バイオインスパイアされたバイ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13290 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

トンボの羽の表面構造設計を大まかに模倣することにより、MgO/Mg(OH)2 の新しい二相 3D ナノフラワーをエレクトロスピニング技術によって合成することに成功しました。 3D ナノフラワーは市販のメラミン スポンジ上にコーティングされ、SEM、XRD、FTIR、EDS によって広範囲に特性評価されました。 明確な高密度の 3D ナノ花びらの形成は SEM 画像によって明らかになり、平均花びらの厚さと隣接する花びら間の平均距離はそれぞれ 36 nm と 121 nm であることがわかりました。 合成した 3D ナノフラワーでコーティングしたメラミンスポンジの殺菌活性を、5 つの異なる細菌 (黄色ブドウ球菌、エンテロコッカス・フェカリス、大腸菌、肺炎桿菌、緑膿菌) に対して評価しました。 この研究は、グラム陽性菌およびグラム陰性菌に対する MgO/Mg(OH)2 3D ナノフラワーでコーティングされた MS の顕著な殺菌活性を実証しました。 考えられる殺菌メカニズムには、エンベロープの変形、浸透、酸化ストレスの誘発が含まれます。 この研究では、特に医療機器において、病原性細菌感染に関連するリスクを軽減する能力を備えた、生体からインスピレーションを得た新しい生体材料を紹介します。

抗菌表面は、年間 50 ～ 100 億ドル近くの費用がかかる埋め込み型医療機器に関連する感染症を軽減するための生物医学用途で高い需要があります1。 酸化チタン、酸化亜鉛、酸化銀などのいくつかのナノ粒子は、広範囲の細菌株に対して妥当な殺菌活性を示しています 2,3。 しかし、重金属元素ベースのナノ粒子の人体内への蓄積に伴う細胞毒性効果により、殺菌剤としての使用に対して深刻な懸念が生じています4,5。 銀や抗生物質などの殺生物剤による生物医学機器のコーティングは従来の生化学的アプローチですが、 同時に、抗生物質の過剰使用により細菌が薬剤耐性を持ち、慢性感染症を引き起こします6。 医療インプラント手術を受ける患者のほぼ 10% が急性細菌感染症を発症し、米国では平均 10 万人が死亡していると推定されています 7。 生物医学的インプラントと組織の界面で感染が発生すると、二次手術による医療機器および/またはインプラントの除去が避けられなくなります。 これは患者に不快感を与えるだけでなく、医療費の増加にもつながります8。 抗生物質の過剰使用に伴い、抗生物質耐性菌株の出現が増え続けているため、新しい抗菌戦略や殺菌剤を発見する必要性が生じています9。

過去 10 年間、表面のナノスケール修飾により、人工抗菌性トポグラフィーを作成するための新しいルートが提供されてきました 10。 例えば、溝、隆起、および波紋ベースの構造は、細菌の付着を減少させることによりバイオフィルムの形成を軽減する上で多大な可能性を示しています 10,11。 最近、セミやトンボなどの昆虫の羽の表面に現れる、自然に存在する高アスペクト比のナノ構造の殺生物活性の発見が、新しい抗菌性ナノ材料トポグラフィーの研究のきっかけとなった 12。 付着した病原体とナノスケールのトポグラフィーの間の物理的相互作用により、そのような表面の抗菌活性が促進されます 13。 昆虫の羽以外にも、自然に発生する生物付着防止および自浄作用のある表面には、イネの葉 14、ハスの葉 15、ヤモリの皮 16、サメの皮 17、18 などがあります。 天然素材の殺菌性ナノ構造にヒントを得て、チタン 19,20、金 21、ダイヤモンド 22、黒色シリコン 23、およびポリ(メチルメタクリレート) 24 を使用したナノ突起の開発に成功しました。 これらの人工ナノ構造のほとんどすべてが、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方に対して優れた殺生物活性を示します。