Por serem flexíveis, as nanoestruturas de alta proporção armazenam energia elástica. Quando liberada, essa energia pode ser usada para destruir bactérias esticando e rompendo fisicamente suas membranas celulares. Essa técnica foi inspirada na natureza bactericida das asas dos insetos e destrói bactérias Gram-positivas e Gram-negativas em taxas extremamente altas. As nanoestruturas podem criar um novo tipo de superfície antibacteriana altamente eficiente e responsiva a mecanismos.

A resistência aos antibióticos é um problema crescente em todo o mundo. Na Europa, por exemplo, cerca de 25,000 pessoas morrem todos os anos de infecções bacterianas resistentes. Sem novos agentes antibacterianos, procedimentos e operações médicas de rotina podem se tornar impossíveis em breve.

Superfícies antibacterianas são usadas para prevenir a formação de biofilmes bacterianos em uma variedade de superfícies, incluindo ferramentas médicas e implantes. Até agora, eles geralmente funcionavam graças a um revestimento químico que libera lentamente um agente biocida e mata as bactérias que entram em contato com ele. Essa abordagem tem algumas desvantagens, no entanto, a principal delas é que as bactérias podem desenvolver resistência ao longo do tempo.

Asas de cigarra são bactericidas naturais

Uma equipe de pesquisadores liderada por Elena Ivanova da Universidade RMIT em Melbourne, na Austrália, descobriu recentemente que as asas de cigarra, que são cobertas com conjuntos de pilares de aproximadamente 200 nm de altura e 60 nm de diâmetro, são altamente bactericidas. Esta propriedade é puramente físico-mecânica – as membranas das células das bactérias se esticam e se rompem entre os pilares, que é o ponto submetido ao maior estresse mecânico.

Os pesquisadores descobriram que a eficiência bactericida das superfícies nanoestruturadas depende do espaçamento e tamanho das nanocaracterísticas. Isso sugere que os nanopadrões podem ser modificados para aumentar as propriedades antibacterianas das superfícies, dependendo de qual tipo de bactéria precisa ser tratada. Células bacterianas gram-negativas como Pseudomonas aeruginosa, por exemplo, são destruídos com relativa rapidez nas asas da cigarra, enquanto as bactérias Gram-positivas, como Staphylococcus aureus são mais tenazes, pois resistem melhor ao processo de estiramento. As diferenças nos dois tipos de bactérias podem vir das propriedades mecânicas das próprias membranas das células bacterianas.

Inspirados por essas nanoestruturas naturais, Ivanova e seus colegas decidiram projetar superfícies semelhantes usando nanotubos de carbono alinhados verticalmente de alta proporção (VACNTs) cultivados por deposição de vapor químico como pilares. Os nanotubos de carbono são muito atraentes para aplicações de biotecnologia graças à sua alta resistência e rigidez e alta condutividade elétrica e térmica. Os VACNTs, que compartilham muitas das mesmas propriedades dos CNTs, também são altamente flexíveis e resilientes e podem ser facilmente funcionalizados usando um tratamento de plasma. Eles podem ser feitos em diferentes comprimentos, ajustando os tempos de crescimento, o que permite controlar sua rigidez à flexão e, portanto, a quantidade de energia elástica que armazenam.

Nanotubos mais curtos são os melhores

Quando os VACNTs entram em contato com uma célula bacteriana, eles se dobram e liberam sua energia elástica. Essa flexão estica a membrana da célula bacteriana e a destrói, matando assim as bactérias.

Os pesquisadores observaram o efeito bactericida dos nanotubos usando uma variedade de técnicas, incluindo microscopia eletrônica de varredura por feixe de íons (FIB-SEM) e microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM).

“Descobrimos que nanotubos mais curtos, com cerca de 1 mícron de comprimento, são mais eficientes na inativação de bactérias graças à sua capacidade de armazenar e liberar mais energia elástica em comparação com tubos mais longos”, diz Ivanova. “Conseguimos taxas bactericidas de até 99.3% para P. aeruginosa e 84.9% para S. aureus modificando os comprimentos dos VACNTs, o que nos permitiu determinar o comprimento ideal para matar com eficiência diferentes tipos de bactérias.”

Uma nova plataforma para combater a resistência aos antibióticos

“Modular as características do CNT dessa maneira melhorará ainda mais nossa compreensão dos mecanismos mecanobactericidas. Também mostra que a atividade antibacteriana de nanorecursos de alta proporção pode superar tanto superfícies bactericidas naturais quanto outras superfícies multifuncionais nanoestruturadas sintéticas relatadas anteriormente.

“Na verdade, acreditamos que esses recursos de alta proporção são promissores como uma nova plataforma para combater a resistência a antibióticos em bactérias patogênicas”, diz ela. Mundo da física.

A equipe, relatando seu trabalho em ACS Nano 10.1021/acsnano.8b01665, diz que agora está ocupado otimizando a altura de seus nanopadrões de alta proporção para torná-los mais eficientes contra uma ampla gama de bactérias.