Международная команда исследователей создала инновационную антибактериальную поверхность на основе металлоорганических каркасов (MOF). Эта поверхность покрыта микроскопическими шипами, которые при контакте физически разрушают оболочку бактерий, предотвращая формирование опасных биопленок.

Проблема биопленок

Бактерии способны образовывать на различных поверхностях биопленки — плотные колонии, защищённые слизистым слоем. В таком состоянии микроорганизмы становятся устойчивыми к антибиотикам и иммунной системе, что часто приводит к хроническим инфекциям, особенно в медицинских учреждениях, где биопленки могут возникать на катетерах, протезах и искусственных суставах.

Вдохновение из природы

В природе подобная проблема решается механическим способом: крылья цикад и кожа гекконов покрыты наностолбиками, которые физически уничтожают бактерии. Учёные давно пытались воспроизвести этот эффект, однако существующие технологии были слишком сложными и дорогими для массового применения.

Технология MOF и процесс создания

В новом исследовании для борьбы с биопленками использовались металлоорганические каркасы — пористые материалы, состоящие из ионов металлов и органических связующих, напоминающих по структуре конструктор. За создание MOF их разработчики были удостоены Нобелевской премии в 2025 году.

Исследователи применили метод эпитаксиального роста, при котором один кристалл выращивается на поверхности другого. Сначала были синтезированы кристаллы MOF типа UiO-66 на основе циркония, которые стали основой для дальнейшего роста. Затем на них выращивали кристаллы другого типа — MIL-88B на основе железа.

В результате получились гибридные наночастицы, напоминающие по форме противотанковые ежи: у каждой частицы есть ядро и острые иглы, выступающие во все стороны. Размеры игл сопоставимы с размерами бактерий — длина около 300 нанометров, диаметр кончика менее пяти нанометров.

Эффективность и безопасность

Учёные протестировали два способа нанесения покрытия: выращивание шипов непосредственно на поверхности и нанесение раствора с уже готовыми шипами. Второй способ оказался более эффективным — наночастицы хаотично ложатся на поверхность, выставляя вверх сразу несколько острых концов и создавая плотное «минное поле».

В экспериментах с кишечной палочкой (E. coli) поверхность, обработанная методом капельного нанесения, уничтожила 83% бактерий за 24 часа. Электронная микроскопия подтвердила, что гибель клеток происходила из-за механических повреждений: иглы прокалывали бактерии насквозь, некоторые клетки разрывались, а в других случаях повреждения запускали процесс апоптоза (самоуничтожения).

Важно, что для клеток человека такое покрытие безопасно. Благодаря значительной разнице в размерах (человеческие клетки в сотни раз крупнее бактерий) наношипы воспринимаются тканями организма лишь как слегка шероховатая поверхность. Ключевое преимущество этой технологии — бактерии не способны выработать к ней устойчивость.