Surface Thermodynamics of Bacterial Adhesion

8/8/2019 Surface Thermodynamics of Bacterial Adhesion

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V o l . 4 6 , N o . 1P P L I E D AND ENVIRONMENTAL M I C R O B I O L O G Y , J u l y 1 9 8 3 , p . 9 0 - 9 70 0 9 9 - 2 2 4 0 / 8 3 / 0 7 0 0 9 0 - 0 8 $ 0 2 . 0 0 / 0C o p y r i g h t 1 9 8 3 , A m e r i c a n S o c i e t y f o r M i c r o b i o l o g y

S u r f a c e T h e r m o d y n a m i c s o f B a c t e r i a l A d h e s i o nDARRYL R . ABSOLOM, 23* FRANCIS V. L A M B E R T I ,4 ZDENKA POLICOVA,1'2 WALTERZ I N G G , 1 , 5 ' 6 CAREL J . VAN O S S , 3 AND A . WILHELM NEUMANN 1 . 2 , 5

R e s e a r c h I n s t i t u t e , T h e H o s p i t a l f o r S i c k C h i l d r e n , T o r o n t o , O nt a r i o , M 5G I X 8 C a n a d a 1 ; D e p a r t m e n t s o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 2 and C h e m i c a l E n g i n e e r i n g 4 a n d I n s t i t u t e s o f B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g 5 a n d M e d i c a lS c i e n c e , 6 U n i v e r s i t y o f T o r o n t o , T o r o n t o , O n t a r i o , M 5 S I A 4 C a n a d a ; D e p a r t m e n t o f M i c r o b i o l o g y , S t a t eU n i v e r s i t y o f N ew Y o r k , B u f f a l o , N ew Y o r k 1 4 2 1 4 3R e c e i v e d 2 2 December 1 9 8 2 / A c c e p t e d 1 4 March 1 9 8 3

T h e a d h e s i o n o f f i v e s t r a i n s o f b a c t e r i a , i . e . , S t a p h y l o c o c c u s aureus ( s t r a i n0 4 9 ) , S t a p h y l o c o c c u s e p i d e r m i d i s ( s t r a i n 0 4 7 ) , E s c h e r i c h i a c o l i ( s t r a i n s 0 5 5 a n d2 6 2 7 ) , a n d L i s t e r i a monocytogenes, t o v a r i o u s p o l y m e r i c s u r f a c e s wa s s t u d i e d .The d e s i g n o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o t o c o l was d i c t a t e d b y t h e r m o d y n a m i c c o n s i d e r -a t i o n s . Fr om t h e t h e r m o d y n a m i c m o d e l f o r t h e a d h e s i o n o f s m a l l p a r t i c l e s f r o m as u s p e n s i o n o n t o a s o l i d s u b s t r a t u m , i t f o l l o w s t h a t t h e e x t e n t o f a d h e s i o n i sd e t e r m i n e d b y t h e s u r f a c e p r o p e r t i e s o f a l l t h r e e p h a s e s i n v o l v e d , i . e . , t h e s u r f a c et e n s i o n s o f t h e a d h e r i n g p a r t i c l e s , o f t h e s u b s t r a t e , a n d o f t h e s u s p e n d i n g l i q u i dm e d i u m . I n essence, a d h e s i o n i s m o r e e x t e n s i v e t o h y d r o p h i l i c s u b s t r a t a ( i . e . ,s u b s t r a t a o f r e l a t i v e l y h i g h s u r f a c e t e n s i o n ) t h a n t o h y d r o p h o b i c s u b s t r a t a , whent h e s u r f a c e t e n s i o n o f t h e b a c t e r i a i s l a r g e r t h a n t h a t o f t h e s u s p e n d i n g m e d i u m .When t h e s u r f ac e t e n s i o n o f t h e s u s p e n d i n g l i q u i d i s l a r g e r t h a n t h a t o f t h eb a c t e r i a , t h e o p p o s i t e p a t t e r n o f b e h a v i o r p r e v a i l s . S u s p e n s i o n s o f b a c t e r i a a t ac o n c e n t r a t i o n o f 1 0 8 m i c r o o r g a n i s m s per m l were b r o u g h t i n t o c o n t a c t w i t hs e v e r a l p o l y m e r i c s u r f a c e s ( T e f l o n , p o l y e t h y l e n e , p o l y s t y r e n e , a n d a c e t a l a n ds u l f o n a t e d p o l y s t y r e n e ) f o r 3 0 m i n a t 2 0 C . A f t e r r i n s i n g , t h e number o f b a c t e r i aa d h e r i n g per u n i t s u r f a c e area was d e t e r m i n e d b y i m a g e a n a l y s i s . The s u r f a c et e n s i o n o f t h e s u s p e n d i n g m e d i u m , Hanks b a l a n c e d s a l t s o l u t i o n , was m o d i f i e dt h r o u g h t h e a dd i t i o n o f v a r i o u s amounts o f d i m e t h y l s u l f o x i d e . I t was f o u n d t h a tt h e number o f b a c t e r i a a d h e r i n g per u n i t s u r f a c e area c o r r e l a t e s w e l l w i t h t h et h e r m o d y n a m i c p r e d i c t i o n s a n d t h a t t h e s e d a t a may b e u s e d t o d e t e r m i n e t h es u r f a c e t e n s i o n o f t h e d i f f e r e n t b a c t e r i a l s p e c i e s . The s u r f a c e t e n s i o n s o f t h eb a c t e r i a o b t a i n e d i n t h i s f a s h i o n a re i n e x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h t h o s e o b t a i n e d b yo t h e r m e t h o d s .

