Новое оружие против бактерий: ученые разработали наношипы

Новости МирТесен

Новое поколение антибактериальных покрытий, созданное международными исследователями, основано на металлорганических каркасах (MOF). Данные материалы представляют собой микроскопические выступы, которые разрушают структуру бактериальных клеток при соприкосновении, не позволяя формироваться потенциально вредным биоплёнкам.

На поверхностях бактерии формируют биопленки – плотные скопления клеток, окруженные слизью. В таком состоянии микроорганизмы проявляют стойкость к антибиотикам и иммунным факторам, что может вызывать хронические инфекции, в особенности в медицинских учреждениях (на катетерах, протезах и искусственных суставах).

Чтобы решить эту задачу, природа использует простой механизм: наностолбики, покрывающие крылья цикад и кожу гекконов, уничтожают бактерии посредством физического воздействия. Воссоздать этот эффект пытаются ученые на протяжении долгого времени, однако имеющиеся технологии пока слишком затратны и сложны для широкого использования.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Advanced Science, для противодействия биоплёнкам применялись металлорганические каркасные структуры (MOF). Данные материалы относятся к классу пористых веществ, формирующихся из ионов металлов и органических линкеров, что напоминает принцип сборки конструктора. Разработчики этого материала были удостоены Нобелевской премии в 2025 году.

Для проведения исследования ученые использовали метод эпитаксиального роста, предполагающий формирование кристаллической структуры на уже существующей поверхности. В первую очередь были получены кристаллы MOF типа UiO-66, состоящие на основе циркония. Эти кристаллы стали основой для дальнейшего роста. После этого на них были выращены кристаллы другого типа – MIL-88B, содержащие железо.

В итоге были созданы гибридные наночастицы, внешне схожие с противотанковыми ежами. Каждая частица состоит из ядра и множества острых игл, выступающих в разные стороны. Размеры игл сравнимы с размерами бактерий: их длина составляет приблизительно 300 нанометров, а диаметр кончика – менее пяти нанометров.

Исследователи провели испытания двух техник нанесения: непосредственного выращивания шипов на поверхности и использования раствора, содержащего готовые шипы. Оказалось, что второй подход более результативен: при осаждении «наноежей» на поверхность, они располагаются беспорядочно, демонстрируя три-четыре острия, что формирует плотную структуру, напоминающую минное поле.

В тестах с кишечной палочкой (E. coli) покрытие, сформированное посредством технологии капельного нанесения, устранило 83% микроорганизмов в течение 24 часов. Исследования, проведенные с использованием электронной микроскопии, показали, что гибель клеток обусловлена физическими факторами. Микроорганизмы не подверглись воздействию химических веществ, а погибли из-за механических повреждений. Иглы проникали внутрь клеток, некоторые бактерии задерживались на их остриях и разрывались, а в иных ситуациях повреждения активировали внутриклеточный процесс самоуничтожения (апоптоз).

Данное покрытие абсолютно безопасно для клеток человека. Поскольку размеры клеток человека значительно больше, чем у бактерий (в сотни раз), наношипы воспринимаются тканями организма не как острые края, а как слегка неровная текстура. Ключевым достоинством покрытия является то, что бактериям не удается сформировать к нему устойчивость.