Партнерський матеріал
Партнерський матеріал
Біологія
Партнерський матеріал
Біологія

Бактеріям тут не місце. Як працюють покриття з антибактеріальними властивостями?

Слова «антибактеріальний» та «антимікробний» зараз у всіх на вустах. Окрім антисептиків та антибіотиків, із якими все більш-менш зрозуміло, є ще антибактеріальні покриття. Вони виглядають як звичайний пластик або метал, але мають відмінні якості. Разом з Acer з'ясовуємо, як влаштовані такі поверхні та чому в боротьбі з бактеріями нас можуть навчити цикади й акули.

Золотистий стафілокок. NIAID / Wikimedia Commons

Золотистий стафілокок. NIAID / Wikimedia Commons

Що таке «антибактеріальне» покриття?

Вчені давно знають, що в природі бактерії розмножуються переважно на твердих поверхнях, утворюючи бактеріальні плівки (біоплівки). Бактерії при цьому складають не більш як 35 відсотків від маси такої плівки — решта припадає на матрицю із полісахаридів, які захищають мікробів від фізичних та хімічних впливів. Завдяки цьому біоплівки набагато стійкіші, ніж поодинокі бактерії. Іноді для їх знищення доводиться багаторазово підвищувати дозу антибіотика, але схоже, що найкращий спосіб боротьби з бактеріальними плівками — просто не допускати їхньої появи. Для цього люди використовують антибактеріальні покриття, які сповільнюють або повністю блокують утворення бактеріальних плівок.

Які природні поверхні мають антибактеріальні властивості?

Однак люди — не перші, хто навчився захищатися від бактерій. Якщо подивитися на листок лотоса під мікроскопом, можна побачити багато еліптичних бугорків діаметром близько десяти мікрометрів, поверхня яких покрита ще мініатюрнішими наноструктурами (див. Рисунок 1). Така текстура робить листки лотоса гідрофобними — вода не розтікається по їхній поверхні, а збирається в ізольовані краплі. Бактерії та інше забруднення в основному накопичується в краплях, а не на самій поверхні листка. Відтак краплі скочуються вниз під дією сили тяжіння або їх здуває вітер, а листок лотоса залишається чистим.

Природні антибактеріальні гідрофобні матеріали під мікроскопом: а) листок лотоса; b) листок таро; c) шкіра гекона; d) шкіра акули; e) крило цикади; f) крило метелика. Jaggessar et al. / J Nanobiotechnol. 2017

Природні антибактеріальні гідрофобні матеріали під мікроскопом: а) листок лотоса; b) листок таро; c) шкіра гекона; d) шкіра акули; e) крило цикади; f) крило метелика. Jaggessar et al. / J Nanobiotechnol. 2017

Схожі властивості має листя рослини таро, крила цикад та метеликів, а також шкіра деяких видів акул. Утім, недавні дослідження показали, що на крилах цикад, окрім гідрофобних наноструктур, є і жирні кислоти та насичені вуглеводні, які ефективно вбивають бактерій, що приліпилися.

Антибактеріальні властивості має також хітозан — полісахарид, який отримують із хітину, компоненту панцирів ракоподібних. Механізм впливу хітозану на бактерій поки що не до кінця зрозумілий науковцям, але ймовірно, він оснований на руйнуванні клітинних стінок. Цей нетоксичний для людини, легкий та доступний матеріал вже став основою для багатьох рукотворних антибактеріальних покриттів.

Коли й де люди почали використовувати антибактеріальні матеріали?

Про антибактеріальні властивості деяких матеріалів люди знають давно. Наприклад, срібний посуд з древності використовували для збереження води. Проте по-справжньому з необхідністю створити антибактеріальні покриття ми стикнулися зовсім недавно — у зв'язку з розвитком протезування. З'ясувалося, що навіть якщо операція пройшла успішно, на місці контакту тканин із протезом часто виникає запалення, спричинене бактеріями. Щоби цього не ставалося, поверхню імплантатів почали покривати матеріалами, які блокують розмноження мікробів.

Як влаштовані сучасні штучні антибактеріальні поверхні?

За терміном «антибактеріальне покриття» сьогодні криється не один десяток різних матеріалів, які влаштовані й працюють по-різному. За механізмом дії їх можна розділити на дві великі групи.

Пасивні антибактеріальні покриття

Пасивними називаються матеріали, які не дають бактеріям прикріпитися до своєї поверхні. Вони працюють приблизно так само, як листки лотоса та шкіра акул. Вчені, які їх розробляють, нерідко позичають ідеї від природи.

Антибактеріальне покриття, яке імітує текстуру крила цикади. Гострі стовпчики не дають бактеріям прикріпитися, а хітозан пошкоджує оболонку тих бактерій, які все ж дісталися до поверхні. Abinash Tripathy et al. / Biomacromolecules. 2018

Антибактеріальне покриття, яке імітує текстуру крила цикади. Гострі стовпчики не дають бактеріям прикріпитися, а хітозан пошкоджує оболонку тих бактерій, які все ж дісталися до поверхні. Abinash Tripathy et al. / Biomacromolecules. 2018

Проблема полягає у тому, що наноструктури, які забезпечують гідрофобність, зазвичай досить ламкі. І якщо в живих системах наноструктури можуть відновлюватися, то в рукотворних матеріалах — ні. Щоби подовжити життя таким покриттям, вчені йдуть на різні хитрощі. Наприклад, китайські та фінські науковці захистили крихкі наноструктури за допомогою броні з міцніших пірамідальних мікроструктур.

