)計(jì)出具有抗菌效果的植入物材料，從而有效解決臨床上的細(xì)菌感染問題。
二氧化鈦納米柱與蜻蜓翅膀
為了更好地理解和驗(yàn)證納米柱的抗菌機(jī)制，科研團(tuán)隊(duì)使用電子斷層掃描技術(shù)對(duì)納米柱殺菌過程進(jìn)行3D重建，隨后，又通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析深入了解納米柱表面的分子變化，另外，使用細(xì)菌生存力測(cè)定法來定量測(cè)量金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌在二氧化鈦納米柱表面的生存力。注：鈦合金納米柱多被用于整形外科的植入物。
在850°C下氧化5分鐘后，如下圖所示，二氧化鈦表面的納米形貌與在蜻蜓翅膀上的非常相似。下圖a為二氧化鈦納米柱的俯視圖，b為斜視圖。
包膜變形與滲透過程
在高分辨率的掃描顯微鏡（SEM）下，研究人員觀察到二氧化鈦納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌都出現(xiàn)了包膜變形現(xiàn)象，其中，“包膜變形”被定義為：納米柱以接觸方式壓入或改變細(xì)菌包膜的表面形態(tài)的過程。如下圖所示，白色箭頭所指即為包膜變形區(qū)域。
隨后，研究人員使用透射電子顯微鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)，納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌出現(xiàn)了包膜變形和包膜滲透現(xiàn)象，對(duì)于肺炎克雷伯菌，納米柱在11％的細(xì)胞中誘導(dǎo)了包膜變形，同時(shí)滲透了8％的細(xì)胞。類似的，“包膜滲透“被定義為納米柱穿透細(xì)菌包膜的能力，該過程破壞細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞外環(huán)境之間的屏障。如下圖所示，白色箭頭所指即為包膜滲透處。
制造抗菌植入物
歷史研究認(rèn)為，翅膀表面的納米柱可以刺穿細(xì)菌細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞的機(jī)械裂解，從而達(dá)到抗菌的效果。
然而，本研究卻提出了反駁，經(jīng)過觀察與分析，科學(xué)家們認(rèn)為納米柱的抗菌原理實(shí)際上受到多因素影響，其中關(guān)鍵的兩個(gè)過程為包膜變形與細(xì)胞滲透，它們分別由物理阻抗的累積效應(yīng)和氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)。
最后，作者指出，“在了解納米柱破壞細(xì)菌的機(jī)制后，下一步是將這一知識(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造具備抗菌性能的臨床納米植入物之中。”
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15471-x
