Permukaan Biomimetik: Menyalin Alam Untuk Mencegah Bakteri Dan Menjaga Lambung Kapal Halus

Anda mungkin tidak berpikir bahwa menjaga lambung kapal tetap mulus di dalam air memiliki kesamaan dengan menjaga kebersihan pisau bedah untuk operasi, tetapi memang demikian: dalam kedua kasus Anda mencoba untuk mencegah alam – teritip atau biofilm – tumbuh di permukaan . Ilmu pengetahuan telah melihat ke alam, dan menemukan bahwa pola mikro yang dibentuk oleh sisik hiu tertentu atau daun tanaman teratai menunjukkan cara yang sangat elegan untuk mencegah biofouling yang dapat kita tiru.

Dalam kasus pertumbuhan laut yang menempel dan tumbuh di lambung kapal, masalah utamanya adalah peningkatan hambatan. Hal ini meningkatkan penggunaan bahan bakar dan menurunkan efisiensi kapal secara keseluruhan, sehingga membutuhkan pembersihan rutin untuk menghilangkan biofouling ini. Dalam konteks rumah sakit, lapisan pertumbuhan ini menjadi lebih penting. Setiap tahun, sejumlah besar pasien rumah sakit menderita infeksi, meskipun menggunakan kateter sekali pakai dan kemasan steril.

Formasi Biofilm

5 tahap perkembangan biofilm.  Tahap 1, lampiran awal;  tahap 2, perlekatan ireversibel;  tahap 3, pematangan I;  tahap 4, pematangan II;  tahap 5, dispersi.  Setiap tahap perkembangan dalam diagram dipasangkan dengan fotomikrograf dari biofilm Pseudomonas aeruginosa yang sedang berkembang.  Semua fotomikrograf ditampilkan dalam skala yang sama.Pembentukan biofilm berasal dari hari-hari awal kehidupan prokariotik, sebagaimana dibuktikan oleh bukti fosil dalam bentuk stromatolit. Pada intinya biofilm ini tampaknya menjadi mekanisme pertahanan bahwa spesies prokariotik pada awalnya berevolusi untuk mengatasi lingkungan yang keras, sambil memungkinkan pembentukan koloni prokariotik yang berkembang. Koloni ini juga dapat memungkinkan pertumbuhan bentuk kehidupan yang lebih kompleks.

Seiring waktu, bentuk kehidupan eukariotik akan mengadopsi strategi yang sama, di mana setelah perlekatan awal ke permukaan matriks ekstraseluler akan dibuat. Perekat dan struktur biologis ini memberikan perlindungan organisme terhadap pengeringan dan pemangsaan, serta pengaruh berbahaya lainnya.

Di lingkungan laut, biofilm ini menyediakan bentuk kehidupan multiseluler dengan tidak hanya permukaan untuk melekatkan diri juga, tetapi juga ekosistem yang menyertainya. Dalam kasus teritip, misalnya, keberadaan dan jenis biofilm sangat penting dalam pemilihan situs perlekatan tertentu ketika cyprid teritip muda bertransisi ke keadaan dewasa yang tidak bergerak. Pola serupa diamati dengan spesies laut lainnya, yang hasilnya adalah ekosistem yang berkembang, jika tidak diinginkan, di lambung kapal.

Karena pembentukan biofilm hanya membutuhkan sedikit kelembapan dengan adanya bakteri dan kerabat, hal ini memungkinkan selama pembuatan atau penggunaan peralatan medis suatu permukaan terkontaminasi dengan biofilm. Biofilm memungkinkan bakteri dan patogen lainnya untuk bertahan hidup untuk waktu yang lama di permukaan, sehingga penyimpangan dalam kebersihan membentuk vektor risiko yang signifikan.

Kerusakan yang tepat dari biofilm tersebut tergantung pada bakteri yang tepat dan penghuni lain yang ada di dalamnya, serta lokasi biofilm ini. Ketika bakteri MRSA menemukan jalan mereka ke intubasi atau tabung IV, ini dapat memberikan patogen ini rute langsung ke tubuh pasien, membentuk biofilm di seluruh tabung di dalamnya. Begitu berada di dalam tubuh, mereka kemudian akan melanjutkan untuk membentuk biofilm, sebagai bagian dari strategi perlindungan mereka terhadap ancaman seperti sistem kekebalan pasien, dan antibiotik.

Strategi optimal dengan demikian adalah mencegah pembentukan biofilm ini sejak awal, idealnya dengan mencegah kolonisasi permukaan awal .

Anda Tidak Akan Melampirkan

Sisik plakoid dilihat melalui mikroskop elektron.  Juga disebut dentikel dermal, ini secara struktural homolog dengan gigi vertebrata.
Sisik plakoid dilihat melalui mikroskop elektron. Juga disebut dentikel dermal, ini secara struktural homolog dengan gigi vertebrata.