Але справа не обмежується лише гідрофобністю. Так, наприклад, вчені знайшли спосіб наносити на поверхню матеріалу хітозан або ферменти, які при контакті вбивають бактерій, що прикріплюються. У літературі цей механізм часто називають contact-killing.

Heba Mitwalli et al. / Bioengineering (Basel). 2020  

Heba Mitwalli et al. / Bioengineering (Basel). 2020

Активні антибактеріальні покриття

Активними називають покриття, що виділяють антибактеріальні агенти (молекули та іони), які при контакті з бактеріями вбивають або пошкоджують їх.

Принцип роботи таких поверхонь подібний з механізмом contact-killing, але між ними є важлива відмінність. У пасивних contact-killing матеріалах діючі речовини прив'язані до поверхні з допомогою гнучких полімерних ланцюгів. А в активних вони відриваються від поверхні й рушають у вільне плавання. Це дає змогу активним покриттям не лише вбивати бактерії на поверхнях, але й знищувати їх ще «на підльоті».

Найважче в конструкції активних антибактеріальних матеріалів — добитися поступового вивільнення діючих речовин. Інакше матеріал швидко віддасть весь свій «боєзапас» і стане непридатним. Щоб розв'язати цю проблему, вчені використовують різні підходи: діючою речовиною просочують пористі матеріали, ховають його між шарами поліелектроліту, використовують як носій гіалуронову кислоту й хітозан.

Американським науковцям вдалося створити й розумне покриття, яке випускає діючу речовину, лише коли поблизу знаходяться бактерії. Вони досягли цього завдяки багатошаровому поліелектроліту, який реагує на зміну кислотності, спричинену присутністю молочної кислоти — продукту життєдіяльності бактерій.

Для пошуку найбільш активної діючої речовини дослідники також постійно випробовують нові варіанти. Існують антибактеріальні поверхні з антибіотиками — але лише тими, які витримують високу температуру, наприклад, гентаміцином. Чудову антибактеріальну активність показують іони металів срібла, міді, цинку та кальцію.



У ноутбуці Acer Swift 5 використовується антибактеріальне покриття з джерелом іонів срібла. Іони срібла атакують бактерії одночасно кількома способами: зв'язуються з тіольними групами бактеріальних ферментів, перешкоджаючи їхній роботі, порушують бактеріальне дихання та генерують активні форми кисню, які пошкоджують стінки бактерій. Усе це дає змогу знизити кількість бактерій на три порядки (результати тестування за міжнародним стандартом ISO 22196:2011). Водночас срібло має виску біосумісність, тобто безпечне для людини.



Як діючу речовину в антибактеріальні покриття також додають селен, оксид азоту, ферменти та деякі інші органічні речовини — наприклад, триклозан, який подібно сріблу вміє зв'язуватися із бактеріальними ферментами та блокувати їхню роботу.

Ще один підвид активних антибактеріальних матеріалів — фотоактивні. Такі матеріали містять наночастинки оксиду титану TiO2, які при опроміненні світлом виділяють активні форми кисню, що руйнують оболонку бактерій.

На жаль, дія більшості антибактеріальних матеріалів із часом слабне. Запас діючої речовини в активних покриттях вичерпується й вимивається, а текстура пасивних поступово руйнується та ховається під шаром мертвих бактерій та іншого забруднення.

Та вчені працюють над створенням стабільного та відновлюваного антибактеріального матеріалу. Наприклад, серйозний крок вперед зробили цього літа китайські матеріалознавці. Вони створили матеріал для зубних імплантатів на основі пористого титану, покритого полімерами з кінцевими хлораміновими групами (N-Cl). Таке покриття є джерелом активних часток хлору, які смертельні для багатьох бактерій. У процесі роботи покриття поступово втрачає хлор, але його запас можна відновити. Для цього матеріал потрібно на дві години опустити в розчин гіпохлориту натрію (NaOCl).

Clostridium botulinum під мікроскопом. Ці бактерії можуть спричиняти рідкісне захворювання, що вражає нервову систему — ботулізм. CDC

Clostridium botulinum під мікроскопом. Ці бактерії можуть спричиняти рідкісне захворювання, що вражає нервову систему — ботулізм. CDC

Покриття діють на всі види бактерій однаково?

Бактерії відрізняються одне від одного за розміром, формою та біохімічними властивостями клітинних стінок (грампозитивні та грамнегативні бактерії). Крім того, для кожного виду бактерій можуть існувати окремі штами, які набули резистентність до окремих впливів.