B a c t e r i a l a d h e s i o n t o a s u r f a c e i s known t op l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n a w i d e v a r i e t y o fs i t u a t i o n s , e . g . , i n f e c t i o n o f v a r i o u s t i s s u e s ( 2 1 ) ,d e n t a l d e c a y ( 1 6 ) , s h i p f o u l i n g ( 9 ) , f e r m e n t a t i o n( 5 ) , a n d w a s t e w a t e r a n d s e w a g e t r e a t m e n t ( 6 ) .H o w e v e r , t h e f u n d a m e n t a l m e c h a n i s m s g o v e r n -i n g b a c t e r i a l a d h e s i o n a r e p o o r l y u n d e r s t o o d a n dh a v e n o t b e e n w e l l d e f i n e d . M o s t w o r k t o d a t eo n m i c r o b i a l a d h e s i o n h a s d e a l t w i t h t h e i n f l u -e n c e o f s u b s t r a t a s u r f a c e p r o p e r t i e s o n t h e e x -t e n t o f t h e r e l a t i v e a d h e s i o n ( 7 ) , g r o w t h o f t h ea d h e r i n g m i c r o b e s , a n d t h e i r s u b s e q u e n t b e h a v -i o r ( 8 ) . A b r i e f s u r v e y o f t h e a b u n d a n t l i t e r a t u r ef r o m v a r i o u s d i v e r se d i s c i p l i n e s s u c h a s e x p e r i -m e n t a l p a t h o l o g y , t h e e v a l u a t i o n o f s y n t h e t i cv a sc u l a r i m p l a n t m a t e r i a l s , e t c . , s u g g e s t s t h a t aq u a l i t a t i v e r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n t h e s u r -f a c e p r o p e r t i e s o f t h e v a r i o u s s y n t h e t i c ( u s u a l l yp o l y m e r i c ) m a t e r i a l s a n d t h e e x t e n t o f t h e b i o -l o g i c a l r e s p o n s e ( e . g . , c e l l a d h e s i o n , p h a g o c y t i ci n g e s t i o n , o r f i b r o u s e n c a p s u l a t i o n ) t h e y e v o k e .

