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微生物，特别是引起疾病的细菌，当它们抓住表面时会引起各种各样的破坏。如果使用适量的清洁剂不能快速清除它们，它们可以快速繁殖并对一些清洁剂甚至抗生素产生抗性。这些“超级细菌”，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)，难以治疗，并且可以在医疗环境等地方获得立足点。
工程和计算机科学学院生物医学和化学工程系(BMCE)和Syracuse生物材料研究所(SBI)的Dacheng Ren教授和他的研究团队正在设法阻止微生物的传播，他们可能会找到了解决方案。
在最近的一项研究中，研究人员与James Henderson副教授(也在BMCE和SBI)的实验室合作，发现使用具有地形图案作为表面的变形聚合物可有效降低微生物的附着力，并可去除高达99.9附着细胞的百分比。
结果发表在ACS应用材料与接口杂志的文章“通过形状记忆激活按需去除细菌生物膜”中。同时参与该项目的博士后研究人员是Huan Gu，Sang Won Lee和Shelby Lois Buffington。
“微生物喜欢附着在表面上，”Ren说。“基本上任何地方都有水，你可以拥有一个所谓的生物膜 - 一组粘在一起的微生物细胞。它们还会产生一种聚合物基质，为它们提供保护。”
由于多种原因，这使它们成为问题。
“最重要的是杀死它们非常困难。一旦它们聚集在一起并形成生物膜，你需要多达1000倍的抗菌剂 - 如抗生素和其他清洁剂 - 来杀死它们，”Ren说。
第二个问题与他们的亲密关系有关。“他们可以分享基因和周围的DNA。一旦细胞对某些物体产生抗性，另一种细胞就会变得耐药，”Ren说。“他们可以教别人，因为他们彼此如此接近。”
Ren说，Biofilm确实是微生物的城市。“生物膜保护它们并使它们能够在压力下生存并随着时间推移变异并对我们使用的控制剂，特别是抗生素产生永久性抗性。这就是为什么我们需要担心它们，”他说。
该领域的研究人员正在研究如何设计一种材料或表面，使其不易受微生物粘附和生物膜形成的影响，使其不那么受欢迎。Ren的小组早期发表的文章表明，工程表面地形可能会产生影响。
“就像你喜欢在某些表面上行走而你不喜欢在其他表面上行走一样，微生物也是一样的，”Ren说。“你明白他们喜欢什么，并设计表面，所以他们不会来。这是策略之一。”
在该特定论文中，Ren和他的团队在表面上使用六边形图案将生物膜减少了约50%。然而，由于它不能提供全面预防，随着时间的推移，微生物可以慢慢接管。这是控制它们的挑战 - 在静态表面上它只能工作一段时间。
“我们的动机是创造一个在生物膜形成后可能发生变化的表面，”Ren说。“这种方法我们做了一些不同的事情;我们在需要时改变了表面，这样你就可以将它们从表面上滑下来了。”
表面具有一定的地形，然后突然另一个 - 在此过程中基本上破坏了微生物在表面上的抓地力。Ren和他的团队使用过之前创建的材料，但他们发现了一种使用动态地形进行生物污垢控制的新方法。“我们最终改变了地形，使用已知具有生物相容性的现有材料，这意味着它不会杀死细胞，”Ren说。
这类聚合物具有永久形状和临时形状。“你开始使用这种临时形状的应用，因此你可以在减少粘附方面取得一些成功。但细菌细胞仍然可以随着时间的推移附着在它上面并生长生物膜，此时，最初的地形已失去其功能，”Ren说。“但是，我们可以在几分钟内触发表面形貌的变化。如果你有一个显微镜，你可以看到你眼前的变化。然后你可以看到细胞脱落。”
根据国家科学基金会和美国国立卫生研究院支持的先前研究，与静态平板对照相比，最近的工作减少了铜绿假单胞菌生物膜99.9%。它还成功地去除了金黄色葡萄球菌和可导致尿路感染的大肠杆菌菌株的生物膜。
该形状记忆聚合物领域已由材料科学家研究，现在该技术可用于生物工程领域以控制污染。
“这是聚合物科学与材料科学和微生物学的良好跨学科应用，”Ren说，注意到亨德森实验室在当前研究中所做的工作。“这是协同工作。亨德森集团在形状记忆聚合物方面拥有更多经验，他帮助我们描述了聚合物的一些特征。”
一些形状记忆聚合物也可以设计成具有两个以上的阶段。“最终我们想做一些可以循环的事情，”Ren说。“下一步是将这种材料应用于更复杂或更复杂的形状变化方式的更新颖的材料，并为生物相容性材料和真正有效的应用找到更温和的条件。我们也在研究这种脱离对生理学的影响生物膜细胞。“
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