Published May 1, 2024 | Version v1
Publication Open

Tuning the Topography of Non‐Wetting Surfaces to Reduce Short‐Term Microbial Contamination Within Hospitals

  • 1. University of Toronto
  • 2. Alexandria University
  • 3. Korea Institute of Machinery and Materials
  • 4. Seoul National University
  • 5. Harvard University

Description

Abstract Microbial contamination of hospital surfaces is a major contributor to infectious disease transmission. This work demonstrates that superhydrophobic (Cassie‐Baxter) micro post topographies can significantly reduce cell attachment compared to flat controls. For ordered micro post arrays (post diameters 0.3 to 150 µm), the attachment of four pathogens ( Pseudomonas aeruginosa , Staphylococcus aureus , Escherichia coli , and Candida albicans ) from discrete contaminant droplets upon short‐term contact (15 s to 30 min) are assessed. There is a 3‐4‐log decrease in microbial attachment when reducing the micro posts diameters from 150 to 0.3 µm for all strains, with large posts (>20 µm) exhibiting similar attachment rates to flat controls. The critical, maximum feature size to prevent attachment can be tuned depending on the ratio of the cell size to post diameter. Two potential mechanisms are discussed for this size effect. First, application of the random sequential adsorption model shows that this relative post/cell size effect may be due to a reduced probability of attachment, which is theorized to be the dominant mechanism. Alternatively, a physical model is suggested for bacterial cell "pull‐off" due to surface tension forces during droplet dewetting. This work may be important for the design of non‐wetting antimicrobial surfaces within healthcare environments.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد التلوث الجرثومي المجرد لأسطح المستشفيات مساهماً رئيسياً في انتقال الأمراض المعدية. يوضح هذا العمل أن التضاريس الدقيقة لما بعد الكارهة للماء (كاسي باكستر) يمكن أن تقلل بشكل كبير من ارتباط الخلية مقارنة بعناصر التحكم المسطحة. بالنسبة لمصفوفات الأعمدة الدقيقة المطلوبة (أقطار ما بعد 0.3 إلى 150 ميكرومتر)، يتم تقييم ربط أربعة مسببات للأمراض ( الزائفة الزنجارية ، المكورات العنقودية الذهبية، الإشريكية القولونية ، والمبيضات البيضاء ) من قطرات الملوثات المنفصلة عند التلامس على المدى القصير (15 ثانية إلى 30 دقيقة). هناك انخفاض سجل 3-4 في الارتباط الميكروبي عند تقليل أقطار الأعمدة الدقيقة من 150 إلى 0.3 ميكرومتر لجميع السلالات، مع وجود أعمدة كبيرة (>20 ميكرومتر) تظهر معدلات ارتباط مماثلة لعناصر التحكم المسطحة. يمكن ضبط الحد الأقصى لحجم الميزة الحرجة لمنع الارتباط اعتمادًا على نسبة حجم الخلية إلى قطر العمود. تتم مناقشة آليتين محتملتين لتأثير الحجم هذا. أولاً، يُظهر تطبيق نموذج الامتزاز المتسلسل العشوائي أن هذا التأثير النسبي لحجم الخلية/ما بعد الخلية قد يكون بسبب انخفاض احتمال الارتباط، والذي يُنظر إليه على أنه الآلية السائدة. بدلاً من ذلك، يُقترح نموذج فيزيائي لـ "سحب" الخلايا البكتيرية بسبب قوى التوتر السطحي أثناء نضح القطرات. قد يكون هذا العمل مهمًا لتصميم الأسطح المضادة للميكروبات غير المبللة داخل بيئات الرعاية الصحية.

Translated Description (French)

Résumé La contamination microbienne des surfaces hospitalières est un facteur majeur de transmission des maladies infectieuses. Ce travail démontre que les micro topographies de poteaux superhydrophobes (Cassie‐Baxter) peuvent réduire considérablement la fixation cellulaire par rapport aux contrôles plats. Pour les microréseaux de poteaux commandés (diamètres de poteaux de 0,3 à 150 µm), la fixation de quatre agents pathogènes ( Pseudomonas aeruginosa , Staphylococcus aureus , Escherichia coli et Candida albicans ) à partir de gouttelettes de contaminant discrètes lors d'un contact à courtterme (15 s à 30 min) est évaluée. Il y a une diminution de 3 à 4 log de la fixation microbienne lors de la réduction des micropieux diamètres de 150 à 0,3 µm pour toutes les souches, les gros poteaux (>20 µm) présentant des taux de fixation similaires aux contrôles plats. La taille critique et maximale des caractéristiques pour empêcher la fixation peut être réglée en fonction du rapport entre la taille de la cellule et le diamètre du poteau. Deux mécanismes potentiels sont discutés pour cet effet de taille. Tout d'abord, l'application du modèle d'adsorption séquentielle aléatoire montre que cet effet relatif post/taille des cellules peut être dû à une probabilité réduite de fixation, qui est théorisée comme étant le mécanisme dominant. Alternativement, un modèle physique est suggéré pour le « retrait » des cellules bactériennes en raison des forces de tension superficielle pendant le démouillage des gouttelettes. Ce travail peut être important pour la conception de surfaces antimicrobiennes nonmouillantes dans les environnements de soins de santé.

