Resistentie tegen antibiotica is een ernstig probleem voor de volksgezondheid geworden. Ziekenhuisinfecties, prothesen of chirurgische implantaten die geïnfecteerd raken en niet op behandeling reageren, vormen een echte uitdaging voor de onderzoeksgemeenschap, die al jaren op zoek is naar alternatieven om deze bacteriën effectief te elimineren. In 2012 hebben de onderzoekers van de afdeling Chemical Engineering van de Universitat Rovira i Virgili, Vladimir Baulin en Sergey Pogodin, opende een onderzoekslijn om antibacteriële modellen te ontwikkelen die waren geïnspireerd door insecten. De vleugels van, bijvoorbeeld, libellen zijn opgebouwd uit complexe structuren van nanometrische geometrische vormen, die zeer efficiënt zijn in het doden van bacteriën. In hun poging om deze vormen te begrijpen en te reproduceren als nieuwe antibacteriële materialen, een team bestaande uit Vladimir Baulin, Marc Werner, van het Leibniz-Institut für Polymerforschung (Dresden, Duitsland) en Elena Ivanova van de Australische universiteit RMIT, ontdekte dat de elasticiteit van nanopilaren een sleutelfactor is omdat ze voldoende energie kunnen vasthouden en afgeven om de bacteriën te doden.

De lijn van onderzoek die jaren eerder was ingezet, had al ontdekt dat de vleugels van deze insecten zijn opgebouwd uit een structuur van nanopilaren die bacteriën mechanisch elimineren, wat bekend staat als het biocide-effect. Deze mechanisch-bactericide eigenschappen - waardoor bacteriën vrijwel onmiddellijk worden gedood wanneer ze in contact komen met de pilaren zonder dat er een chemische stof nodig is - roept tal van vragen op die onderzoekers proberen te beantwoorden door te experimenteren met verschillende vormen en geometrieën die hen zullen helpen om te begrijpen welke het meest efficiënte bacteriedodende effect heeft.

Ze onderzochten het bacteriedodende vermogen op nanometrische oppervlakken door de hoogte van de pilaren te variëren en de andere afmetingen constant te houden. De resultaten, die zojuist in het tijdschrift zijn gepubliceerd PNAS , hebben aangetoond dat de flexibiliteit van deze pilaren nauw samenhangt met hun uiterlijk. "Zelfs de vaste en stijve materialen worden flexibel als een van de afmetingen veel langer is dan de andere (bijvoorbeeld een gitaarsnaar of een lange pilaar), ", zegt Vladimir Baulin. De onderzoekers hebben een fysiek model ontwikkeld dat laat zien dat wanneer bacteriën in contact komen met deze pilaren, ze zelfs op zo'n kleine schaal elastische energie kunnen accumuleren. Dankzij dit model is het nu mogelijk om de elastische respons van andere structuren en optimaliseren hun antibacteriële eigenschappen.

De vervormingskrachten van de pijler veroorzaakt door het contact van de bacteriën zijn zo hoog dat ze zelfs de celwand van de bacteriën kunnen breken, waardoor er een nieuw mechanisme ontstaat om ze te doden. Deze krachten hangen samen met oppervlaktespanningen die op de bacteriecellen worden uitgeoefend. De pijlers onder de bacteriën die naderen, strekken zich meer uit aan de randen, terwijl de pilaren onder het midden van de bacteriën praktisch niet veranderen. De studie laat zien, dan, dat de geleidelijke variatie in de hoogte van de pilaren van een nanometrisch oppervlak hun bacteriedodende werkzaamheid kan bepalen.

Deze ontdekking kan leiden tot een geheel nieuwe klasse van antibacteriële materialen, die kunnen variëren van verpakkingen voor voedsel tot filters of maskers. In tegenstelling tot traditionele filters, waar de bacteriën blijven maar niet worden gedeactiveerd, het nieuwe elastische materiaal op nanoschaal kan de bacteriën binnen enkele minuten veilig doden, wat betekent dat ze geen afweermechanismen kunnen activeren of helemaal geen weerstand kunnen bieden, ’ concludeerde Baulin.