Resistens mot antibiotika har blivit ett allvarligt folkhälsoproblem. Sjukhusinfektioner, proteser eller kirurgiska implantat som blir infekterade och inte svarar på behandling är en verklig utmaning för forskarsamhället, som har sökt alternativ för att effektivt eliminera dessa bakterier i åratal. År 2012 forskare från Institutionen för kemiteknik vid Universitat Rovira i Virgili, Vladimir Baulin och Sergey Pogodin, öppnade en rad forskning för att utveckla antibakteriella modeller som var inspirerade av insekter. Vingarna av, till exempel, drakflugor består av komplexa strukturer av nanometriska geometriska former, som är mycket effektiva för att döda bakterier. I deras försök att förstå dessa former och reproducera dem som nya antibakteriella material, ett team bestående av Vladimir Baulin, Marc Werner, från Leibniz-Institut für Polymerforschung (Dresden, Tyskland) och Elena Ivanova från det australiensiska universitetet RMIT, upptäckte att nanopillars elasticitet är en nyckelfaktor eftersom de kan behålla och släppa ut tillräckligt med energi för att döda bakterierna.

Den forskningslinje som hade påbörjats år tidigare hade redan funnit att dessa insekters vingar består av en struktur av nanopilar som eliminerar bakterier mekaniskt, som är känd som biocide -effekten. Dessa mekanobakteriedödande egenskaper-genom vilka bakterier dödas nästan omedelbart när de kommer i kontakt med pelarna utan att behöva använda en kemisk substans-väcker många frågor som forskare försöker svara på genom att experimentera med olika former och geometrier som hjälper dem för att förstå vilken som har den mest effektiva bakteriedödande effekten.

De undersökte den bakteriedödande kapaciteten på nanometriska ytor genom att variera höjden på pelarna och hålla de andra dimensionerna konstanta. Resultaten, som just har publicerats i tidningen PNAS , har visat att flexibiliteten hos dessa pelare är nära kopplad till deras utseende. "Även de fasta och styva materialen blir flexibla om en av dimensionerna är mycket längre än de andra (t.ex. en gitarrsträng eller en lång pelare), "säger Vladimir Baulin. Forskarna har utvecklat en fysisk modell som visar att när bakterier kommer i kontakt med dessa pelare kan de ackumulera elastisk energi även i så liten skala. Tack vare den här modellen är det nu möjligt att beräkna det elastiska svaret från andra strukturer och optimera deras antibakteriella egenskaper.

Deformationskrafterna i pelaren som orsakas av bakteriens kontakt är så höga att de till och med kan bryta bakteriens cellvägg, vilket ger en ny mekanism för att döda dem. Dessa krafter är associerade med ytspänningar som påläggs bakteriecellerna. Pelarna under bakterierna som närmar sig sträcker sig mer vid kanterna, medan pelarna som ligger under mitten av bakterierna praktiskt taget inte förändras. Studien visar, sedan, att den gradvisa variationen i höjden på pelarna på en nanometrisk yta kan bestämma deras bakteriedödande effekt.

Denna upptäckt kan leda till en helt ny klass av antibakteriella material, som kan sträcka sig från förpackningar för livsmedel till filter eller masker. Till skillnad från traditionella filter, där bakterierna finns kvar men inte inaktiveras, det nya nanoskala elastiska materialet kan säkert döda bakterierna på några minuter, vilket innebär att de inte kan aktivera några försvarsmekanismer eller ge något motstånd alls, "avslutade Baulin.