微生物，特別是引起疾病的細(xì)菌，當(dāng)它們抓住表面時(shí)會(huì)引起各種各樣的破壞。如果使用適量的清潔劑不能快速清除它們，它們可以快速繁殖并對(duì)一些清潔劑甚至抗生素產(chǎn)生抗性。這些“超級(jí)細(xì)菌”，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)，難以治療，并且可以在醫(yī)療環(huán)境等地方獲得立足點(diǎn)。

工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)工程系(BMCE)和Syracuse生物材料研究所(SBI)的Dacheng Ren教授和他的研究團(tuán)隊(duì)正在設(shè)法阻止微生物的傳播，他們可能會(huì)找到了解決方案。

在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員與James Henderson副教授(也在BMCE和SBI)的實(shí)驗(yàn)室合作，發(fā)現(xiàn)使用具有地形圖案作為表面的變形聚合物可有效降低微生物的附著力，并可去除高達(dá)99.9附著細(xì)胞的百分比。

結(jié)果發(fā)表在ACS應(yīng)用材料與接口雜志的文章“通過(guò)形狀記憶激活按需去除細(xì)菌生物膜”中。同時(shí)參與該項(xiàng)目的博士后研究人員是Huan Gu，Sang Won Lee和Shelby Lois Buffington。

“微生物喜歡附著在表面上，”Ren說(shuō)。“基本上任何地方都有水，你可以擁有一個(gè)所謂的生物膜 - 一組粘在一起的微生物細(xì)胞。它們還會(huì)產(chǎn)生一種聚合物基質(zhì)，為它們提供保護(hù)。”

由于多種原因，這使它們成為問(wèn)題。

“最重要的是殺死它們非常困難。一旦它們聚集在一起并形成生物膜，你需要多達(dá)1000倍的抗菌劑 - 如抗生素和其他清潔劑 - 來(lái)殺死它們，”Ren說(shuō)。

第二個(gè)問(wèn)題與他們的親密關(guān)系有關(guān)。“他們可以分享基因和周?chē)腄NA。一旦細(xì)胞對(duì)某些物體產(chǎn)生抗性，另一種細(xì)胞就會(huì)變得耐藥，”Ren說(shuō)。“他們可以教別人，因?yàn)樗麄儽舜巳绱私咏?rdquo;

Ren說(shuō)，Biofilm確實(shí)是微生物的城市。“生物膜保護(hù)它們并使它們能夠在壓力下生存并隨著時(shí)間推移變異并對(duì)我們使用的控制劑，特別是抗生素產(chǎn)生永久性抗性。這就是為什么我們需要擔(dān)心它們，”他說(shuō)。

該領(lǐng)域的研究人員正在研究如何設(shè)計(jì)一種材料或表面，使其不易受微生物粘附和生物膜形成的影響，使其不那么受歡迎。Ren的小組早期發(fā)表的文章表明，工程表面地形可能會(huì)產(chǎn)生影響。

“就像你喜歡在某些表面上行走而你不喜歡在其他表面上行走一樣，微生物也是一樣的，”Ren說(shuō)。“你明白他們喜歡什么，并設(shè)計(jì)表面，所以他們不會(huì)來(lái)。這是策略之一。”

在該特定論文中，Ren和他的團(tuán)隊(duì)在表面上使用六邊形圖案將生物膜減少了約50%。然而，由于它不能提供全面預(yù)防，隨著時(shí)間的推移，微生物可以慢慢接管。這是控制它們的挑戰(zhàn) - 在靜態(tài)表面上它只能工作一段時(shí)間。

“我們的動(dòng)機(jī)是創(chuàng)造一個(gè)在生物膜形成后可能發(fā)生變化的表面，”Ren說(shuō)。“這種方法我們做了一些不同的事情;我們?cè)谛枰獣r(shí)改變了表面，這樣你就可以將它們從表面上滑下來(lái)了。”

表面具有一定的地形，然后突然另一個(gè) - 在此過(guò)程中基本上破壞了微生物在表面上的抓地力。Ren和他的團(tuán)隊(duì)使用過(guò)之前創(chuàng)建的材料，但他們發(fā)現(xiàn)了一種使用動(dòng)態(tài)地形進(jìn)行生物污垢控制的新方法。“我們最終改變了地形，使用已知具有生物相容性的現(xiàn)有材料，這意味著它不會(huì)殺死細(xì)胞，”Ren說(shuō)。

這類(lèi)聚合物具有永久形狀和臨時(shí)形狀。“你開(kāi)始使用這種臨時(shí)形狀的應(yīng)用，因此你可以在減少粘附方面取得一些成功。但細(xì)菌細(xì)胞仍然可以隨著時(shí)間的推移附著在它上面并生長(zhǎng)生物膜，此時(shí)，最初的地形已失去其功能，”Ren說(shuō)。“但是，我們可以在幾分鐘內(nèi)觸發(fā)表面形貌的變化。如果你有一個(gè)顯微鏡，你可以看到你眼前的變化。然后你可以看到細(xì)胞脫落。”

根據(jù)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院支持的先前研究，與靜態(tài)平板對(duì)照相比，最近的工作減少了銅綠假單胞菌生物膜99.9%。它還成功地去除了金黃色葡萄球菌和可導(dǎo)致尿路感染的大腸桿菌菌株的生物膜。

該形狀記憶聚合物領(lǐng)域已由材料科學(xué)家研究，現(xiàn)在該技術(shù)可用于生物工程領(lǐng)域以控制污染。

“這是聚合物科學(xué)與材料科學(xué)和微生物學(xué)的良好跨學(xué)科應(yīng)用，”Ren說(shuō)，注意到亨德森實(shí)驗(yàn)室在當(dāng)前研究中所做的工作。“這是協(xié)同工作。亨德森集團(tuán)在形狀記憶聚合物方面擁有更多經(jīng)驗(yàn)，他幫助我們描述了聚合物的一些特征。”

一些形狀記憶聚合物也可以設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)以上的階段。“最終我們想做一些可以循環(huán)的事情，”Ren說(shuō)。“下一步是將這種材料應(yīng)用于更復(fù)雜或更復(fù)雜的形狀變化方式的更新穎的材料，并為生物相容性材料和真正有效的應(yīng)用找到更溫和的條件。我們也在研究這種脫離對(duì)生理學(xué)的影響生物膜細(xì)胞。“