ИФХЭ РАН

Болезни, вызываемые устойчивыми к антибиотикам бактериями, лечить сложно и иногда вовсе невозможно. По оценкам, из 8–9 млн смертей, вызванных бактериальными инфекциями, 1,27 млн вызваны антибиотико-резистентными бактериями, а ещё около 5 млн – осложнениями, причинами которых стала устойчивость бактерий к антибиотикам. Не обязательно, чтобы бактерия была устойчивой ко всем известным видам антибиотиков. Устойчивость к одному виду приводит к необходимости назначать больному второй антибиотик, который может вызывать побочные эффекты и удлиняет курс лечения, что ведет к еще большим побочным эффектам.

Поэтому большое значение приобретают альтернативные, не связанные с применением антибиотиков способы борьбы с болезнетворными бактериями, а также методы, которые сдерживают распространение болезнетворных микроорганизмов и препятствуют заражению людей. Один из них – создание бактерицидных (убивающих бактерии) и бактериостатических (не позволяющих бактериям размножаться) материалов.

Среди антибиотико-резистентных бактерий настоящими супермонстрами являются микробы, живущие в госпиталях, где их пытаются уничтожать самыми мощными антимикробными и дезинфицирующими средствами. Эти бактерии вызывают так называемые внутрибольничные инфекции – болезни, которыми люди заражаются в местах оказания медицинской помощи. Количество внутрибольничных инфекций резко выросло во время пандемии COVID-19.

Фото: Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН Александр Михайлович Емельяненко / © 2025 ИФХЭ РАН

— Скажите, пожалуйста, где в больницах находятся самые опасные места с точки зрения распространения инфекции?

— Многие больничные инфекции распространяются через так называемые поверхности касания – мебель, стены, ручки, кнопки лифтов, перила, медицинское оборудование, материалы и инструменты, – все, чего могут поочередно касаться больные и здоровые пациенты и персонал больниц. Поскольку болезнетворные бактерии мутируют и формируют устойчивость к антимикробным средствам быстрее, чем люди успевают эти средства совершенствовать, медицинские эксперты рекомендуют применять комплексный подход: одновременно разрабатывать вещества, которые будут усиливать действие антибиотиков и ослаблять развитие резистентности, и использовать немедикаментозные средства. Например, желательно создать материалы для поверхностей касания, которые обладают либо бактерицидным (то есть уничтожают бактерии), либо бактериостатическим (подавляют формирование биопленок и перенос бактериальных клеток) действием. Тогда микробы не будут передаваться от человека к человеку и антибиотики не потребуются. Известно, что многие металлы обладают некоторым бактерицидным действием. Например, в ХIХ веке ручки дверей в больницах делали из меди, а в воду многие хозяйки до сих пор кладут изделия из серебра.

Фото: Напыление меди на клавиши выключателей / © 2025 ИФХЭ РАН

— Это работает?

— Работает. При высоких концентрациях ионы большинства металлов цитотоксичны, то есть они препятствуют жизнедеятельности бактерий, например, через нарушение целостности бактериальной клетки, нарушение питания, угнетение дыхания или через подавление размножения. Цитотоксичность серебра, меди и повышенных концентраций цинка объясняют тем, что ионы металла связываются с бактериальными мембранами или белками, увеличивая проницаемость клеточных мембран. Через мембрану ионы попадают в цитоплазму, где изменяют функционирование клеточных органелл. Ионы металлов также способствуют образованию активных форм кислорода. В результате ферменты, необходимые для дыхания бактерий, деградируют; также разрушаются ДНК бактериальных клеток. В итоге клетки погибают.

— Как покрытие может повлиять на развитие бактерий на его поверхности?

— Бактерия, находящаяся внутри небольшого количества жидкости или аэрозоля, попав на поверхность, к этой поверхности прикрепляется. Для нас важнее всего первая стадия контакта бактерии с поверхностью. Если на первом этапе бактерия не сможет закрепиться на поверхности, никакого развития колонии не произойдет, и будет достигнут нужный результат – бактериальная чистота. Если бактерия закрепилась, бороться с ней сложнее, потому что она начинает размножаться, формируя биопленку и выделяя внеклеточные полимеры, которые экранируют бактерии от внешнего воздействия и от контакта с поверхностью. Тогда потребуются дополнительные химические и/или механические воздействия, чтобы предотвратить развитие колонии и перенос инфекции. Задача материаловедческого подхода – не допустить формирования биопленки. Проще уничтожить зло в зародыше, пока оно не успело набрать силу.

Фото: Капля на супергидрофобной поверхности / © 2025 ИФХЭ РАН

Следовательно, нам нужно предотвратить прикрепление, или, если использовать научный термин, адгезию бактерии к поверхности. Для этого мы создаем поверхности с определенной текстурой и химическим составом. Исследования, проведенные в нашей научной группе под руководством академика РАН Людмилы Борисовны Бойнович, показали, что наибольший эффект в борьбе с распространением инфекций дают материалы с экстремальным смачиванием. Есть два экстремальных режима смачивания – супергидрофобность и супергидрофильность.

— Что это означает?

