科学家们已经确定，蝉和蜻蜓等昆虫的翅膀具有抗菌特性，因为这些昆虫的翅膀上具有纳米柱，细菌一旦接触到就会死亡，然而，纳米柱的抗菌原理尚且不为人知。
2020年4月2日，Nature 子刊 Nature Communications 杂志在线发表了来自英国布里斯托大学的一篇题为：Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress 的研究论文。
在高分辨率的扫描显微镜下，研究人员发现，蜻蜓翅膀的抗菌机理来自于表面纳米柱对细菌的包膜变形与渗透过程。
蜻蜓翅膀可以杀菌
除蝉外，蜻蜓翅膀也已被证明具备有效的杀菌性能。研究人员发现，一种名为Diplacodes bipunctata的澳大利亚红色蜻蜓的翅膀能够同时杀死革兰氏阴性菌以及革兰氏阳性菌，其翅膀上的纳米柱会增强细胞壁的应力，甚至使之变形，从而形成杀菌效果。
注：革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌是利用革兰氏染色法来鉴别的两大类细菌。大多数化脓性球菌都属于革兰氏阳性菌，它们能产生外毒素使人致病，而大多数肠道菌多属于革兰氏阴性菌，它们产生内毒素，靠内毒素使人致病。
为了保证手术植入物的抗菌性，医生们会将这些植入物提前浸入抗生素中，然而，鉴于蝉和蜻蜓翅膀具有独特的杀菌性能，科学家们想要利用这种性质设计出具有抗菌效果的植入物材料，从而有效解决临床上的细菌感染问题。
二氧化钛纳米柱与蜻蜓翅膀
为了更好地理解和验证纳米柱的抗菌机制，科研团队使用电子断层扫描技术对纳米柱杀菌过程进行3D重建，随后，又通过蛋白质组学分析深入了解纳米柱表面的分子变化，另外，使用细菌生存力测定法来定量测量金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌在二氧化钛纳米柱表面的生存力。注：钛合金纳米柱多被用于整形外科的植入物。
在850°C下氧化5分钟后，如下图所示，二氧化钛表面的纳米形貌与在蜻蜓翅膀上的非常相似。下图a为二氧化钛纳米柱的俯视图，b为斜视图。
包膜变形与渗透过程
在高分辨率的扫描显微镜（SEM）下，研究人员观察到二氧化钛纳米柱上的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌都出现了包膜变形现象，其中，“包膜变形”被定义为：纳米柱以接触方式压入或改变细菌包膜的表面形态的过程。如下图所示，白色箭头所指即为包膜变形区域。
随后，研究人员使用透射电子显微镜（TEM）发现，纳米柱上的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌出现了包膜变形和包膜渗透现象，对于肺炎克雷伯菌，纳米柱在11％的细胞中诱导了包膜变形，同时渗透了8％的细胞。类似的，“包膜渗透“被定义为纳米柱穿透细菌包膜的能力，该过程破坏细胞质与细胞外环境之间的屏障。如下图所示，白色箭头所指即为包膜渗透处。
制造抗菌植入物
历史研究认为，翅膀表面的纳米柱可以刺穿细菌细胞，导致细胞的机械裂解，从而达到抗菌的效果。
然而，本研究却提出了反驳，经过观察与分析，科学家们认为纳米柱的抗菌原理实际上受到多因素影响，其中关键的两个过程为包膜变形与细胞渗透，它们分别由物理阻抗的累积效应和氧化应激所诱导。
最后，作者指出，“在了解纳米柱破坏细菌的机制后，下一步是将这一知识应用于设计和制造具备抗菌性能的临床纳米植入物之中。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15471-x
