Dommages de l’enveloppe bactérienne infligés par des nanostructures bioinspirées cultivées dans un hydrogel

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Les communautés bactériennes associées à la surface, connues sous le nom de biofilms, sont responsables d’un large spectre d’infections chez les humains. Des études récentes ont indiqué que les surfaces contenant des protubérances nanométriques, comme celles des ailes de libellules, créent une niche hostile pour la colonisation bactérienne et la croissance des biofilms. Cette fonctionnalité a été imitée sur les métaux et les semi-conducteurs en créant des nanopilliers et d’autres nanostructures à haut rapport d’aspect à l’interface de ces matériaux. Cependant, les topographies bactéricides n’ont pas été rapportées sur les hydrogels cliniquement pertinents et les polymères hautement compliants, principalement en raison de la complexité de la fabrication de nanomodèles dans les hydrogels avec un contrôle précis de la taille qui peut également résister à l’immersion aqueuse. Nous rapportons ici la fabrication de nanostructures bactéricides bioinspirées dans des hydrogels de cellulose bactérienne (CB) en utilisant une irradiation par faisceau d’ions à faible énergie. En remettant en question la vision actuellement acceptée, nous montrons que les nanostructures cultivées dans la BC affectent préférentiellement les membranes rigides comme celles de la bactérie à Gram positif Bacillus subtilis de manière dépendante du temps et, dans une moindre mesure, la membrane plus déformable et plus souple d’Escherichia coli. De plus, les nanostructures en BC n’ont pas affecté la viabilité des préostéoblastes murins. À l’aide d’une analyse unicellulaire, nous démontrons que B. subtilis a besoin de moins de force que E. coli pour être pénétré par des nanosondes de dimensions comparables à celles des nanostructures en BC, fournissant ainsi la première preuve expérimentale directe validant un modèle mécanique de rupture de la membrane via un mécanisme induit par la tension dans le cadre de la théorie de l’énergie d’activation. Nos résultats comblent le fossé entre les surfaces mécanobactéricides et les matériaux de faible dimension, y compris les nanotubes de carbone à paroi unique et les nanoplaquettes de graphène, pour lesquels une activité bactéricide supérieure envers les bactéries Gram-positives a été largement rapportée. Nos résultats démontrent également la capacité de conférer des propriétés bactéricides à un hydrogel en modifiant uniquement sa topographie à l’échelle nanométrique et contribuent à une meilleure compréhension de la mécanobiologie bactérienne, ce qui est fondamental pour la conception rationnelle de topographies bactéricides.

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