實(shí)驗(yàn)和理論物理研究的結(jié)果可能有助于改善抗菌表面。這項(xiàng)研究工作最近發(fā)表在《納米尺度》雜志上。金黃色葡萄球菌 的細(xì)菌是在醫(yī)院逗留期間，患者獲得性感染的最常見(jiàn)的原因之一。這些病原體特別成問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢栽谔烊缓腿嗽毂砻嫔闲纬蓤?jiān)固的生物膜，很難從它們上去除。卡琳·雅各布斯(Karin Jacobs)解釋說(shuō)：“這些生物膜中的單個(gè)細(xì)菌得到有效保護(hù)，免受抗生素或人類免疫系統(tǒng)的攻擊。這就是為什么當(dāng)這些細(xì)菌定植在醫(yī)療植入物中時(shí)會(huì)如此危險(xiǎn)，以至于它們可能引起嚴(yán)重的術(shù)后感染。”薩爾大學(xué)(Saarland University)實(shí)驗(yàn)物理教授。因此，至關(guān)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(zhǎng)，研究人員必須了解細(xì)菌粘附在不同材料上的機(jī)制。他們使用掃描原子力顯微鏡將微小的細(xì)菌細(xì)胞壓在不同類型的表面上，然后確定從表面提起粘附細(xì)胞所需的力。這種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，制備的硅表面具有很高的水潤(rùn)濕性;在另一組實(shí)驗(yàn)中，它們被視為具有高度疏水性。我們能夠證明在細(xì)菌細(xì)胞 與親水性表面(水潤(rùn)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(jiàn)圖)。雅各布斯教授說(shuō)：“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(jié)果，這些復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)是使用蒙特卡羅模擬法建模的，該模擬法是由薩爾大學(xué)理論物理學(xué)教授Ludger Santen教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)行的。該模型將細(xì)菌細(xì)胞視為一個(gè)剛性球體，并將細(xì)胞壁中的將分子束縛到表面的分子視為微小的彈簧。“事實(shí)證明，為了重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分子結(jié)合過(guò)程的隨機(jī)(隨機(jī))性質(zhì)所起的作用比試圖增加模型的復(fù)雜性更為重要。我們現(xiàn)在已經(jīng)揭示了細(xì)菌細(xì)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(xì)胞壁蛋白粘附在表面上，這導(dǎo)致強(qiáng)大的結(jié)合力并產(chǎn)生平滑的力距曲線。” Ludger Santen解釋說(shuō)。

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

由于力-距離曲線的形狀不同，物理學(xué)家認(rèn)為在親水表面上參與結(jié)合過(guò)程的細(xì)胞壁蛋白質(zhì)較少，因?yàn)檫@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(zhì)大分子的數(shù)量?？梢詫⒓?xì)胞束縛在表面。“在親水性表面上粘附的潛在障礙相對(duì)較高，因此，只有少數(shù)細(xì)胞壁蛋白能夠在特定時(shí)間內(nèi)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(xì)胞壁 蛋白質(zhì)可以直接粘附在表面上。”進(jìn)行這項(xiàng)研究的克里斯蒂安·斯賓格勒博士解釋說(shuō)。