Aspek yang menarik tentang evolusi adalah ia berusaha memecahkan banyak masalah yang sama yang kita coba pecahkan hari ini. Untuk hewan laut, memiliki biofilm dan pertumbuhan lain di kulit mereka jelas bermasalah, karena bagi mereka itu berarti peningkatan hambatan, seperti halnya untuk kapal. Ini berarti bahwa hewan akan mengeluarkan lebih banyak energi saat berenang, selain kemungkinan berkembangnya penyakit kulit dan penyakit lain karena dekat dengan begitu banyak bakteri.

Banyak hewan laut bergesekan dengan batu, memiliki hubungan simbiosis dengan spesies ikan pembersih kulit, atau menggunakan proses pergantian dan pergantian kulit yang sama seperti yang dilakukan spesies darat. Pendekatan yang paling menarik, bagaimanapun, melibatkan pola mikro yang membuat langkah kolonisasi awal menjadi bagian dari pembentukan biofilm pada dasarnya tidak mungkin.

Sementara sisik sangat umum di antara hewan laut dan hewan lainnya, sisik hiu dan pari memiliki pola mikroskopis yang unik. Dalam pengujian eksperimental menunjukkan kurangnya pembentukan biofilm yang berbeda. Ini adalah salah satu metode antifouling yang dijelaskan oleh Damodaran et al. (2016) dalam Penelitian Biomaterial. Ini merangkum pendekatan berikut:

  • Molekul biologis:
  • Agen pelepas oksida nitrat.
  • Permukaan modifikasi peptida dan peptoid.
  • Modifikasi kimia permukaan:
  • Polimer hidrofilik.
  • Imobilisasi PEG.
  • Polimer Zwitterionik.
  • Polimer hidrofobik.
  • Pola mikro permukaan:
  • Efek teratai.
  • Pola kulit hiu.
  • Dalam hal apa yang dapat kita tiru dari alam, molekul biologis dan pendekatan modifikasi permukaan menghadapi biaya tinggi, umur terbatas, dan penerapan terbatas dalam hal jenis bakteri yang mereka pengaruhi. Kekhawatiran toksisitas menghadapi polimer hidrofobik.

    Bersumber dari Damodaran et al.  (2016).
    Bersumber dari Damodaran et al. (2016).

    Itu meninggalkan pola mikro. Alih-alih zat yang harus disintesis dan diterapkan secara teratur, pola mikro ini dapat diukir ke permukaan, dengan durasi efek tergantung pada daya tahan bahan pola itu tergores. Dimungkinkan juga untuk menggunakan pola rakitan sendiri, misalnya pada cat dengan partikel nano.

    Bersumber dari Damodaran et al.  (2016).
    Bersumber dari Damodaran et al. (2016).

    Untuk aplikasi lambung kapal, sisik plakoid hiu sangat menarik. Mereka tampaknya tidak hanya mencegah bakteri menempel, tetapi juga mengurangi hambatan dengan mengganggu aliran laminar di dekat kulit. Kemungkinan bahwa pengurangan hambatan ini merupakan faktor evolusi yang relevan dalam pengembangan dentikel dermal ini, dan ini juga memberikan aspek yang menarik mengenai jenis antifouling ini — micropatterns berdiri untuk mengurangi hambatan lambung kapal di atas dan di atas lambung yang ‘bersih’ .

    Membuatnya Skala

    Seperti banyak teknik antifouling seperti itu, masalah utamanya adalah membuatnya berskala ke tingkat yang layak secara ekonomi dan membuatnya bertahan lama. Pada saat ini efek lotus paling sering digunakan, karena polanya yang berulang secara teratur cocok untuk digunakan dalam segala hal mulai dari genteng dan kain hingga cat. Penerapan permukaan yang dapat membersihkan sendiri dalam pengaturan luar ruangan sudah terbukti dengan sendirinya, karena ini mencegah penumpukan alga dan lumut, dan juga menolak hal-hal seperti grafiti.

    Pola seperti kulit hiu agak lebih rumit, karena melibatkan pola yang lebih terlibat yang tidak mudah untuk dirakit sendiri. Mungkin versi komersial yang paling terkenal dari teknologi ini ditemukan dalam bahan Sharklet yang dijual oleh Sharklet Technologies dan pola mikro yang dipatenkan. Mereka menargetkan sebagian besar rumah sakit dan pengaturan serupa untuk produk mereka, dan kumpulan penelitian juga menunjukkan keefektifannya dalam konteks mencegah reaksi benda asing dengan implan saraf.

    Satu hal yang belum bisa dilakukan oleh lambung kapal dan tabung medis adalah menumbuhkan dentikel dermal seperti yang dapat dilakukan oleh kulit hiu. Hiu menyegarkan permukaan kulitnya terus menerus. Kemungkinan kombinasi pendekatan akan tetap diperlukan untuk melawan biofouling, meskipun kita kemungkinan besar akan melihat pola mikro digunakan lebih umum di masa depan untuk dunia yang lebih bersih dan lebih aman yang tidak terlalu membebani.