Surface-associated microbial communities, known as biofilms, pose significant challenges in clinical and industrial settings. Micro-/nanoscale substratum surface features have been shown to disrupt firm adhesion of planktonic microbes to surfaces, thereby interfering with the earliest stage of biofilm formation. However, the role of geometry and size of surface features in microbial retention is not completely understood. In this study, we developed a biophysical model that describes the changes in the total free energy (adhesion energy and stretching energy) of an adherent Candida albicans cell on nanofiber-coated surfaces as a function of the geometry (i.e., diameter) and configuration (i.e., interfiber spacing) of the surface features (i.e., nanofibers). We then introduced a new nondimensional parameter, Π, to represent the ratio of cell rigidity to cell–substratum interfacial energy. We show that the total free energy is a strong function of topographical feature size at higher Π and lower spacing values. To confirm our biophysical model predictions, we performed 24 h dynamic retention assays and quantified cell attachment number density on surfaces coated with highly ordered polystyrene nanofibers. We show that the total free energy of a single adherent cell on a patterned surface is a key determinant of microbial retention on that surface. The cell attachment density trend closely correlates with the predictions based on the adherent single-cell total energy. The nanofiber coating design (1.2 μm diameter, 2 μm spacing) that maximized the total energy of the adherent cell resulted in the lowest microbial retention. We further demonstrate the utility of our biophysical model by showing close correlation between the computed single-cell total free energy and biofilm nucleation on fiber-coated urinary and central venous catheters of different materials. This biophysical model could offer a powerful new paradigm in ab initio design of patterned surfaces for controlled biofilm growth for medical applications and beyond.

中文翻译：

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减轻微生物粘附力的纳米纤维涂料的设计：建模和在医用导管中的应用

与表面相关的微生物群落，称为生物膜，在临床和工业环境中提出了重大挑战。已经显示出微米/纳米尺度的基质表面特征破坏了浮游微生物对表面的牢固粘附，从而干扰了生物膜形成的最早阶段。然而，还没有完全了解几何形状和表面特征尺寸在微生物保留中的作用。在这项研究中，我们开发了一种生物物理模型，该模型描述了粘附的白色念珠菌的总自由能（粘附能和拉伸能）的变化。纳米纤维涂覆的表面上的单元取决于表面特征（即纳米纤维）的几何形状（即直径）和构型（即纤维间间距）的函数。然后，我们引入了一个新的无量纲参数Π，以表示细胞刚度与细胞-基质界面能之比。我们表明，在较高的Π和较低的间距值下，总自由能是地形特征尺寸的强大函数。为了确认我们对生物物理模型的预测，我们在涂覆有序聚苯乙烯纳米纤维的表面上进行了24小时动态保留测定并量化了细胞附着数密度。我们表明，在图案化表面上单个贴壁细胞的总自由能是该表面上微生物保留的关键决定因素。细胞附着密度趋势与基于粘附的单细胞总能量的预测紧密相关。纳米纤维涂层设计（直径为1.2μm，间距为2μm）可最大化粘附细胞的总能量，从而使微生物保留率最低。我们通过展示计算得出的单细胞总自由能与不同材料的纤维涂层导尿管和中心静脉导管上的生物膜成核之间的密切相关性，进一步证明了我们生物物理模型的实用性。这种生物物理模型可以为图案化表面的从头设计提供强大的新范式，以控制生物膜的生长，以用于医疗应用以及其他领域。2μm的间距）使粘附细胞的总能量最大化，从而导致最低的微生物保留。我们通过展示计算得出的单细胞总自由能与不同材料的纤维涂层导尿管和中心静脉导管上的生物膜成核之间的密切相关性，进一步证明了我们生物物理模型的实用性。这种生物物理模型可以为图案化表面的从头设计提供强大的新范式，以控制生物膜的生长，以用于医疗应用以及其他领域。2μm的间隔）使粘附细胞的总能量最大化，从而导致最低的微生物保留。我们通过展示计算得出的单细胞总自由能与不同材料的纤维涂层导尿管和中心静脉导管上的生物膜成核之间的密切相关性，进一步证明了我们生物物理模型的实用性。这种生物物理模型可以为图案化表面的从头设计提供强大的新范式，以控制生物膜的生长，以用于医疗应用以及其他领域。