Biografia bioispirata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13290 (2023) Citare questo articolo

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Imitando approssimativamente il design architettonico della superficie delle ali della libellula, nuovi nanofiori 3D bifasici di MgO/Mg(OH)2 sono stati sintetizzati con successo tramite la tecnica dell'elettrofilatura. I nanofiori 3D sono stati rivestiti su una spugna di melamina commerciale e ampiamente caratterizzati da SEM, XRD, FTIR ed EDS. La formazione di nanopetali 3D densi distinti è stata rivelata da immagini SEM per cui lo spessore medio dei petali e la distanza media tra i petali adiacenti sono risultati essere rispettivamente di 36 nm e 121 nm. Le attività battericide delle spugne di melamina rivestite con nano-fiori 3D sintetizzati sono state valutate contro cinque diversi batteri (Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae e Pseudomonas aeruginosa). Questo studio ha dimostrato una significativa attività battericida dei nanofiori 3D MgO/Mg(OH)2 rivestiti con MS contro batteri Gram-positivi e Gram-negativi. I meccanismi battericidi plausibili includono la deformazione dell’involucro, la penetrazione e l’induzione dello stress ossidativo. Questo studio introduce un nuovo biomateriale bioispirato con la capacità di ridurre il rischio associato a infezioni batteriche patogene, in particolare nei dispositivi medici.

Le superfici antibatteriche sono molto richieste per applicazioni biomediche volte a ridurre le infezioni associate ai dispositivi medici impiantati, che costano quasi 5-10 miliardi di dollari all’anno1. Diverse nanoparticelle come quella di ossido di titanio, ossido di zinco e ossido di argento hanno mostrato una ragionevole attività battericida verso un ampio spettro di ceppi batterici2,3. Tuttavia, gli effetti citotossici associati all’accumulo di nanoparticelle a base di elementi di metalli pesanti nel corpo umano hanno sollevato serie preoccupazioni contro il loro utilizzo come agenti battericidi4,5. Sebbene il rivestimento di dispositivi biomedici con agenti biocidi come argento e antibiotici sia un approccio biochimico convenzionale; allo stesso tempo, l’uso eccessivo di antibiotici rende i batteri resistenti ai farmaci e provoca infezioni croniche6. È stato stimato che quasi il 10% dei pazienti sottoposti a chirurgia implantare sviluppa infezioni batteriche acute che causano in media 0,1 milioni di decessi negli Stati Uniti7. Una volta che l'infezione si verifica nell'interfaccia biomedica impianto-tessuto, la rimozione del dispositivo medico e/o dell'impianto tramite intervento chirurgico secondario diventa inevitabile. Ciò non solo causa disagio al paziente ma aumenta anche i costi sanitari8. Con l’uso eccessivo di antibiotici, la sempre crescente comparsa di ceppi batterici resistenti agli antibiotici ha reso necessaria la scoperta di nuove strategie antibatteriche e agenti battericidi9.

Negli ultimi dieci anni, la modificazione delle superfici su scala nanometrica ha offerto nuove strade per la creazione di topografie antibatteriche ingegnerizzate10. Ad esempio, solchi, creste e strutture basate su increspature hanno mostrato un enorme potenziale nel mitigare la formazione di biofilm riducendo l'adesione batterica 10,11. Recentemente, la scoperta dell'attività biocida di nano-architetture naturali ad alto rapporto d'aspetto che appaiono sulla superficie delle ali di insetti come cicale e libellule ha innescato la ricerca per nuove topografie di nanomateriali antibatterici12. Le interazioni fisiche tra gli agenti patogeni attaccati e le topografie su scala nanometrica guidano l'attività antimicrobica di tali superfici13. Oltre alle ali degli insetti, altre superfici naturali anti-biofouling e autopulenti includono foglie di riso14, foglie di loto15, pelle di geco16 e pelle di squalo17,18. Ispirate alla nanoarchitettura battericida dei materiali naturali, sono state sviluppate con successo nanoprotrusioni in titanio19,20, oro21, diamante22, silicio nero23 e poli(metilmetacrilato)24. Quasi tutte queste nano-architetture artificiali mostrano un’eccellente attività biocida sia nei confronti dei batteri Gram-positivi che nei confronti dei Gram-negativi.