Группа исследователей под руководством инженеров Массачусетского университета в Амхерсте создала стекло, излучающее ультрафиолетовые (УФ) лучи, которое может на 98% уменьшить рост биопленки на поверхностях в подводной среде, как сообщается в журнале Biofilm.

Биопленка – это слизистый слой различных видов микроорганизмов, который растет на влажных поверхностях. «Если вы посмотрите вниз на раковину и прикоснетесь к ее внутренней стороне, то обнаружите, что это скользкое вещество и есть биопленка», — говорит Мариана Ланзарини-Лопес, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Массачусетского университета в Амхерсте и автор статьи.

Биопленка является серьезной проблемой для подводных применений. По оценкам ВМС США, биопленки обходятся флоту от 180 до 260 миллионов долларов в год. Рост биопленки на всех подводных поверхностях увеличивает сопротивление корабля и последующий расход топлива, а также вызывает коррозионные повреждения кораблей или океанографического оборудования.

Биопленка также может запотевать окна, используемые для камер и других сенсорных устройств, которые полагаются на прозрачность, и переносить неместные виды через моря.

Современные решения для борьбы с биопленками основаны на использовании химических агентов, таких как биоцидные покрытия, которые убивают микроорганизмы, или антипригарных покрытий, которые в первую очередь предотвращают прилипание биопленок. Однако эти методы могут иметь негативные последствия для экосистемы и действовать лишь в течение короткого времени.

В качестве альтернативы этим химическим методам команда Массачусетского университета в Амхерсте разработала устойчивое к биопленке стекло с использованием УФ-излучения, самой короткой и наиболее эффективной для дезинфекции длины волны УФ-излучения.

Лаборатория Лопеса уже продемонстрировала, что оптическое волокно с боковым УФ-излучением может распределять УФ-излучение по небольшим каналам, таким как медицинское оборудование (например, эндоскопы, катетеры и респираторы), домашние устройства (кофеварки и холодильники) и системы хранения/распределения воды (трубы, мочевые пузыри). , мембраны) для инактивации патогенных организмов и предотвращения роста бактерий на поверхностях.

«Многие люди знают об УФ-излучении для дезинфекции поверхностей, воздуха и воды», — говорит Лопес. «Люди стали использовать его гораздо чаще, особенно потому, что он действительно эффективен для дезинфекции вируса SARS-CoV-2».

Однако в подводной среде это не так просто, как направить ультрафиолетовый свет на стекло. «Мы не можем использовать традиционные источники света для равномерного распределения света по поверхности», — говорит Лейла Алидохт, научный сотрудник лаборатории Лопеса и ведущий автор исследования. Свет становится слабее по мере удаления от источника, что затрудняет освещение больших площадей поверхности. Ультрафиолетовые волны также могут быть нарушены тем, насколько мутна окружающая вода.

Неравномерное распределение ультрафиолетового света дает микроорганизмам, образующим биопленку, точку опоры и делает уязвимой всю поверхность: «Если биопленка может прикрепиться к части поверхности, она может распространиться на другие части», — добавляет она.

Решение команды — покрытие стекла наночастицами кремнезема. «УФ-светодиод подключается к поперечному сечению стекла», — описывает Алидохт. «Когда УФ-излучение проникает в стекло, мы рассеиваем его изнутри стекла наружу», используя эти светорассеивающие наночастицы. Кремнезем не поглощает УФ-лучи. Волны продолжают отражаться от наночастиц и проникать сквозь внутреннюю часть стекла, что обеспечивает равномерное «светление» стеклянной поверхности.

Чтобы проверить это, исследователи в сотрудничестве с Технологическим институтом Флориды и ВМС погрузили это стекло, излучающее УФ-излучение, в воды Порт-Канаверал, штат Флорида, на 20 дней. По сравнению с необработанным стеклом это стекло уменьшило видимый рост биопленки на 98%.

«В отличие от метода внешнего УФ-облучения, УФ-излучающее стекло препятствует образованию биопленки непосредственно на интересующей поверхности — сама поверхность служит источником УФ-излучения», — говорит Алидохт.

Она воодушевлена ​​тем, что это открытие открывает двери для разнообразных применений дезинфекции. «Разработанная технология может быть использована для дезинфекции прозрачных поверхностей, таких как иллюминаторы кораблей, плавучие сферы и заякоренные буи, объективы камер и датчики для океанографических, сельскохозяйственных и водоочистных целей», — говорит она.

Команда получила предварительный патент на свое открытие.

Теперь, когда команда доказала, что это стекло эффективно противостоит образованию биопленки (известному как биообрастание), они рады оптимизировать свое открытие: тестировать долгосрочное применение, оценивать любое воздействие на окружающую среду и создавать большие площади поверхности.

Еще одно будущее направление исследований: «Мы также пытаемся предотвратить образование биопленки на линзах фотоаппаратов», — добавляет Лопес. «Основным фактором, ограничивающим время развертывания [подводных камер], является биообрастание, поэтому, пока вы можете уменьшить скорость биообрастания, вы можете увеличить продолжительность развертывания всего этого оптического оборудования».