多伦多大学应用科学与工程学院研究人员的一项研究表明，医用植入材料的机械变形 - 如弯曲或扭曲 - 会极大地影响潜在有害生物膜的形成。

这项发表在《科学报告》上的论文中描述的研究表明，即使是弹性医用级材料(如聚二甲基硅氧烷(PDMS) - 也称为硅胶)的轻微弯曲也会打开微观裂缝，这是定植细菌的完美环境。

“这些材料用于各种生物医学应用，从导管到气管插管和假体乳房植入物，”该学院材料科学与工程系副教授，新研究的资深作者Ben Hatton说。

“在这些材料上形成微生物生物膜很常见，但我们惊讶于弯曲有机硅和其他橡胶材料导致这些裂缝可逆打开和关闭的程度 - 以及它们在生物膜形成中产生多大的影响。

生物膜是在表面上生长的复杂生物群落。虽然单个微生物细胞对抗生素和身体的自然防御系统敏感，但生物膜环境可以保护它们免受这些干预，导致持续感染。

与医疗器械生物膜相关的感染有时会在手术后发展，可能是严重的健康风险 - 延长住院时间或导致出院患者重新入院。

Hatton和他的团队是世界各地开发新的医疗级材料，涂层和其他方法的小组之一，以防止可能导致此类感染的生物膜的形成。

但在他们最新的工作中，他们选择研究一些更基本的东西：这些定植的微生物是如何首先站稳脚跟的?

“在某种程度上，这源于我们小组采取的多学科方法，”哈顿说。

“我们正在结合微生物学和材料科学，但也结合了机械工程，因为我们谈论的是机械应力、应变和变形。这种弯曲效果是以前没有注意到的。

该团队测试了各种医用硅胶样品，包括他们自己合成的一些样品以及用于导尿管的商业级医用导管。然后，他们对这些样品施加机械力以产生表面损伤。他们的实验表明，微裂纹可以很容易地形成。

“我们做的一件事就是简单地用普通的实验室组织擦拭它们很多次，”生物医学工程研究所的博士候选人，该论文的主要作者Desmond van den Berg说，该论文由哈顿实验室研究员Dalal Asker和Tarek Awad共同撰写。

“即使是这种擦拭也足以造成表面损伤。通过肉眼，它看起来仍然很好，但在显微镜下，我们已经可以看到细菌可以进入的大小的微裂缝。细菌只有几微米大，所以不需要太多。

其他样品用粗糙的脊状图案压制，以产生一系列规则间隔的微裂纹。

然后将所有样品置于细菌培养板中，并接种铜绿假单胞菌，铜绿假单胞菌是一种在这些类型的研究中通常用作模式生物的生物膜形成细菌。生长后，用荧光染料处理样品，使任何附着的细菌在光学显微镜下发出绿色光。

“我们看到的是，细菌非常明显地喜欢附着在这些微观裂缝中，”van den Berg说。

“在弯曲的样品中，处于张力的一侧的细菌数量是处于压缩状态的一侧的四到五倍。这些细胞对生长的地方有充分的选择，但它们显然喜欢所有这些微裂缝被打开的一侧。

van den Berg指出，唯一相对没有细菌的样品是在团队自己的实验室中合成的，因此保持非常光滑。

“即使是我们没有以任何方式损坏的商业生产的产品，也已经有微裂纹，直接从包装中取出，”他说。

“我们怀疑这些是通过制造过程引入的，源于塑料通过挤出或注塑成型形成管或其他形状的方式。

哈顿说，这项研究强调了引入鼓励微生物附着的表面特征是多么容易。对于外科医生来说，一个含义是他们应该注意硅胶装置(如管道或假体植入物)在使用过程中弯曲的情况，并特别注意处于紧张状态的一侧，因为这是感染可能开始的地方。

“显然，很难简单地不弯曲本应弯曲的橡胶管 - 否则，你为什么要首先用橡胶制造它?”哈顿说。

“但也许我们可以更多地了解如何控制或隐藏这些表面裂缝，这样弯曲就不是问题。这就是我们现在正在研究的工作 - 研究减少表面损伤的方法，或修改有机硅表面以减少此类裂纹的形成。