Surface analytics of bactericidal cicada wing nanopillars and development of a biomimetic nanoimprinting approach for functional replication

Abstract

Neue Forschungsergebnisse über die vielfältigen Eigenschaften von Nanopillars auf Flügelmembranen von Zikaden beschreiben Superhydrophobie, Antireflexions- und Selbstreinigungseigenschaften. Weiters wurde sogar antibakterielle Wirkung entdeckt. Diese Beobachtungen eröffnen ein vielversprechendes Feld für weitere Untersuchungen. In der vorliegenden Arbeit werden die biologischen Vorlagen (Zikadenflügel) und daraus mittels einer an der TU Wien neu entwickelten Nano-Abdrucktechnik hergestellte Mikro- und Nanostrukturen mit oberflächenphysikalischen Mitteln hinsichtlich ihrer Topologie und Funktionalität untersucht. Dafür wurden die Nanostrukturen der Flügeloberflächen von drei verschiedenen Zikadenarten mit Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie miteinander verglichen. Zwei in Neuseeland endemische Zikadenarten (Kikihia scutellaris und Amphipsalta cingulata) wiesen im Vergleich zu einer amerikanischen Art (Magicicada septendecim) höhere Nanostrukturen auf. Trotz dieser Höhenunterschiede wurde festgestellt, dass alle drei Arten antibakterielle Wirkung aufweisen, sowohl gegen Gram-negative als auch gegen Gram-positive Bakterien (Escherichia coli und Staphylococcus aureus). Weiters wurde eine schnelle und kostengünstige Abformmethode entwickelt, mit der die Nanosäulchen von der biologischen Vorlage auf verschiedene Harze übertragen werden können, und zwar mit einer Genauigkeit auf der Nanoebene auf zentimetergroßen Flächen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die derart hergestellten Replikate eine bakterizide Wirkung aufweisen. Die entwickelte Methode ist schnell und kosteneffizient und sie kann auf große Flächen übertragen werden. Dadurch wird ein weites Anwendungsgebiet eröffnet, von der bakteriziden Beschichtung von Krankenhausoberflächen, von Implantaten und auch von Smartphone-Displays. Dies könnte sich als erster Schritt zur erfolgreichen Bekämpfung der gefährlichen multiresistenten Bakterien erweisen.

In recent years, various interesting properties have been reported for the pillar-like nanostructures found on the wing membrane of several cicada wings. Besides to superhydrophobicity, antireflection and self-cleaning, a bactericidal effect was discovered. This observation opened a promising field for further investigation. In this thesis, biological templates and related micro- and nanostructures produced via nanoimprint technologies from these templates are analyzed regarding their topology and functionality. The nanostructures of the wing membrane of three different cicada species were investigated with Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy and compared with each other. The two cicada species endemic to New Zealand (Kikihia scutellaris and Amphipsalta cingulata) were found to have higher nanopillars compared to the American Magicicada septendecim. Despite these height differences it was observed that all three species show an antibacterial effect against the Gram-negative Escherichia coli and the Gram-positive Staphylococcus aureus. Moreover, a fast and low-cost imprinting method was developed which is capable to transfer the nanopillars from the biological template to various resins with nanoscale accuracy on large (cm2) areas. In addition, it was shown that replicas produced in such a way show a bactericidal effect. As the method is straightforward it can be upscaled to large areas. This opens a vast field of applications from hospital surfaces over implants to smartphone displays and could be a big step to address the problem of multidrug resistance in bacteria.