Существует, например, тесная взаимосвязь между материалами и электричеством. Например, на основе феномена электризации трения фрикционный наногенератор, который преобразует механическую энергию в электрическую, может быть успешно подготовлен путем выбора подходящих материалов и схем. Когда к материалу прикладывается электрическое поле, Это может повлиять на многие аспекты материала, такие как изменение количества заряда и распределения заряда материала. Напротив, менее известно, что биологические клетки также постоянно подвергаются интенсивной, нежной, активной электрической активности. Производство энергии, необходимой для поддержания метаболизма, достигается за счет переноса электронов между рядом белков в дыхательной цепи. Связанные с респираторной цепью белки эукариотических клеток расположены в митохондриях, а респираторные цепные белки микроорганизмов, таких как бактерии Расположен на клеточной мембране, поэтому микроорганизмы более чувствительны к внешним электрическим возмущениям.
Многие имплантированные материалы могут быть физически модифицированы или химически модифицированы на поверхности, чтобы получить определенную степень антибактериальной эффективности и, таким образом, более адаптируемую к потребностям имплантации. Механизм действия этих модификаций может все подпадать под «электричество». Например, в материалах на основе титана Поверхность имплантируется ионной имплантацией серебром, цинком и другими наночастицами. Титановая подложка может приобретать антибактериальные свойства благодаря микроскопическим электрохимическим реакциям с титановой подложкой вокруг наночастиц серебра и цинка. Другим примером является химическая модификация поверхности материала. Модификация положительно заряженного полимера для изменения заряда на поверхности материала также может обеспечивать антибактериальные свойства материалов, которые не обладают антибактериальной активностью. Кроме того, электрические поля могут быть непосредственно применены к поверхности наноматериалов из-за небольшого размера наноматериалов. Высоковольтное электрическое поле может быть сформировано на поверхности, чтобы вызвать электропорацию бактерий, а также может вызвать стерилизацию.
Недавно Пекинский институт наноэнергетики и систем Китайской академии наук открыл и подтвердил в эксперименте новый способ работы с материалами, которые могут достичь антибактериальных свойств. Результаты исследования были опубликованы 24 мая в Nature-Communications. (Nature Communications) (DOI: 10.1038 / s41467-018-04317-2).
Это исследование показало, что исследование было основано на исследовательской работе Ли Чжоу и Ван Чжунлинь из Института наноэнергии в совместных исследованиях Nano Energy в 2017 году. Первым автором был помощник научного сотрудника Фэн Хунцин. В этой работе они Собирая энергию волны выходного напряжения на выходе из фрикционного наногенератора, ток подключается к электроду угольной ткани, модифицированному нанопроводами оксида цинка и наночастицами серебра, и позволяет бактериальному раствору течь из углеродной ткани в электрическое поле. Они обнаруживают работу генератора. Когда напряжение и ток подаются, бактерии, которые прошли через систему, погибают. После того, как генератор перестает работать, и система больше не работает, они продолжают обнаруживать, что бактерии погибают в течение определенного периода времени. Они обнаружили странное явление. Явление: в течение 20 минут после того, как генератор перестанет подавать питание, электрод из углеродной ткани, модифицированный оксидом цинка и нано-серебром, по-прежнему оказывает сильное воздействие на бактерии, протекающие через них! Если нет источника питания перед генератором Такой же электрод из углеродной ткани, модифицированный оксидом цинка и наносиликом, не обладает таким сильным бактерицидным эффектом. Поскольку бактериальный раствор этой экспериментальной системы протекает только один раз Электроды, электрохимические продукты, которые могут возникать при подаче энергии, протекали вместе с предыдущим раствором, поэтому антибактериальные свойства после выключения не вызваны остаточными электрохимическими продуктами, а электрическим полем, вызванным «остаточными эффектами» материала. Исследователи обнаружили, что чем больше емкость материала электрода (двойная модификация оксида цинка на основе оксида цинка, единственная модификация оксида цинка> оригинальная углеродная ткань), тем сильнее долгосрочная антибактериальная эффективность после этого отказа питания. В то же время после выключения питания В организме бактериальных клеток был обнаружен сильный ROS-сигнал.
На этой основе Фэн Хунцин направил докторанту Ван Мин для проведения экспериментальной работы. Группа Ли Чжоу Института наноэнергетики и группа Zhu Jianhao City University of Hong Kong тесно сотрудничали, чтобы провести систематическое исследование этого явления. В этом исследовании, Они использовали новую антибактериальную систему и новые емкостные электродные материалы: от оригинальной системы динамического потока до системы статической обработки, для изменения углеродного материала использовался емкостный материал на основе нанотрубок из диоксида титана, чтобы увеличить емкость материала. Обычные источники питания постоянного тока и переменного тока заряжают материал электрода и обнаруживают антибактериальные свойства электрода после выключения питания. В соответствии с выводами Nano Energy они также обнаружили в новой системе, что электрическое поле действительно дает оригинальный антибактериальный Емкостные материалы обладают новыми антибактериальными свойствами, а антибактериальная способность положительно связана с емкостью материала. В дополнение к использованию предыдущих наногенераторов для питания использование обычного источника постоянного тока переменного тока может приводить к таким эффектам: в обработанных бактериальных клетках In vivo также был обнаружен активный кислородный сигнал. Исходя из этого, они подтвердили, что зарядка может дать оригинальную не-антибактериальную емкость Антибактериальные свойства материалов являются универсальным явлением. Они назвали это явление «послезарядным антибактериальным свойством». Они также обнаружили, что заряд этой операции против диоксида титана, легированного углеродом Биосовместимость поверхности не вызывала никаких неблагоприятных эффектов и даже способствовала адгезии и росту остеобластов на субстрате.
Открытие и подтверждение «антибактериальных свойств после зарядки» дает новый метод придания антибактериальным свойствам медицинских материалов имплантатов. Например: помимо традиционных физических и химических методов модификации поверхности, люди просто заряжают Антибактериальные свойства диоксида титана на имплантированных ортопедических материалах могут быть уменьшены, что снижает риск послеоперационных инфекций и осложнений. Этот новый метод «антибактериального после зарядки» также может избежать негативных последствий традиционных методов физической и химической модификации. Содействовать адгезии и росту остеобластов на поверхности имплантатов, что очень полезно для восстановления после перелома. В то же время открытие феномена «антибактериального после зарядки» также заставляет людей думать о электричестве, материалах и биологии. С новым пониманием взаимодействий можно надеяться, что будет разработано больше программ электрических модификаций материалов, и будет использовано больше применений. Более глубокий механизм этого явления заслуживает дальнейшего изучения. Эта работа является примером Фэн Цинцин и Ван Гоминь. Автор книги Ли Чжоу и Чжу Цзяньхао, исследователь Института передовых технологий Китайской академии наук Ван Хуайю, автор статьи бок о бок.
Рисунок 1 При использовании наногенераторов для экспериментов по стерилизации электропораций воды было установлено, что после того, как электрическое поле было применено к электродам ZnO / Ag, электроды с обесточенным электродом все еще имели способность убивать бактерии. Емкость материалов и эффект стерилизации после выключения Положительная корреляция.
Рисунок 2. Механизм «антибактериального эффекта после зарядки». Переносимая передача заряда между положительным электродным листом и бактериями после зарядки вызывает взрыв ROS и вызывает гибель бактерий. Это может быть вызвано этим явлением. причины.
