Scannende elektronenmicroscoopafbeelding van een Pseudomonas aeruginosa bacterie, vernietigd door nanopilaren, op een cicadavleugel. Schaalbalk is 1 micrometer. Credit: Yutao Chen. Credit: Yutao Chen.
Triljoenen periodieke cicaden – verschillende soorten van het geslacht Magicicada die elke 13 of 17 jaar tevoorschijn komen – braken deze zomer de grond in het oosten van de VS. Nieuwsmedia vergeleken de gebeurtenis met Armageddoneen Apocalypse of een invasie. Maar wat dacht je van woorden als betoverend? Mysterieus? Magisch?
De geslachtsnaam Magicicada verwijst naar de enorme omvang van cicaden die synchroon door de aarde kruipen om zonlicht te bereiken. Dit jaar is een speciaal jaar voor de staat Illinois: zowel de 13-jarige cicaden van de Great Southern Brood XIX als de 17-jarige cicaden van de Great Northern Brood XIII kwamen in enorme aantallen tevoorschijn. Deze gelijktijdige opkomst heeft zich sinds 1803 niet meer voorgedaan en zal zich de komende 221 jaar niet meer voordoen.
Het was hoogseizoen voor entomologen en onderzoekers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de University of Illinois Urbana-Champaign.
“We gebruiken cicaden en andere insecten als inspiratie voor het ontwerpen van nieuwe materialen. Als biologen willen we deze materialen ook kunnen gebruiken om vervolgens de tegenovergestelde ontwerprichting in te gaan. Dus de prototypes die we hebben gemaakt, en die kunnen resulteren in verkoopbare nieuwe oppervlakken voor verschillende industrieën, kunnen ook worden gebruikt om ons te helpen fundamentele biologische vragen over natuurlijke selectie te beantwoorden,” aldus Marianne Alleyne, hoogleraar entomologie en werktuigbouwkunde in Illinois.
Het werk in haar lab draait om biogeïnspireerd ontwerp: het proces van leren van de natuur om nieuwe materialen en technologieën te ontwikkelen.
Yutao Chen, bioloog en doctoraalstudent in Alleyne’s ABC-labbestudeert de antibacteriële eigenschappen van cicadenvleugels om functionele, op cicaden geïnspireerde oppervlakken te maken.
“Cicadenvleugels zijn superhydrofoob, wat betekent dat ze echt waterdicht zijn, en ze hebben ook uitstekende antibacteriële eigenschappen”, aldus Chen.
Wat is het geheim achter de superkrachten van deze cicadenvleugels?
Voor het blote oog lijken de doorschijnende vleugels glad en kenmerkloos. Chen bedient de environmental scanning electron microscope in Beckman’s Microscopy Suite en vergroot een cicadavleugel 10.000 keer. Door in te zoomen, ontstaan wervelende patronen en worden microscopische kenmerken, nanopilaren genoemd, scherp.
Elke nanopilaar is ongeveer 150 nanometer breed en 200 tot 400 nanometer hoog. Ter vergelijking: een mensenhaar is ongeveer 1000 keer dikker dan een enkele nanopilaar. De nanopilaren zijn gelijkmatig verdeeld over elke vleugel, maar kunnen variëren in grootte afhankelijk van de soort. Ze creëren een ruw oppervlak, waardoor de vleugels hun hydrofobe, of waterafstotende, en antibacteriële functionaliteiten krijgen.
Wanneer microben op de nanopilaren landen of bewegen, raakt hun buitenste membraan beschadigd. Microbiële contaminatie bedreigt cicaden en is een veelvoorkomend probleem in de menselijke samenleving: in de scheepvaartindustrie, onderwaterpijpleidingen, medische implantaten en andere apparaten en apparaten, zei Chen.
Bacteriën komen in contact met nanopilaren (A), waardoor de nanopilaren buigen en elastische energie opslaan (B). Bacteriën die proberen te bewegen raken beschadigd, opgeslagen elastische energie wordt vrijgegeven en de pilaren keren terug naar hun oorspronkelijke positie (C). Credit: Yutao Chen.
Pogingen om microben van materialen af te weren, zijn meestal in de vorm van oppervlaktecoatings die beschadigd raken en na verloop van tijd hun werkzaamheid verliezen. Antibiotica worden vaak gebruikt om bacteriën te behandelen tijdens een infectie, maar overmatig gebruik leidt uiteindelijk tot microbiële resistentie.
“Het is van groot belang om duurzame oppervlakken te ontwikkelen die mechanisch antibacterieel zijn”, aldus Chen.
De nanoscopische uitsteeksels op cicadenvleugels vormen de perfecte inspiratie voor de ontwikkeling van deze nieuwe materialen.
Chen gebruikt een flexibele en veelzijdige nanoschaalreplicatiemethode genaamd nanoimprintinglithografie om de nanoscopische kenmerken van cicadenvleugels na te bootsen. De replicaten zijn gemaakt van polystyreen, een type polymeermateriaal dat niet inherent antibacterieel is. Zodra het is getextureerd met de juiste nanopilaren, wordt het polystyreen bacteriedodend, of in staat om bacteriën te vernietigen.
Deze replicatiemethode kan worden gecombineerd met pulse electroplating, een metaaldepositietechniek, om koperen nanopillarreplica’s te creëren. Chen bestudeert ze voor toepassingen zoals lucht- en waterfiltratie of om geleidendere elektroden te ontwikkelen.
Chen gebruikt Beckman’s environmental scanning electron microscope om Pseudomonas aeruginosa bacteriën op natuurlijke en gerepliceerde nanopilaren te observeren, en een confocale laser scanning microscoop om te evalueren hoe goed biologische en geconstrueerde nanopilaar oppervlakken bacteriën kunnen vernietigen. In de meeste gevallen prikken of scheuren de nanopilaren simpelweg het buitenste membraan van de bacteriën om ze af te weren of te vernietigen.
Uit de beelden van Chen blijkt dat de nanopilaren buigen wanneer ze in contact komen met bacteriën.
Het is mogelijk dat de pilaren elastische energie opslaan en vrijgeven wanneer ze in contact komen met de bacteriën, waardoor het membraan uiteindelijk zou uitrekken en scheuren, aldus Chen.
Met behulp van de rasterelektronenmicroscoop kan het lastig zijn om het membraan op het exacte moment dat het doorboord wordt, te visualiseren. Dit komt doordat er vloeistof uit de bacteriecel begint te lekken en het zicht belemmert.
Om te bepalen welke bacteriën zijn doorboord, gebruikt Chen de confocale lasermicroscoop en een speciale kleurstof die de bacteriën kleurt: levende bacteriecellen met intacte membranen kleuren groen, terwijl niet-levensvatbare cellen rood kleuren.
De grootte en structuur van Chens gerepliceerde nanopilaren komen nauw overeen met die van de natuurlijke nanopilaren op cicadenvleugels. Door de originele afmetingen en schaal te behouden, behoudt Chen ook de functionaliteit. De geconstrueerde nanopilaren kunnen meer dan 95% van de bacteriën binnen drie uur vernietigen.
Er is nog veel werk te doen, zei Chen.
Toekomstige plannen omvatten het experimenteren met verschillende fabricagetechnieken en het observeren van meer dynamische interacties tussen bacteriën en de gerepliceerde oppervlakken met behulp van microfluïdica-technieken. Het microfluïdica-project omvat het gebruik van kleine kanalen waarmee Chen vloeibare mengsels van bacteriën over verschillende nanopillaroppervlakken kan laten stromen.
Geleverd door Beckman Institute for Advanced Science and Technology
