Dado que son nanoestructuras flexibles y de alta relación de aspecto, almacenan energía elástica. Cuando se libera, esta energía podría usarse para destruir bacterias estirando físicamente y rompiendo sus membranas celulares. Esta técnica se inspiró en la naturaleza bactericida de las alas de los insectos y destruye las bacterias grampositivas y gramnegativas a tasas extremadamente altas. Las nanoestructuras podrían crear un nuevo tipo de superficie antibacteriana de respuesta mecánica altamente eficiente.

La resistencia a los antibióticos es un problema creciente en todo el mundo. En Europa, por ejemplo, unas 25,000 personas mueren cada año a causa de infecciones bacterianas resistentes. Sin nuevos agentes antibacterianos, los procedimientos y operaciones médicos de rutina pronto podrían volverse imposibles.

Las superficies antibacterianas se utilizan para prevenir la formación de biopelículas bacterianas en una variedad de superficies, incluidas las herramientas médicas y los implantes. Hasta ahora, estos generalmente funcionaban gracias a un recubrimiento químico que libera lentamente un agente biocida y mata las bacterias que entran en contacto con él. Sin embargo, este enfoque tiene algunos inconvenientes, siendo el principal que las bacterias pueden desarrollar resistencia con el tiempo.

Las alas de cigarra son bactericidas naturales.

Un equipo de investigadores liderado por Elena ivanova de la Universidad RMIT en Melbourne, Australia, descubrió recientemente que las alas de cigarra, que están cubiertas con conjuntos de pilares de aproximadamente 200 nm de alto y 60 nm de diámetro, son altamente bactericidas. Esta propiedad es puramente físico-mecánica: las membranas celulares de las bacterias se estiran y se rompen entre los pilares, que es el punto sometido a la mayor tensión mecánica.

Los investigadores descubrieron que la eficacia bactericida de las superficies nanoestructuradas depende del espacio y el tamaño de las nanocaracterísticas. Esto sugiere que los nanopatrones se pueden modificar para aumentar las propiedades antibacterianas de las superficies según el tipo de bacteria que se deba tratar. Células bacterianas gramnegativas como Pseudomonas aeruginosa, por ejemplo, se destruyen con relativa rapidez en las alas de las cigarras, mientras que las bacterias Gram-positivas como Staphylococcus aureus son más tenaces ya que resisten mejor el proceso de estiramiento. Las diferencias en los dos tipos de bacterias podrían provenir de las propiedades mecánicas de las propias membranas celulares bacterianas.

Inspirándose en estas nanoestructuras naturales, Ivanova y sus colegas decidieron diseñar superficies similares utilizando nanotubos de carbono alineados verticalmente (VACNT) de alta relación de aspecto cultivados mediante deposición de vapor químico como pilares. Los nanotubos de carbono son muy atractivos para aplicaciones biotecnológicas gracias a su alta resistencia y rigidez y alta conductividad eléctrica y térmica. Los VACNT, que comparten muchas de las mismas propiedades que los CNT, también son muy flexibles y resistentes, y se pueden funcionalizar fácilmente mediante un tratamiento con plasma. Se pueden fabricar en diferentes longitudes ajustando los tiempos de crecimiento, lo que permite controlar su rigidez a la flexión y, por tanto, la cantidad de energía elástica que almacenan.

Los nanotubos más cortos son los mejores

Cuando las VACNT entran en contacto con una célula bacteriana, se doblan y liberan su energía elástica. Esta flexión estira la membrana celular bacteriana y la destruye, matando así a las bacterias.

Los investigadores observaron el efecto bactericida de los nanotubos utilizando una variedad de técnicas, incluida la microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocados (FIB-SEM) y la microscopía electrónica de barrido de transmisión (STEM).

"Descubrimos que los nanotubos más cortos de alrededor de 1 micrón de longitud son más eficientes para inactivar bacterias gracias a su capacidad para almacenar y liberar más energía elástica en comparación con los tubos más largos", dice Ivanova. “Logramos índices bactericidas de hasta el 99.3 % para P. aeruginosa y 84.9% para S. aureus modificando las longitudes de las VACNT, lo que nos permitió determinar la longitud óptima para matar de manera eficiente diferentes tipos de bacterias”.

Una nueva plataforma para combatir la resistencia a los antibióticos

“La modulación de las características de CNT de esta manera mejorará aún más nuestra comprensión de los mecanismos mecanobactericidas. También muestra que la actividad antibacteriana de las nanocaracterísticas de alta relación de aspecto puede superar tanto a las superficies bactericidas naturales como a otras superficies multifuncionales nanoestructuradas sintéticas informadas anteriormente.

"De hecho, creemos que estas características de alta relación de aspecto son prometedoras como una nueva plataforma para combatir la resistencia a los antibióticos en las bacterias patógenas", dice. Mundo de la física.

El equipo, informando de su trabajo en ACS Nano 10.1021/acsnano.8b01665, dice que ahora está ocupado optimizando la altura de sus nanopatrones de alta relación de aspecto para hacerlos más eficientes contra una gama más amplia de bacterias.