— Все, наверное, видели, как прохладным летним утром на стеблях травы блестят капли росы. На одних травинках они выглядят как слегка сплющенные шарики. Если травинку покачать, то они скатятся, оставаясь капельками. А на других листьях вода растекается пленкой и никаких шариков-капелек не наблюдается. Так вот, супергидрофобность – это ситуация, когда жидкость образует почти шарообразные капли, которые скатываются с поверхности даже при самом незначительном наклоне. Супергидрофильность – противоположный случай, когда жидкость растекается очень тонким слоем.

— Какая поверхность более интересна?

— Для супергидрофильных материалов быстрее происходит растворение металла в контактирующей жидкости и возникает наибольшая концентрация ионов, о цитотоксичности которых я уже говорил. Также при растворении меняется кислотность среды. В зависимости от того, с какими бактериями мы имеем дело, можно найти ту область значения кислотности, при которой наблюдаются бактерицидные и бактериостатические эффекты. Поэтому полное растекание попадающих на поверхность капель – например, слюны, мочи или крови – способствует быстрому контактному уничтожению содержащихся в них бактерий. Интересно, что супергидрофильные материалы работают и при контакте с большими объёмами биологической жидкости.

Супергидрофильная медная пластинка, опущенная в ёмкость с бактериальной дисперсией, не только обеспечивает уничтожение бактерий, оседающих на её поверхности, но и за несколько часов очищает от микробов весь объём жидкости. Супергидрофобные материалы обладают антикоррозионными свойствами. Концентрация цитотоксичных ионов в жидкости будет наименьшей, но в данном случае капли биологических жидкостей вместе с содержащимися в них бактериальными клетками скатываются с поверхности, что способствует более длительному сохранению бактериальной чистоты поверхности. Поскольку поверхность водоотталкивающая, контакт между подложкой и каплей будет иметь меньшую площадь, следовательно, меньше будет возможностей для адгезии бактерий.

Интересно, что при вынужденном длительном контакте супергидрофобных покрытий с бактериальной средой включаются некоторые механизмы, характерные для супергидрофильных поверхностей, например, контактное уничтожение клеток и бактерицидное действие накопленных в растворе ионов. Мы наблюдали такое отложенное антибактериальное действие для медной супергидрофобной поверхности. Известные противокоррозионные свойства супергидрофобных поверхностей позволяют значительно повысить их устойчивость к внешним воздействиям и увеличить срок службы.

Мы научились создавать состояние экстремального смачивания практически на всех металлических, а также на многих полимерных и композитных материалах. Проведенные лабораторные исследования и начатые эксперименты в стационарах показали, что материаловедческие подходы, направленные на создание необходимой морфологии и химического состава поверхностей материалов, открывают новые возможности для немедикаментозного решения проблемы больничных инфекций.

Бактерия на лазерно-текстурированной поверхности / Фото: © 2025 ИФХЭ РАН, Евгений Модин

— Долго ли вы работали над этим проектом?

— Разработки, связанные с приданием поверхности супергидрофобных или супергидрофильных свойств, в лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН ведутся давно. Эксперименты с антибактериальными покрытиями мы начали в июле 2023 года. Над задачей работал очень большой коллектив: сотрудники лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН, других лабораторий нашего института, врачи из городской клинической больницы, микробиологи из ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава РФ и специалисты по электронной микроскопии из НИЦ «Курчатовский институт» и из ИОНХ РАН. Это большой проект, поддержанный грантом Российского научного фонда для лабораторий мирового уровня (грант N 23–73–30004 «Лазерные стратегии в инновационном материаловедении: от авиации и теплоэнергетики до медицины и машиностроения»).

Результаты экспериментов, проходившие в течение года, показали, что наблюдается статистически достоверный и заметный антибактериальный эффект. Например, в больнице мы делали смывы с кнопок лифтов, на поверхностях трёх типов: супергидрофобной меди, супергидрофильной меди и гладкой меди. Бактерий было обнаружено как минимум втрое меньше, чем на штатных кнопках из нержавеющей стали. Подобные результаты были получены и для других наших поверхностей.

Большие перспективы открывает сочетание разных покрытий. Например, установлено, что одно из самых грязных мест в больнице – это поднос, на который больные ставят баночки с анализами. Мы предложили сделать его супергидрофобным, а ёмкость, в которую будут стекать жидкости, наоборот, сделать супергидрофильной, чтобы быстро запускался механизм растворения и перехода ионов металлов в раствор.

Хотя мы не наносим на поверхность какое-то вещество, имеющее бактерицидные свойства, а обрабатываем поверхность так, что она сама будет обладать антибактериальными свойствами, и можно использовать дополнительные механизмы уничтожения бактерий. Иерархическая пористая структура или шероховатость поверхности позволяют инкапсулировать, например, бактериофаги или антисептики, чтобы усилить антимикробные свойства.

— Но поверхность неизбежно будет загрязняться. Как загрязнение отразится на её антимикробных свойствах?

— Полученные поверхности показали себя достаточно устойчивыми к мытью. Кроме того, поскольку в больницах регулярно проводится кварцевая обработка, ультрафиолет частично разрушает загрязнение и восстанавливает свойства поверхности.

— Как скоро будут внедрены такие поверхности?

— Лазерная обработка поверхности для придания ей супергидрофобных и супергидрофильных свойств – это существующая промышленная технология. Поэтому можно ожидать её внедрения в ближайшем будущем, как только технология будет опробована в большом количестве медицинских учреждений и Минздрав России примет соответствующее решение.

В других источниках:
Сетевое издание Коммерсантъ. Наука 23/01/2025