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ナノ構造表面の多面的なメカノバクテリア殺菌メカニズム
The multi-faceted mechano-bactericidal mechanism of nanostructured surfaces.
PMID: 32457154 PMCID: PMC7293705. DOI: 10.1073/pnas.1916680117.
抄録
ナノ構造表面のメカノバクテリア活性は、新世代の抗菌表面の開発に向けた集中的な研究の焦点となっており、特に、新興の抗生物質耐性の現在の時代には注目されています。本研究では、ナノピラーの高さを段階的に増加させることが、ナノ構造誘導細菌細胞死に及ぼす影響を実証した。我々は、細菌細胞の機械的溶解が、高度に秩序化されたシリコンナノピラーアレイの弾性とクラスタリングの程度によって影響を受け得ることを提案する。ここでは、直径35 nm、周期性90 nm、高さ220、360、420 nmの増加する高さのシリコンナノピラーアレイを深紫外浸漬リソグラフィーを用いて作製した。グラムステイン陰性菌に対しては 95±5％、グラムステイン陽性菌に対しては 83±12％の細胞死を誘導した。360nmの高さでは、ナノピラー弾性の増加が、表面への細菌の付着に応答してピラーの変形を開始することに寄与している。柱の弾性の理論的解析により、柱のたわみ、変形力、および機械的エネルギーは、より柔軟な柱を持つ基質の方がより重要であることが確認された。機械的エネルギーの貯蔵と放出の増加は、表面に接触する細菌細胞に対するこれらのナノピラーアレイの強化された殺菌作用を説明することができるかもしれない；しかし、ナノピラーの高さ（420 nm）をさらに増加させると、力（および張力）は、その殺菌効果を減少させる不可逆的なピラー間の接着によって部分的に補償することができる。これらの知見は、抗菌性表面技術のための調整可能な殺菌特性を持つ次世代メカノ応答性表面の設計に利用することができる。
The mechano-bactericidal activity of nanostructured surfaces has become the focus of intensive research toward the development of a new generation of antibacterial surfaces, particularly in the current era of emerging antibiotic resistance. This work demonstrates the effects of an incremental increase of nanopillar height on nanostructure-induced bacterial cell death. We propose that the mechanical lysis of bacterial cells can be influenced by the degree of elasticity and clustering of highly ordered silicon nanopillar arrays. Herein, silicon nanopillar arrays with diameter 35 nm, periodicity 90 nm and increasing heights of 220, 360, and 420 nm were fabricated using deep UV immersion lithography. Nanoarrays of 360-nm-height pillars exhibited the highest degree of bactericidal activity toward both Gram stain-negative and Gram stain-positive bacteria, inducing 95 ± 5% and 83 ± 12% cell death, respectively. At heights of 360 nm, increased nanopillar elasticity contributes to the onset of pillar deformation in response to bacterial adhesion to the surface. Theoretical analyses of pillar elasticity confirm that deflection, deformation force, and mechanical energies are more significant for the substrata possessing more flexible pillars. Increased storage and release of mechanical energy may explain the enhanced bactericidal action of these nanopillar arrays toward bacterial cells contacting the surface; however, with further increase of nanopillar height (420 nm), the forces (and tensions) can be partially compensated by irreversible interpillar adhesion that reduces their bactericidal effect. These findings can be used to inform the design of next-generation mechano-responsive surfaces with tuneable bactericidal characteristics for antimicrobial surface technologies.