Открыты антибактериальные свойства черного кремния

Черный кремний спасет от больничной инфекции

Группа ученых из Австралии, которой руководила профессор Елена Иванова, обнаружила, что кристаллы черного кремния весьма эффективно уничтожают различных микробов, в том числе и смертельно опасный золотистый стафилококк. По мнению ученых, эти кристаллы можно использовать для создания перевязочных материалов, предотвращающих инфицирование ран.

Фото:

Напомню, что черный кремний был открыт в 1980-х годах прошлого века совершенно случайно — как побочный продукт процесса реактивного ионного травления. Это вещество представляет собой монокристалл кремния, который покрыт сплошным покровом наноиголок высотой около десяти и диаметром менее одного мкм. До недавнего времени ученые не особенно представляли себе, как можно использовать этот кристалл на практике, поскольку никакими особенными свойствами кроме вышеупомянутых черный кремний не обладал (ну, а сплошной "забор" из микрометровых иголок мало кому нужен). Однако недавно выяснилось, что данное вещество обладает хорошими антибактериальными свойствами.

Читайте также: Прививку сделает… пластырь

Это удалось выяснить группе ученых из Суинбернского технологического института (Австралия), которой руководила профессор Елена Иванова. Во время экспериментов исследователи разместили на поверхности этого необычного материала множество бактерий, принадлежащих не только к разным видам, но и к разным группам (например, там были как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии). Тем не менее, конец всех микроорганизмов был один и тот же — все они погибали с впечатляющей скоростью в 450 тысяч бактерий в минуту на квадратный сантиметр. При этом, судя по всему, процесс убийства микроорганизмов не был связан с какими-то химическими свойствами черного кремния — все происходило за счет лишь механических свойств "утыканного" микроиголками кристалла, которые разрушали клеточную стенку микробов.

Для того, чтобы убедиться в том, что убивают бактерий именно иголки, ученые провели контрольный эксперимент, в котором сравнили эффективность работы по уничтожении микроорганизмов кристаллами черного кремния с аналогичной деятельностью поверхности крыльев стрекоз вида Diplacodes bipunctata (которая снабжена такими же микроиглами и поэтому является хорошей бактерицидной субстанцией). В итоге оказалось, что обе эти поверхности действительно обладают сходной микроструктурой. Тесты показали, что они в одинаковой степени опасны для бактерий — таким образом, имеет место быть именно механический способ уничтожения микроорганизмов. Любопытно, что даже контрольное покрытие обеих поверхностей тонким слоем золота, резко преобразившее их химический состав, не привело к изменению ситуации с массовой гибелью бактерий.

Несмотря на то, что в данных экспериментах на черном кремнии выращивались лишь золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus), некоторые штаммы которого весьма устойчивы к большинству антибиотиков, а также сенная (Bacillus subtilis) и синегнойная палочки (Pseudomonas aeruginosa), ученые предполагают, что бактерицидные свойства такой поверхности будут устойчиво воспроизводиться и по отношению к другим видам микробов. Дело в том, что форма микроорганизмов на таких поверхностях заметно отличалась от их формы на стекле и гладком кремнии. Профессор Иванова считает, что именно эта механическая деформация, обусловленная микроиглами черного кремния и поверхности крыльев стрекозы, в итоге и разрушала клеточные стенки микроорганизмов.

Интересно, что поверхность кристалла черного кремния оказалась одинаково гибельной как для грамотрицательных, так и для грамположительных бактерий (у вторых клеточные стенки обычно в 4-5 раз толще чем у первых). Но это еще не все — выяснилось, что микроиглы губительны также и для спор сенной палочки, хотя обычно споры куда менее уязвимы, чем сами микроорганизмы. Таким образом на подобной поверхности невозможен не только рост бактериальных колоний, но и сохранение микробов в покоящейся стадии.

Все это наводит на мысль о том, что кристаллы черного кремния можно использовать для создания таких перевязочных материалов, которые смогут предотвратить инфицирование открытых ран. И это вполне реально, поскольку это вещество довольно легко получать в больших количествах уже сегодня — более того, методы его производства широко применяются в электронной промышленности. Но самым важным является то, что убийственный эффект поверхностей этих кристаллов не зависит от их химического состава — то есть в принципе можно создать похожие наноповерхности не только на кристаллах кремния.

Медики считают, что пластыри и бинты из такого кремния помогут не только справиться с проникновением бактерий в открытые раны, но и улучшить процесс стерилизации инструментов, что, в свою очередь, покончит с распространением внутрибольничных инфекций. Последние же стали истинным бичом современных медицинских учреждений — даже в развитых странах вроде США или Японии от них ежегодно погибает несколько десятков тысяч человек. И, что самое страшное, микробы, вызывающие такие инфекции (тот же золотистый стафилококк) год от года становятся все более устойчивыми к действиям антибиотиков.

Но может быть, повторится такая история и в отношении перевязочных материалов, снабженных кристаллами черного кремния? Профессор Иванова считает, что вряд ли широкое внедрение подобных поверхностей будет сопровождаться появлением устойчивых к ним микроорганизмов (как это происходит с антибиотиками и другими лекарствами) — во первых, потому, что механизм уничтожения микробов имеет не химическую, а механическую природу. Ну, а во вторых, эволюция уже наглядно продемонстрировала, что привыкнуть к воздействию таких микроиголок невозможно — крылья стрекоз, существующие сотни миллионов лет, остаются смертельными для бактерий и в наши дни…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"