Передача вирусных патогенов через загрязненные поверхности по-прежнему представляет серьезную угрозу для общественного здравоохранения, особенно в местах общего пользования. Обычные противовирусные покрытия, содержащие биоцидные соединения — побеждающие вирусы, — имеют ряд ограничений, связанных с токсичностью не только для вирусов , но и для любых живых клеток, устойчивостью к воздействию окружающей среды, разложением и риском развития резистентности к противовирусным препаратам.
Иллюстративное фото. Источник: dishcuss.com
Виктория Иванова
Австралийские ученые из Университета RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology) предложили оригинальный подход к проблеме дезинфекции и борьбы с вирусами — не химический, а механический, с использованием нанотехнологий.
Наноструктурированные акриловые поверхности защищают от вирусов
Разработка механических противовирусных покрытий, представленная в журнале Advanced Science, открывает принципиально новый этап в контроле за распространением инфекций, где ключевым фактором становится не химическая активность, а топография поверхности.
В отличие от традиционных биоцидных материалов, наноструктурированные плёнки не выделяют токсичных соединений и не теряют своих свойств со временем, поскольку их действие основано исключительно на физическом разрушении вирусной оболочки.
Это особенно важно в контексте растущей устойчивости вирусов к существующим антисептикам и дезинфекции. Более того, такие покрытия могут быть интегрированы в самые разные материалы — от пластиковых панелей до текстиля — без изменения их базовых характеристик.
Наноструктурированные бактерицидные за счет механических свойств поверхности доказали свою эффективность в предотвращении колонизации бактериями, что побуждает к изучению их противовирусного потенциала.
Наностолбики особой геометрии создают локальное давление и разрывают вирус гриппа на части
В рамках этого исследования были изготовлены гибкие наноструктурированные акриловые пленки с массивами наностолбиков с помощью форм из анодированного оксида алюминия (AAO) и ультрафиолетовой наноимпринтной литографии (UV-NIL). Это масштабируемая механовируцидная платформа, способная физически разрушать вирусные частицы.
Особый интерес представляет установленная зависимость противовирусной эффективности от геометрических параметров наностолбиков. Эксперименты показали, что при шаге 60 нм и высоте столбиков порядка 200–300 нм достигается максимальное механическое воздействие, достаточное для разрыва липидной оболочки вирионов hPIV-3.
Компьютерное моделирование методом конечных элементов позволило визуализировать распределение напряжений: в зонах контакта вирусной частицы с вершинами наностолбиков возникают локальные пики давления, превышающие 10 МПа — порог, при котором оболочка вируса теряет целостность или, просто говоря, рвется на части.
Систематическое изменение шага и высоты наностолбиков показало, что расстояние между ними является основным фактором, определяющим противовирусную эффективность. Плотные массивы с шагом 60 нм снижают инфекционность вируса парагриппа человека 3-го типа (hPIV-3) на 1,2 log (∼94 %) в течение 1 часа.
В то же время увеличение шага до 100 нм приводит к снижению противовирусной активности, которая зависит от высоты наностолбиков, а при шаге в 200 нм противовирусная активность полностью исчезает.
Дело в том, что при увеличении расстояния между столбиками до 100 нм снижение эффективности объясняется уменьшением числа точек контакта и перераспределением нагрузки. Полная потеря активности при шаге 200 нм подтверждает, что вирусная частица диаметром около 150–200 нм просто проваливается между столбиками, не испытывая критических деформаций.
Примечательно, что подобные наноструктурированные поверхности демонстрируют высокую избирательность по отношению к вирусам, не повреждая при этом клетки человека.
В ходе предварительных тестов на культурах фибробластов и кератиноцитов не было выявлено значительного снижения жизнеспособности при контакте с массивами наностолбиков с шагом 60 нм. Это объясняется тем, что клетки млекопитающих имеют жёсткий цитоскелет и способны деформироваться, адаптируясь к микронеровностям, тогда как вирусные частицы лишены такой пластичности и разрушаются при малейшем превышении порога прочности оболочки.
Таким образом, механический механизм уничтожения вирусов не несёт рисков цитотоксичности, характерных для многих химических антисептиков, что делает такие покрытия безопасными для использования в медицинских учреждениях и общественных пространствах.
Результаты проведенных исследований позволяют предложить не требующую использования химикатов новую механо-вирулицидную стратегию для масштабируемой противовирусной защиты поверхностей в сфере здравоохранения, потребительских товаров и экологии.
Дальнейшие исследования обещают внедрение в практику профилактики
Следующим логическим шагом является расширение спектра тестируемых вирусов. Хотя текущая работа сконцентрирована на hPIV-3 — представителе семейства парамиксовирусов с липидной оболочкой, — есть основания полагать, что аналогичный эффект будет наблюдаться для вирусов гриппа, коронавирусов и других респираторных патогенов.
Кроме того, необходимо исследовать устойчивость наноструктурированных покрытий к многократным циклам механической очистки и воздействию ультрафиолетового излучения.
Предварительные данные указывают на то, что акриловая матрица сохраняет свою топографию после 100 циклов протирания спиртовыми салфетками, однако требуется более длительное наблюдение. В перспективе такие плёнки могут быть нанесены на дверные ручки, поручни в транспорте, панели в лифтах и даже на упаковку продуктов питания, создавая пассивный барьер, который непрерывно снижает вирусную нагрузку на поверхностях.
Внедрение механических противовирусных покрытий способно кардинально изменить подходы к профилактике инфекций в условиях плотной городской среды. Вместо того чтобы полагаться на регулярную химическую обработку, которая требует времени, ресурсов и обученного персонала, достаточно однократно нанести плёнку на критически важные поверхности.
Особенно это актуально в условиях пандемий, когда скорость распространения вируса опережает возможности дезинфекции. Комбинация наноимпринтной литографии с методами roll-to-roll производства позволит выпускать такие покрытия в рулонах, снижая себестоимость до уровня обычных клейких плёнок.
Остаётся решить вопросы стандартизации испытаний и долгосрочной стабильности, но уже сейчас ясно, что физический подход к уничтожению вирусов открывает путь к созданию «умных» поверхностей нового поколения — безопасных, эффективных и экологичных.
Как подчеркивается в Advanced Science, возможность масштабирования через UV-NIL и формование на AAO-матрицах делает технологию экономически привлекательной для массового производства, что подтверждается воспроизводимостью результатов на образцах площадью до нескольких квадратных сантиметров.