Учёные обнаружили, что крылья некоторых насекомых (цикад, стрекоз) обладают естественным антибактериальным эффектом — на крыльях расположены наностолбики, убивающие бактерий.
Казалось бы, зачем это нужно, ведь насекомые могут заразиться и другими путями. Но дело в том, что крыло насекомого — вещь хрупкая, и по большей части состоит из вымерших клеток, не способных к регенерации (делению). Так, что биопленка, состоящая из различных бактерий, попросту осидает на крыло насекомого, отяжеляя и разрушая его. Однако за долгую эволюцию, букашки развили иновационный метод борьбы с этой проблемой
Как это работает?
Итак, крылья цикад и стрекоз покрыты упорядоченными наностолбиками:
- высота — около 200 нм;
- расстояние между столбиками — примерно 100 нм;
- диаметр верхушки — 20−50 нм.
Получается, что когда бактерия соприкасается с поверхностью, её клеточная мембрана натягивается между наностолбиками. Из‑за малого расстояния между ними мембрана разрывается.
Кроме того, наноструктуры провоцируют образование активных форм кислорода внутри бактериальной клетки, что запускает каскад разрушительных реакций.
Эксперименты показали: 450 000 клеток Pseudomonas aeruginosa погибают за 3 минуты при контакте с крыльями цикады!
Проведённые исследования
Мельбурнский королевский технологический институт:
- детально изучен механизм разрушения бактерий на крыльях цикад;
- подтвержденно, что наностолбики эффективно уничтожают Pseudomonas aeruginosa.
Университет Бристоля:
- с помощью современной визуализации доказано, что нанопиллары не всегда разрывают клеточную стенку, но вызывают гибель бактерий через окислительный стресс;
- выявлен кумулятивный эффект физического и биохимического воздействия.
Университет Стоуни‑Брук:
- использованы суперкомпьютерное моделирование и флуоресцентную микроскопию;
- установленно, что нанопокрытие не только убивает бактерии, но и предотвращает их скопление.
Искусственные аналоги: достигнутые результаты
На основе природных прототипов крыла насекомого, созданы материалы с антибактериальными наноструктурами:
- Титановые наноструктуры. Перспективны для медицинских имплантатов.
- Графеновые чешуйки. Отличаются высокой прочностью и антимикробной активностью.
- Углеродные нанотрубки. Демонстрируют высокую пробивную способность.
Практическое применение
Разработки уже тестируются в ключевых сферах: медицины —антибактериальные катетеры и имплантаты, хирургические инструменты с самоочищающейся поверхностью, покрытия для больничных поверхностей (ручки, перила); пищевой промышленности:— упаковочные материалы, продлевающие срок хранения, рабочие поверхности на производствах; водоочистки — фильтры с нанопокрытием для уничтожения патогенов без хлора; общественных пространств —самоочищающиеся поверхности в транспорте, торговых центрах, школах; космической отрасли —материалы для замкнутых экосистем с самодезинфекцией.
Текущие ограничения
Несмотря на успехи, остаются нерешённые задачи: масштабирование производства — Сложно создавать большие площади с идеальной наноструктурой; износостойкость — наностолбики могут стираться при интенсивной эксплуатации.
Но учёные не сдаются, и исследования активно развиваются:
- тестируются новые материалы (полимеры, композиты);
- оптимизируется геометрия наноструктур для максимальной эффективности;
- разрабатываются методы массового производства.