Schädigung der Bakterienhülle durch bioinspirierte Nanostrukturen, die in einem Hydrogel wachsen

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Oberflächenassoziierte Bakteriengemeinschaften, so genannte Biofilme, sind für ein breites Spektrum von Infektionen beim Menschen verantwortlich. Jüngste Studien haben gezeigt, dass Oberflächen mit nanoskaligen Vorsprüngen, wie die von Libellenflügeln, eine feindliche Nische für die bakterielle Besiedlung und das Wachstum von Biofilmen bilden. Diese Funktionalität wurde auf Metallen und Halbleitern durch die Schaffung von Nanosäulen und anderen Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis an der Schnittstelle dieser Materialien nachgeahmt. Über bakterizide Topografien auf klinisch relevanten Hydrogelen und hochgradig nachgiebigen Polymeren wurde jedoch noch nicht berichtet, was vor allem an der Komplexität der Herstellung von Nanomustern in Hydrogelen mit präziser Kontrolle der Größe liegt, die auch einem Eintauchen in Wasser standhalten können. Hier berichten wir über die Herstellung von bioinspirierten bakterientötenden Nanostrukturen in Hydrogelen aus bakterieller Cellulose (BC) durch Bestrahlung mit niederenergetischen Ionenstrahlen. Wir zeigen, dass die in BC gezüchteten Nanostrukturen zeitabhängig vorzugsweise steife Membranen wie die des Gram-positiven Bakteriums Bacillus subtilis und in geringerem Maße auch die verformbarere und weichere Membran von Escherichia coli angreifen. Darüber hinaus beeinträchtigten die Nanostrukturen in BC nicht die Lebensfähigkeit der Präosteoblasten der Maus. Anhand von Einzelzellanalysen zeigen wir, dass B. subtilis tatsächlich weniger Kraft benötigt als E. coli, um von Nanosonden durchdrungen zu werden, deren Abmessungen mit denen der nanostrukturierten BC vergleichbar sind, und liefern damit den ersten direkten experimentellen Beweis für die Validierung eines mechanischen Modells der Membranruptur über einen spannungsinduzierten Mechanismus im Rahmen der Aktivierungsenergietheorie. Unsere Ergebnisse schließen die Lücke zwischen mechano-bakteriziden Oberflächen und niedrigdimensionalen Materialien, einschließlich einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen-Nanoblätter, bei denen eine höhere bakterizide Aktivität gegenüber grampositiven Bakterien berichtet wurde. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass es möglich ist, einem Hydrogel bakterizide Eigenschaften zu verleihen, indem man nur seine Topografie auf der Nanoskala verändert, und tragen zu einem besseren Verständnis der bakteriellen Mechanobiologie bei, was für die rationale Gestaltung bakterizider Topografien von grundlegender Bedeutung ist.

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