当微生物(如细菌或藻类)附着在表面上并用细胞外聚合物质(EPS)基质包围它们自己时，生物膜就形成了。生物膜在自然界和大量的工业和生物过程中无处不在，在诸如蛀牙，食物消化，水回收和水生食物链等多种应用中发挥着关键作用，仅举几例。官方manbetx手机版研究人员发现，近80%的传染病与生物膜有关。生物膜内的微生物聚集成菌落，有时只由一种生物组成，有时由多种生物组成。这些生物之间相互作用和广泛交流，研究人员才刚刚开始了解这些方式。官方manbetx手机版它们争夺矿物质和营养物质，它们在一个被称为群体感应的过程中释放和感知各种各样的化学物质，以识别邻近生物的数量和特征，它们有时会释放毒素来杀死竞争对手。

图1所示。海藻酸盐水凝胶膜的切片，显示荧光脂质体渗透到膜中(A)超声暴露和(b)无超声暴露。膜的厚度约为120微米，膜被脂质体悬浮液覆盖。(来自Ma et al.， J. Acoust。Soc。点。，Aug 2015).

所有这些微生物的相互作用都是由生物膜内化学物质的扩散运输控制的。生物膜内的扩散通常被膜的凝胶状结构减缓，这就是为什么生物膜为微生物提供抗微生物化学物质和人类免疫系统反应的部分保护的原因之一。扩散过程是指一种物质，如化学物质或热量，通过组成该物质的分子的随机热运动逐渐向外扩散。物质的扩散速率与物质浓度梯度和一个系数(称为扩散系数)的乘积成正比，扩散系数是扩散物质的温度和扩散发生的传输介质的函数。

佛蒙特大学的一组科学家最近发现，将生物膜暴露在中等强度的超声波下，可以显著增加某些物质进入生物膜的扩散速度。最初的发现是由Ma等人报道的(j . Acoust。Soc。我， 2015年8月)，他通过实验表明，一种小(直径约400nm)的蛋白质胶囊悬浮液含有荧光液体，称为脂质体与单独的分子扩散相比，海藻酸盐水凝胶(用作合成生物膜结构)具有更大的渗透能力(图1)。

下面引用的论文解释了超声波如何提高纳米颗粒在水凝胶(如生物膜)中的扩散速率。超声波，像任何声信号一样，导致生物膜内的流体元素在一定距离上来回振荡，这取决于超声波的频率和振幅。当液体中含有纳米颗粒时，这些颗粒会反复穿过构成生物膜的纠缠蛋白的孔隙空间。然而，有时小颗粒会暂时被困在水凝胶蛋白质网络中，或者在它们的振荡运动中受到阻碍。当这种情况发生时，超声波强迫导致粒子表现出类似于分子扩散的行为，但速度要快得多。为了证明这种提出的扩散机制，我们开发了一个简单的一维振荡粒子运动随机粒子持有的随机模型。在小时间步长条件下，将该随机模型简化为标准扩散方程，并推导出超声力作用下的有效扩散系数表达式。

超声波可以增强纳米颗粒对生物膜的渗透，这一发现具有广泛的潜在应用，使人们能够选择性地将物质注入生物膜，以缓解或修改或控制生物膜过程。

杰弗里·s·马歇尔
机械工程系，
佛蒙特大学，伯灵顿，佛蒙特，美国

出版

超声增强生物膜扩散的模型。
马歇尔JS
J会计Soc, 2016年6月

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