为什么医院细菌与某些表面的结合要比与其他表面的结合更牢固

实验和理论物理研究的结果可能有助于改善抗菌表面。这项研究工作最近发表在《纳米尺度》杂志上。金黄色葡萄球菌 的细菌是在医院逗留期间，患者获得性感染的最常见的原因之一。这些病原体特别成问题，因为它们可以在天然和人造表面上形成坚固的生物膜，很难从它们上去除。卡琳·雅各布斯(Karin Jacobs)解释说：“这些生物膜中的单个细菌得到有效保护，免受抗生素或人类免疫系统的攻击。这就是为什么当这些细菌定植在医疗植入物中时会如此危险，以至于它们可能引起严重的术后感染。”萨尔大学(Saarland University)实验物理教授。因此，至关重要的是首先尝试防止这些生物膜形成。

但是，为了能够影响生物膜的生长，研究人员必须了解细菌粘附在不同材料上的机制。他们使用扫描原子力显微镜将微小的细菌细胞压在不同类型的表面上，然后确定从表面提起粘附细胞所需的力。这种实验配置使研究人员能够记录所谓的力距曲线。“我们使用了非常光滑的硅表面作为模型表面。在一组实验中，制备的硅表面具有很高的水润湿性;在另一组实验中，它们被视为具有高度疏水性。我们能够证明在细菌细胞 与亲水性表面(水润湿性)相比，它能更牢固地粘附在疏水性表面上，而水仅能从疏水性表面上滚落。”

但是，不仅仅是两种表面类型之间的力大小不同，力-距离曲线的形状也是如此(见图)。雅各布斯教授说：“在疏水表面上，我们看到了具有特征杯形状的非常平滑的曲线。相比之下，在亲水表面上，我们观察到了具有非常锯齿状轮廓的力-距离曲线。”

为了理解这些结果，这些复杂系统的动力学是使用蒙特卡罗模拟法建模的，该模拟法是由萨尔大学理论物理学教授Ludger Santen教授领导的研究小组进行的。该模型将细菌细胞视为一个刚性球体，并将细胞壁中的将分子束缚到表面的分子视为微小的弹簧。“事实证明，为了重现实验结果，分子结合过程的随机(随机)性质所起的作用比试图增加模型的复杂性更为重要。我们现在已经揭示了细菌细胞为何如此在不同类型的表面上的行为是如此不同。在疏水表面上，大量的细胞壁蛋白粘附在表面上，这导致强大的结合力并产生平滑的力距曲线。” Ludger Santen解释说。

相反，在亲水表面上，与细菌束缚在表面上的细胞壁蛋白要少得多。结果，细菌在表面上的保持力减弱，力-距离曲线的形状不均匀。“我们在亲水性表面看到的曲线的锯齿状是由于细胞壁上的一些分子被拉出而引起的。由于涉及的细胞壁蛋白较少，因此细菌与亲水性表面的结合力较弱。” Maikranz，在他的博士研究工作中进行了蒙特卡洛模拟。

由于力-距离曲线的形状不同，物理学家认为在亲水表面上参与结合过程的细胞壁蛋白质较少，因为这些分子首先必须克服潜在的障碍，从而有效地减少了蛋白质大分子的数量。可以将细胞束缚在表面。“在亲水性表面上粘附的潜在障碍相对较高，因此，只有少数细胞壁蛋白能够在特定时间内克服这种能量障碍。但是，在疏水性表面上，该障碍很小，因此很多细胞壁 蛋白质可以直接粘附在表面上。”进行这项研究的克里斯蒂安·斯宾格勒博士解释说。