為什么醫院細菌與某些表面的結合要比與其他表面的結合更牢固

實驗和理論物理研究的結果可能有助于改善抗菌表面。這項研究工作最近發表在《納米尺度》雜志上。金黃色葡萄球菌 的細菌是在醫院逗留期間，患者獲得性感染的最常見的原因之一。這些病原體特別成問題，因為它們可以在天然和人造表面上形成堅固的生物膜，很難從它們上去除。卡琳·雅各布斯(Karin Jacobs)解釋說：“這些生物膜中的單個細菌得到有效保護，免受抗生素或人類免疫系統的攻擊。這就是為什么當這些細菌定植在醫療植入物中時會如此危險，以至于它們可能引起嚴重的術后感染。”薩爾大學(Saarland University)實驗物理教授。因此，至關重要的是首先嘗試防止這些生物膜形成。

但是，為了能夠影響生物膜的生長，研究人員必須了解細菌粘附在不同材料上的機制。他們使用掃描原子力顯微鏡將微小的細菌細胞壓在不同類型的表面上，然后確定從表面提起粘附細胞所需的力。這種實驗配置使研究人員能夠記錄所謂的力距曲線。“我們使用了非常光滑的硅表面作為模型表面。在一組實驗中，制備的硅表面具有很高的水潤濕性;在另一組實驗中，它們被視為具有高度疏水性。我們能夠證明在細菌細胞 與親水性表面(水潤濕性)相比，它能更牢固地粘附在疏水性表面上，而水僅能從疏水性表面上滾落。”

但是，不僅僅是兩種表面類型之間的力大小不同，力-距離曲線的形狀也是如此(見圖)。雅各布斯教授說：“在疏水表面上，我們看到了具有特征杯形狀的非常平滑的曲線。相比之下，在親水表面上，我們觀察到了具有非常鋸齒狀輪廓的力-距離曲線。”

為了理解這些結果，這些復雜系統的動力學是使用蒙特卡羅模擬法建模的，該模擬法是由薩爾大學理論物理學教授Ludger Santen教授領導的研究小組進行的。該模型將細菌細胞視為一個剛性球體，并將細胞壁中的將分子束縛到表面的分子視為微小的彈簧。“事實證明，為了重現實驗結果，分子結合過程的隨機(隨機)性質所起的作用比試圖增加模型的復雜性更為重要。我們現在已經揭示了細菌細胞為何如此在不同類型的表面上的行為是如此不同。在疏水表面上，大量的細胞壁蛋白粘附在表面上，這導致強大的結合力并產生平滑的力距曲線。” Ludger Santen解釋說。

相反，在親水表面上，與細菌束縛在表面上的細胞壁蛋白要少得多。結果，細菌在表面上的保持力減弱，力-距離曲線的形狀不均勻。“我們在親水性表面看到的曲線的鋸齒狀是由于細胞壁上的一些分子被拉出而引起的。由于涉及的細胞壁蛋白較少，因此細菌與親水性表面的結合力較弱。” Maikranz，在他的博士研究工作中進行了蒙特卡洛模擬。

由于力-距離曲線的形狀不同，物理學家認為在親水表面上參與結合過程的細胞壁蛋白質較少，因為這些分子首先必須克服潛在的障礙，從而有效地減少了蛋白質大分子的數量。可以將細胞束縛在表面。“在親水性表面上粘附的潛在障礙相對較高，因此，只有少數細胞壁蛋白能夠在特定時間內克服這種能量障礙。但是，在疏水性表面上，該障礙很小，因此很多細胞壁 蛋白質可以直接粘附在表面上。”進行這項研究的克里斯蒂安·斯賓格勒博士解釋說。