Translated Description (Spanish)

Resumen La contaminación microbiana de las superficies de los hospitales es un importante contribuyente a la transmisión de enfermedades infecciosas. Este trabajo demuestra que las microtopografías superhidrófobas (Cassie-Baxter) pueden reducir significativamente la adhesión celular en comparación con los controles planos. Para las micromatrices ordenadas (diámetros de postes de 0,3 a 150 µm), se evalúa la unión de cuatro patógenos ( Pseudomonas aeruginosa , Staphylococcus aureus, Escherichia coli y Candida albicans ) de gotas contaminantes discretas al contacto a cortoplazo (15 s a 30 min). Hay una disminución de3-4 log en la fijación microbiana al reducir los diámetros de los micropostes de 150 a 0.3 µm para todas las cepas, con postes grandes (>20 µm) que exhiben tasas de fijación similares a los controles planos. El tamaño máximo de la característica crítica para evitar el acoplamiento se puede ajustar dependiendo de la relación entre el tamaño de la celda y el diámetro del poste. Se discuten dos mecanismos potenciales para este efecto de tamaño. En primer lugar, la aplicación del modelo de adsorción secuencial aleatoria muestra que este efecto relativo del tamaño posterior/celular puede deberse a una probabilidad reducida de adhesión, que se teoriza que es el mecanismo dominante. Alternativamente, se sugiere un modelo físico para el "despegue" de las células bacterianas debido a las fuerzas de tensión superficial durante el deshumedecimiento de las gotas. Este trabajo puede ser importante para el diseño de superficies antimicrobianas no humectantes en entornos sanitarios.

Files

adfm.202315957.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d23ecae39ad74e592b5110b7bc2754a3
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
ضبط تضاريس الأسطح غيرالمبللة لتقليل التلوث الميكروبي قصيرالأجل داخل المستشفيات
Translated title (French)
Réglage de la topographie des surfaces nonmouillantes pour réduire la contamination microbienne à courtterme dans les hôpitaux
Translated title (Spanish)
Ajuste de la topografía de superficies no humectantes para reducir la contaminación microbiana a cortoplazo dentro de los hospitales

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396588999
DOI
10.1002/adfm.202315957

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1597959609
  • https://openalex.org/W1979458668
  • https://openalex.org/W1989953735
  • https://openalex.org/W1996991935
  • https://openalex.org/W1998363895
  • https://openalex.org/W2002824019
  • https://openalex.org/W2004739433
  • https://openalex.org/W2007341634
  • https://openalex.org/W2016734862
  • https://openalex.org/W2028545234
  • https://openalex.org/W2044670534
  • https://openalex.org/W2049243804
  • https://openalex.org/W2054438768
  • https://openalex.org/W2058128063
  • https://openalex.org/W2064871903
  • https://openalex.org/W2070983493
  • https://openalex.org/W2075723742
  • https://openalex.org/W2079681431
  • https://openalex.org/W2092561651
  • https://openalex.org/W2099264750
  • https://openalex.org/W2118166595
  • https://openalex.org/W2119998263
  • https://openalex.org/W2135298847
  • https://openalex.org/W2146460502
  • https://openalex.org/W2150367477
  • https://openalex.org/W2152967910
  • https://openalex.org/W2158401490
  • https://openalex.org/W2164023377
  • https://openalex.org/W2169223872
  • https://openalex.org/W2170125071
  • https://openalex.org/W2259682109
  • https://openalex.org/W2308351058
  • https://openalex.org/W2321117180
  • https://openalex.org/W2337775675
  • https://openalex.org/W2468765922
  • https://openalex.org/W2532785174
  • https://openalex.org/W2604426863
  • https://openalex.org/W2693920518
  • https://openalex.org/W2740273888
  • https://openalex.org/W2766065825
  • https://openalex.org/W2787483916
  • https://openalex.org/W2804973376
  • https://openalex.org/W2883282628
  • https://openalex.org/W2886743389
  • https://openalex.org/W2901748693
  • https://openalex.org/W2912659079
  • https://openalex.org/W2919584253
  • https://openalex.org/W2922493019
  • https://openalex.org/W2949592134
  • https://openalex.org/W2952376887
  • https://openalex.org/W2964580520
  • https://openalex.org/W2971340395
  • https://openalex.org/W2972030195
  • https://openalex.org/W2994903832
  • https://openalex.org/W3009179423
  • https://openalex.org/W3034162235
  • https://openalex.org/W3092368927
  • https://openalex.org/W3161537645
  • https://openalex.org/W3210239587
  • https://openalex.org/W4200002609
  • https://openalex.org/W4255468382
  • https://openalex.org/W42804431
  • https://openalex.org/W4318486544
  • https://openalex.org/W4361225801
  • https://openalex.org/W51193635