Елена Иванова из Суинбёрнского технологического института (Австралия) и её сотрудники выяснили, что чёрный кремний является бактерицидным материалом — настолько блистательным, что убивает как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии.

Чёрный кремний был открыт в 1980-х как неожиданный побочный продукт процесса реактивного ионного травления. По сути, это монокристаллический кремний, покрытый сплошным покровом наноиголок высотой около 10 мкм и диаметром менее 1 мкм.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слева — поверхность чёрного кремния, справа — крыльев Diplacodes bipunctata. Хотя они и разнятся, их бактерицидные качества очень близки. (Здесь и ниже иллюстрации Elena P. Ivanova et al.)

Г-жа Иванова сообщает, что, разместив на поверхности этого материала разнообразные группы бактерий, наблюдала их гибель с впечатляющей скоростью в 450 тыс. бактерий в минуту на квадратный сантиметр. При этом процесс не имел никакой химической подоплёки, ибо всё происходило за счёт лишь механических свойств «утыканного» микроиголками кремния.

Чтобы наверняка проверить, нет ли связи между химсоставом поверхности и её способностью к уничтожению микробов, учёные сравнили эффективность чёрного кремния с поверхностью крыльев стрекоз вида Diplacodes bipunctata. Как оказалось, они обладают сходной микроструктурой, хотя, естественно, «сделаны» не из кремния. Тесты показали, что оба типа поверхностей почти одинаково опасны для бактерий; это позволяет уверенно говорить о механической природе их бактерицидности. И даже контрольное покрытие обеих поверхностей тонким слоем золота, резко преобразившее их химический состав, не привело к изменению ситуации с массовой гибелью бактерий.

Хотя в экспериментах на чёрном кремнии выращивались лишь золотистый стафилококк (весьма, напомним, устойчивый к большинству антибиотиков), а также сенная и синегнойная палочки, авторы работы уверены, что бактерицидные свойства такой поверхности будут устойчиво воспроизводиться и по отношению к другим видам микробов. Дело в том, что форма микроорганизмов на таких поверхностях заметно отличалась от их формы на стекле и гладком кремнии, и, по мнению исследователей, именно эта механическая деформация, обусловленная микроиглами чёрного кремния и поверхности крыльев стрекозы, в конечном счёте разрушала клеточные стенки. Причём одинаково гибельными они были и для грамотрицательных, и для грамположительных бактерий (притом,  что клеточные стенки у вторых обычно в 4–5 раз толще). Летальными обе поверхности были и для спор сенной палочки,  хотя обычно споры куда менее уязвимы, чем сами  микроорганизмы.

5

 

 

 

 

 

 

 

 

Все три группы бактерий и споры сенной палочки на ровных поверхностях (вверху, a–h) выглядят нормальными, в то время как на чёрном кремнии и крыльях стрекоз (внизу) они деформированы контактом со множеством микроигл.

Помимо чисто теоретической ценности исследования, впервые обнаружившего бактерицидные свойства как чёрного кремния, так и гидрофильных абиогенных поверхностей вообще, авторы заявляют о его существенной практической значимости: чёрный кремний довольно легко получать в больших количествах уже сегодня, благо методы его производства широко применяются в электронной промышленности. Что ещё важнее, убийственный эффект поверхностей не зависит от их состава, и, кроме монокристаллического кремния, подобным образом можно структурировать покрытия едва ли не из любого материала, используя их в больницах и медучреждениях для стерильных помещений и профилактики внутрибольничных инфекций. Насколько это важно, объяснять никому не надо, потому что в тех же США или России от подобных инфекций ежегодно погибает несколько десятков тысяч человек. Просто потому, что они оказались в больнице не в то время и не в том месте, а не по причине своей болезни.

Отдельно стоит заметить, что широкое внедрение подобных поверхностей вряд ли будет сопровождаться появлением устойчивых к ним микроорганизмов, как это, к сожалению, происходит с антибиотиками. Кроме нехимической природы такого воздействия, резко отличающейся от механизмов работы антибиотиков, в этом убеждает и то, что крылья стрекоз, существующие сотни миллионов лет, всё ещё остаются вполне смертельными для бактерий.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications (доступен полный текст).