科学家们发现了一种通过在塑料表面上制造微观图案来阻止细菌传播的方法。这些设计能够在不使用抗菌药物的情况下预防感染。
诺丁汉大学（University of Nottingham）的科学家们识别出一种能够显著降低细菌在塑料材料上繁殖能力的表面图案。这一发现可能有助于防止导管等医疗设备上的感染问题。
这项研究发表于《自然通讯》（Nature Communications），研究表明，当细菌细胞接触到具有条纹状凹槽的表面时，它们会丧失形成生物膜的能力。生物膜是一种黏滑、附着在表面的结构，能够保护细菌免受人体天然免疫防御的攻击。破坏生物膜的形成意味着可以在感染扎根之前将其阻止，同时还能触发免疫系统清除残留的细菌。
该研究由生命科学学院的保罗·威廉姆斯教授（Professor Paul Williams）领导，并与药学院的摩根·亚历山大教授（Professor Morgan Alexander）以及诺丁汉大学计算机科学学院的同事合作完成，此外还得到了荷兰扬·德布尔（Jan DeBoer）的支持。这项工作得到了英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）和威康信托基金会（Wellcome Trust）的资助。
塑料医疗设备的问题
许多医疗植入物，例如导管和呼吸管，通常由塑料制成并在医院中广泛使用。一旦细菌附着在这些塑料表面并形成生物膜，就很难用抗生素治疗。
图片显示了单个细菌细胞在10微米高的拓扑特征之间的通道中游动（蓝色-慢速，青绿色-快速）。图片来源：诺丁汉大学
为了解决这个问题，研究人员专注于通过向塑料材料中添加抗生素和其他抗菌剂来减少细菌附着的可能性。
在这项新研究中，团队描述了他们如何通过筛选超过2000种不同塑料（包括常用于制造医疗设备的聚氨酯）的设计，找到能够有效防止生物膜形成的图案。
阻止细菌的表面技巧
在最佳的生物膜抑制图案上，他们发现凸起图案中的小裂缝会困住细菌细胞，诱使它们分泌润滑剂，从而阻止其附着在塑料表面。这反过来又阻断了生物膜的形成，并使得宿主的免疫防御细胞更容易清除感染的细菌，从而预防感染。
分子微生物学专家威廉姆斯教授表示：“先前的研究表明，在医疗设备中引入抗生素存在缺陷，例如推动抗生素耐药性的发展。我们的研究更进一步地探讨了是否可以通过在导管上创建一个简单的‘景观’来解决问题，这个景观由细菌不喜欢且无法形成生物膜的相同材料制成。”
“我们测试了超过2000种不同形状对多种细菌的影响。为了找出哪种形状最能防止生物膜形成，我们必须使用机器学习。然后，我们研究了为什么某些细菌不喜欢这种表面。”
图片显示，在两小时后，细胞被困在右手图像特征之间的裂缝中，并产生一种润滑物质，从而阻止后续的生物膜形成。图片来源：诺丁汉大学
“我们的发现可能有助于减少与医疗设备相关的高感染率。这种方法不仅可以阻止细菌附着，还可以激活人体免疫系统以杀死任何已经附着在表面的细菌。”
专注于聚合物表面对细胞控制研究的亚历山大教授表示：“使用物理图案化表面的优势在于，它可以应用于现有的设备材料，降低了商业应用的门槛。我们的发现可以为英国国家医疗服务体系（NHS）节省大量资金。”
研究人员希望在当前英国研究与创新基金（UK-RI）的支持下，与医疗设备公司合作将这一技术扩展到实际医疗设备中。
参考文献：“通过群体感应介导的自润滑作用发现抗生物膜形成的微地形景观的组合方法”，作者：曼努埃尔·罗梅罗（Manuel Romero）、詹妮·卢凯特（Jeni Luckett）、让-弗雷德里克·杜伯恩（Jean-Frédéric Dubern）、格拉齐埃拉·P. 菲格雷多（Grazziela P. Figueredo）、伊丽莎白·艾森（Elizabeth Ison）、亚历桑德罗·M. 卡巴内利（Alessandro M. Carabelli）、大卫·J. 斯库尔（David J. Scurr）、安德鲁·L. 胡克（Andrew L. Hook）、丽莎·卡默林（Lisa Kammerling）、安娜·C. 达席尔瓦（Ana C. da Silva）、宣·薛（Xuan Xue）、切斯特·布莱克本（Chester Blackburn）、奥雷莉·卡利尔（Aurélie Carlier）、阿里克谢·瓦西列维奇（Aliaksei Vasilevich）、帕尼·K. 苏达萨纳姆（Phani K. Sudarsanam）、史蒂文·维尔梅伦（Steven Vermeulen）、大卫·A. 温克勒（David A. Winkler）、阿米尔·M. 加马加米（Amir M. Ghaemmaghami）、扬·德布尔（Jan de Boer）、摩根·R. 亚历山大（Morgan R. Alexander）和保罗·威廉姆斯（Paul Williams），2025年6月18日，《自然通讯》。DOI: 10.1038/s41467-025-60567-x
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