Бактерии образуют на поверхностях биопленки — плотные колонии, защищенные слизью. В таком состоянии микробы устойчивы к антибиотикам и иммунной системе, что приводит к хроническим инфекциям, особенно в больницах (на катетерах, протезах и искусственных суставах).
Природа решила эту проблему механическим путем: крылья цикад и кожа гекконов покрыты наностолбиками, которые убивают бактерии физически. Ученые давно пытаются воспроизвести этот эффект, но существующие методы слишком дороги и сложны для массового применения.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Advanced Science, использовали для борьбы с биопленками металлорганические каркасы (MOF). Это класс пористых материалов, которые собираются из ионов металлов и органических связок, подобно конструктору. Создатели этого материала получили Нобелевскую премию в 2025 году.
Исследователи применили метод эпитаксиального роста — выращивания одного кристалла на поверхности другого. Сначала синтезировали кристаллы MOF типа UiO-66 на основе циркония. Они послужили фундаментом. Затем на них вырастили кристаллы другого типа — MIL-88B на основе железа.
В результате получились гибридные наночастицы, по форме напоминающие противотанковые ежи. У каждой частицы есть ядро и торчащие во все стороны острые иглы. Размеры игл сопоставимы с бактериями: длина — около 300 нанометров, диаметр кончика — менее пяти нанометров.
Ученые протестировали два способа нанесения: выращивание шипов прямо на поверхности и нанесение раствора с уже готовыми шипами. Второй метод оказался эффективнее: когда «наноежи» просто падают на поверхность, они ложатся хаотично, выставляя вверх сразу по три-четыре острия, создавая густое минное поле.
В тестах с кишечной палочкой (E. coli) поверхность, созданная методом капельного нанесения, уничтожила 83% микроорганизмов за 24 часа. Электронная микроскопия подтвердила механическую природу гибели клеток. Бактерии не травились химией, а погибали от физических повреждений. Иглы пронзали клетки насквозь, некоторые бактерии повисали на иглах и лопались, а в других случаях повреждения запускали внутри клеток программу самоуничтожения (апоптоз).
При этом для клеток человека такое покрытие безвредно. Из-за огромной разницы в размерах (наши клетки в сотни раз больше бактерий) наношипы воспринимаются тканями организма не как ножи, а как слегка шероховатая поверхность. Главное преимущество покрытия в том, что бактерии не могут выработать к нему устойчивость.