如何防止太空中的生物膜

科学家报告说，在国际空间站的太空环境中，一种新型表面处理方法大大减少了生物膜的生长。生物膜是微生物或真菌生长的垫子，会堵塞水处理系统中的软管或过滤器，或可能导致人类患病。

在实验中，研究人员调查了经过不同方式处理的各种表面，这些表面接触了一种叫做铜绿假单胞菌的细菌，这种细菌是一种机会性病原体，可导致人类感染，尤其是在医院里。这些表面从 2019 年开始在空间站上培养三天。结果表明，浸渍了润滑剂的纹理表面在长期暴露于太空期间能够非常成功地防止生物膜生长。麻省理工学院的萨曼莎-麦克布莱德博士（Samantha McBride PhD ’20）和克里帕-瓦拉纳西（Kripa Varanasi）、科罗拉多大学的帕梅拉-弗洛雷斯（Pamela Flores）和路易斯-泽亚（Luis Zea）以及美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的乔纳森-加拉克扎（Jonathan Galakza）在《自然-微重力》（Nature Microgravity）杂志上发表了一篇论文，介绍了上述研究成果。

国际空间站上水回收系统软管的堵塞有时非常严重，不得不将软管送回地球进行清洗和翻新。研究人员说，虽然目前还不知道生物膜是否直接导致了宇航员的疾病，但在地球上，65%的微生物感染和80%的慢性感染都与生物膜有关。

防止生物膜的一种方法是在表面上涂上某些能杀死微生物的金属或氧化物，但如果表面堆积了一层死亡的微生物，使生物膜在上面形成，这种方法就会失效。但在国际空间站实验中表现良好的注入液体的表面却并非如此：它不仅没有杀死微生物，反而从一开始就阻止了它们附着在表面上。

使用的特定表面由硅制成，经过蚀刻后形成纳米级的柱状森林。然后，在这种尖刺表面注入硅油，硅油被吸入纹理中，并通过毛细作用固定在原处，从而形成光滑、高滑的表面，大大降低了微生物的附着力，防止它们形成生物膜。

在地球和空间站上都进行了相同的实验，以确定轨道微重力环境产生的差异。令研究人员惊讶的是，注入液体的表面在太空中防止微生物附着的效果比在地球上更好。

瓦拉纳西是机械工程教授，也是一家名为 LiquiGlide 公司的创始人，该公司为容器制造液体浸渍表面，以帮助容器中的物品滑出。

此前在地球上进行的测试表明，这些经过处理的表面可以大大减少生物膜的附着力。瓦拉纳西说：”当从空间站取回样品并进行测试时，我们发现这些表面在空间站中也能很好地防止生物膜的形成。这一点很重要，因为过去的研究发现，微重力会对生物膜的形态、附着行为和基因表达产生重大影响。因此，在地球上行之有效的生物膜缓解策略不一定适用于微重力情况。

研究小组说，防止生物膜对于未来的长期任务（如登月或火星）尤为重要，因为在这些任务中，无法选择将弄脏的设备或生病的宇航员迅速送回地球。如果进一步的测试证实这种涂层具有长期稳定性并能成功防止生物膜，那么基于液体处理表面概念的涂层就可以应用于各种已知易受生物膜污染的关键部件，如水处理软管和过滤器，或与宇航员密切接触的部件，如手套或食品制备表面。

弗洛雷斯说，在地面样本中，生物膜的形成减少了约 74%，而空间站样本则减少了约 86%。她说：”我们得到的结果令人吃惊，”因为之前其他人进行的测试表明，太空中生物膜的形成实际上比地球上更多。”她说：”我们在这些样本上发现的结果恰恰相反。

她说，虽然测试使用的是一种特定的、经过深入研究的革兰氏阴性细菌，但测试结果应该适用于任何一种革兰氏阴性细菌，也可能适用于革兰氏阳性细菌。他们发现，表面没有细菌生长的区域被一层薄薄的核酸覆盖，核酸带有轻微的负电荷，可能有助于防止微生物附着。弗洛雷斯说，革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都带有轻微的负电荷，这可能会将它们从带负电荷的表面排斥出去。

瓦拉纳西说，其他类型的防污表面 “主要靠杀菌特性起作用，通常只对第一层细胞起作用，因为这些细胞死亡后会形成沉积物，微生物会在上面生长。因此，这通常是一个非常棘手的问题。他说，但在液体浸渍表面，暴露在外的主要是液体本身，因此很少有缺陷或细菌可以找到落脚点。

虽然试验材料在空间站上放置了一年多，但实际试验只进行了三天，因为试验需要宇航员的积极参与，而他们的日程安排总是非常繁忙。但根据这些初步结果，研究小组提出了一项建议，即在未来的任务中应进行更长时间的测试。弗洛雷斯说，在这些首次测试中，第三天后的结果与第一天和第二天后的结果相同。”我们不知道它还能保持这种性能多久，所以我们肯定建议进行更长时间的培养，如果可能的话，还建议进行连续分析，而不仅仅是终点分析”。

与美国国家航空航天局（NASA）共同发起该项目的Zea说，这是美国国家航空航天局首次进行由其两个科学项目（生物学和物理科学）共同参与的测试。”我认为这强调了多学科的重要性，因为我们需要能够将这些不同的学科结合起来，找到解决现实问题的办法。”

生物膜也是地球上的一个重要医疗问题，尤其是在包括导管在内的医疗设备或植入物上，生物膜可能导致严重的疾病问题。瓦拉纳西说，同样的液体浸渍表面可能在帮助解决这些问题方面发挥作用。

该项目得到了美国国家航空航天局（NASA）的支持，并使用了其他几家公司和组织提供的设施。