Будова клітинних стінок грампозитивних та грамнегативних бактерій. У грамнегативних бактерій наявний додатковий, ліпополісахаридний шар. Graevemoore / Wikimedia Commons

Будова клітинних стінок грампозитивних та грамнегативних бактерій. У грамнегативних бактерій наявний додатковий, ліпополісахаридний шар. Graevemoore / Wikimedia Commons

Ефективність покриттів для різних бактерій може відрізнятися. Наприклад, покриття з ферментом лізоцимом діє переважно на грампозитивні бактерії, а покриття з іншим ферментом, ацилазою — переважно на грамнегативні. Всі покриття з антибіотиками діють тільки на ті бактерії, проти яких антибіотик ефективний. Широкий діапазон дії мають більшість іонів металів (особливо срібло) і частинки оксиду титану.

Для створення найнадійнішого антибактеріального покриття необхідно буде об'єднати в одному матеріалі декілька речовин, які будуть підсилювати дію одне одного. Вчені активно працюють над створенням таких покриттів: наприклад, беруть за основу гідрофобний матеріал та додають до нього наночастинки срібла. Завдяки комплексному впливу на бактерій, срібло добре працює в тандемі з багатьома діючими речовинами: антибіотиками, іншими металами та оксидом титану.

Скоріше за все, у майбутньому нас чекають ще ефективніші розумні матеріали, які зможуть перемикатися між різними діючими речовинами, реагуючи на зміну кількості бактерій.

Бактерії золотистого стафілокока (Staphylococcus aureus) під мікроскопом — поширеного збудника внутрішньолікарняних інфекцій. Janice Haney Carr

Бактерії золотистого стафілокока (Staphylococcus aureus) під мікроскопом — поширеного збудника внутрішньолікарняних інфекцій. Janice Haney Carr

Де затребувані антибактеріальні покриття?

Основною сферою застосування антибактеріальних покриттів залишається медицина. Крім протезування та створення антибактеріальних пов'язок і пластирів, вони використовуються для внутрішнього оброблення операційних, процедурних та інших лікарняних приміщень. Це допомогає боротися з внутрішньолікарняними інфекціями.

З лікарень антибактеріальні матеріали плавно перекочували й у житлові будівлі. Зараз вони активно використовуються, наприклад, для оброблення вентиляційних конструкцій, кухонь та ванних кімнат — місць, де особливо часто створюється сприятливе середовище для розмноження бактерій. Крім цього, відносно недавно на ринку з'явилися антибактеріальні упаковки для продуктів, тканини й товари для дітей.

Ще одна сфера застосування антибактеріальних матеріалів — гаджети: ноутбуки, смартфони та інші електронні пристрої. Ми користуємося ними на вулиці, в транспорті, під час їди та в ліжку пред сном. Мити такі пристрої з милом неможна, тому антибактеріальні покриття для них особливо корисні.



У ноутбуці Acer Swift 5 антибактеріальне покриття з іонами срібла нанесене не лише на клавіатуру та сенсор відбитка пальця, а й на корпус, шарніри та гумові ніжки. Це дозволяє ноутбукові залишатися чистим під час використання поза домом.



Яке антибактеріальне покриття найкраще?

Для порівняння ефективності різних антибактеріальних покриттів використовують різні міжнародні протоколи. Здебільшого спершу на поверхню наносять культуру бактерій та поживний розчин. Через певний час кількість нових бактерій вимірюють та порівнюють із контрольним зразком без антибактеріального покриття.

Проте при виборі антибактеріального покриття важлива не лише ефективність, а й інші фактори: вартість, час роботи, стійкість до сонячного світла та води. Для імплантатів зазвичай використовують найефективніші (та нерідко найдорожчі) матеріали зі сріблом та іншими добавками. Для медичних інструментів та обладнання цілком підійдуть доступніші фотоактивні покриття з оксидом титану, а для дитячих іграшок, що не бояться води, достатнім може бути простий гідрофобний матеріал.

Кишкова паличка (Escherichia coli) під мікроскопом. NIAID

Кишкова паличка (Escherichia coli) під мікроскопом. NIAID

Утім, вчені зазначають, що побутові антибактеріальні покриття краще працюють не поодинці, а разом із гігієнічними процедурами. Ефективність усіх антибактеріальних покриттів залежить від кількості речовин, придатних для поїдання бактеріями — чим більше цих речовин на поверхні, тим гіршим буде антибактеріальний ефект. Тому жодне, навіть найбільш ефективне та розумне покриття, не дасть стовідсоткового захисту від бактерій та не позбавить нас необхідності регулярно мити руки.



Acer Ukraine / YouTube

Антибактеріальне покриття — не єдина перевага Acer Swift 5. Ноутбук, виготовлений зі сплаву магнію з літієм та магнію з алюмінієм, важить усього близько 1 кілограма та оснащений сучасним набором портів, включно з Thunderbolt 4. Впоратися з будь-якими завданнями в офісі або дорозі допоможуть процесори Intel 11-го покоління, оперативна пам'ять до 16 ГБ та надшвидкі PCIe SSD накопичувачі до 1 ТБ. Виробник обіцяє до 17 годин автономності. Завдяки швидкій зарядці усього 30 хвилин від розетки дають 4 години роботи. Більше легких та тонких ноутбуків Acer Swift за посиланням.