受到蝉翅的启发研究人员研究昆虫的抗菌特性以开发抗菌表面

今年夏天，数以万亿计的周期蝉(Magicicada属的几种蝉，每13或17年出现一次)破土而出，席卷了美国东部。新闻媒体将这次事件比作世界末日、世界末日或入侵。但是，如果使用令人着迷、神秘、神奇等词语，又会怎样呢?

属名Magicicada指的是大量蝉同时爬出地面接触阳光。今年对伊利诺伊州来说是特殊的一年：南部大蝉群XIX的13年蝉和北部大蝉群XIII的17年蝉大量出现。这种同时出现的情况自1803年以来从未发生过，而且在未来221年内不会再发生。

这是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校贝克曼高级科学技术研究所的昆虫学家和研究人员的黄金时段。

“我们以蝉和其他昆虫为灵感，设计出新材料。作为生物学家，我们也希望能够利用这些材料进行相反的设计。因此，我们创建的原型可能会为各个行业带来可销售的新表面，也可以用来帮助我们解释有关自然选择的基本生物学问题，”伊利诺伊州昆虫学和机械科学与工程学教授玛丽安·阿莱恩说。

她的实验室的工作围绕仿生设计展开：向大自然学习开发新材料和新技术的过程。

陈玉涛(YutaoChen)是阿莱恩大学ABC实验室的一名生物学家和研究生，他正在研究蝉翅的抗菌特性，以制造出受蝉启发的功能性表面。

陈说：“蝉翼具有超疏水特性，这意味着它们真的防水，而且还具有出色的抗菌性能。”

蝉翼超能力的背后到底隐藏着什么秘密?

肉眼看来，半透明的翅膀光滑无比，毫无特色。陈操作贝克曼显微镜套件中的环境扫描电子显微镜，将蝉翼放大10,000倍。放大后，漩涡状图案显现出来，被称为纳米柱的微观特征清晰可见。

每个纳米柱大约宽150纳米，高200至400纳米。相比之下，人类的头发比单个纳米柱粗约1000倍。纳米柱均匀分布在每个翅膀上，但大小会因物种而异。它们形成粗糙的表面，使翅膀具有疏水或防水和抗菌功能。

当微生物降落或移动到纳米柱上时，它们的外膜会受到损坏。陈说，微生物污染不仅威胁着蝉，而且也是人类社会普遍存在的问题：在航运业、水下管道、医疗植入物和其他设备和器具中。

阻止微生物进入材料的方法通常是使用表面涂层，但涂层会随着时间的推移而损坏并失去效力。抗生素通常用于治疗感染期间的细菌，但过度使用最终会导致微生物产生耐药性。

陈说：“开发具有机械抗菌作用的耐用表面至关重要。”

蝉翼上的纳米级突起是开发这些新材料的完美灵感。

陈教授使用一种灵活多变的纳米级复制方法，即纳米压印光刻技术，来模仿蝉翼的纳米级特征。复制品由聚苯乙烯制成，这是一种本身不具有抗菌性的聚合物材料。一旦用合适尺寸的纳米柱进行纹理处理，聚苯乙烯就会具有杀菌作用，或者说能够杀死细菌。

这种复制方法可以与脉冲电镀(一种金属沉积技术)配合使用，以创建铜纳米柱复制品。陈正在研究它们在空气和水过滤等应用中的应用，或开发导电性更强的电极。

陈使用贝克曼的环境扫描电子显微镜观察天然和复制纳米柱上的铜绿假单胞菌，并使用共聚焦激光扫描显微镜评估生物和工程纳米柱表面对细菌的杀灭效果。在大多数情况下，纳米柱只是刺穿或撕裂细菌的外膜来排斥或摧毁细菌。

陈的图像显示，纳米柱在与细菌接触时会发生弯曲。

陈说，这些柱子有可能在与细菌接触时储存和释放弹性能量，最终会拉伸和撕裂膜。

使用扫描电子显微镜，很难看到膜在被刺破的确切时刻，因为液体开始从细菌细胞中泄漏并阻碍视线。

为了确定哪些细菌已经被刺破，陈使用共聚焦激光显微镜和一种特殊的染料来染色细菌——具有完整膜的活细菌细胞会染成绿色，而非活细菌细胞会染成红色。

陈教授复制的纳米柱的尺寸和结构与蝉翼上的天然纳米柱非常相似。通过保留原始尺寸和规模，陈教授还保留了其功能。经过设计的纳米柱可以在三小时内消灭95%以上的细菌。

陈说，还有很多工作要做。

未来的计划包括试验不同的制造技术，并使用微流体技术观察细菌与复制表面之间更动态的相互作用。微流体项目涉及使用微小通道，使陈能够将细菌的液体混合物流过不同的纳米柱表面。