I n v i e w o f t h e p e r v a s i v e n a t u r e o f b a c t e r i a la d h e s i o n , t h e p r e s e n t s t u d y wa s u n d e r t a k e n i na n a t t e m p t t o d e f i n e t h o s e p a r a m e t e r s w h i c hd e t e r m i n e t h e e x t e n t o f t h e i n i t i a l i n t e r a c t i o n o fb a c t e r i a l a d h e s i o n t o p o l y m e r s u r f a c e s . S u c hd e t a i l s a r e r e q u i r e d i f o n e i s t o u n d e r s t a n d ,c o n t r o l , a n d m o d i f y s u c h m i c r o o r g a n i s m - s u b -s t r a t u m i n t e r a c t i o n s i n v a r i o u s t e c h n o l o g i c a l a r -e a s s u c h a s p r e v e n t i n g u n w a n t e d b i o f o u l i n g o ri m p r o v i n g c o l o n i z a t i o n o f c e l l s o n t o s y n t h e t i cs u r f a c e s .T h e o r e t i c a l c o n s i d e r a t i o n s . O u r a p p r o a c h t ot h i s p r o b l e m i s b a s e d o n s u r f a c e t h e r m o d y n a m -i c s . T h i s i m p l i e s t h a t a p r o p e r l y i d e n t i f i e d t h e r -m o d y n a m i c p o t e n t i a l , i . e . , t h e f r e e e n e r g y , w i l lb e m i n i m i z e d a t e q u i l i b r i u m . T h u s , t h e p r o c e s su n d e r c o n s i d e r a t i o n , b a c t e r i a l a d h e s i o n , w i l l b ef a v o r e d i f t h e p r o c e s s i t s e l f c a u s e s t h e t h e r m o -d y n a m i c f u n c t i o n t o d e c r e a s e . T h e p r o c e s s w i l ln o t b e f a v o r e d i f i t c a u s e s t h e f r e e e n e r g yf u n c t i o n t o i n c r e a s e . F o r s y s t e m s i n w h i c h t h e

9 0


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SURFACE T H E R M O D Y N A M I C S O F BACTER I A L A D H ESI O N 9 1e f f e c t o f e l e c t r i c c h a r g e s a s w e l l a s s p e c i f i cb i o c h e m i c a l i n t e r a c t i o n s ( e . g . , r e c e p t o r - l i g a n d )may b e n e g l e c t e d , t h e c h a n g e i n t h e f r e e e n e r g yf u n c t i o n ( A p d h ) i s , p e r u n i t s u r f a c e a r e a :

A F p d h = Y B S -Y B L -YSL ( 1 )w h e r e pdh i s t h e f r e e e n e r g y o f a dh e si o n , Y B S i St h e b a c t e r i u m - s u b s t r a t u m i n t e r f a c i a l t e n s i o n ,Y B L i S t h e b a c t e r i u m - l i q u i d i n t e r f a c i a l t e n s i o n ,a n d Y S L i s t h e s u b s t r a t u m - l i q u i d i n t e r f a c i a l t e n -s i o n . A l t h o u g h e q u a t i o n 1 b y i t s e l f c o n s t i t u t e sn o t h i n g m o r e t h a n a s i m p l e f r e e e n e r g y b a l a n c e ,o n l y i n r e c e n t y e a r s h a s i t b e c o m e p o s s i b l e t oo b t a i n e x p e r i m e n t a l d a t a f o r t h e v a r i o u s i n t e r f a -c i a l t e n s i o n s i n v o l v i n g s o l i d s u r f a c e s . B r i e f l y ,t h i s i s a c h i e v e d t h r o u g h t h e u s e o f Y o u n g ' se q u a t i o n :

Y S V -YSL = L V c o s O ( 2 )w h e r e - Y s v , Y S L , a n d Y L V a r e , r e s p e c t i v e l y , t h ei n t e r f a c i a l t e n s i o n b e t w e e n a s o l i d s u b s t r a t u m Sa n d t h e v a p o r p h a s e V , b e t w e e n S a n d t h e l i q u i dL , a n d b e t w e e n L a n d V ; 0 r e p r e s e n t s t h ec o n t a c t a n g l e o f t h e l i q u i d o n t h e s o l i d ( 1 4 ) . O ft h e f o u r q u a n t i t i e s i n e q u a t i o n 2 , o n l y t h e l i q u i ds u r f a c e t e n s i o n ( Y L v ) a n d 0 a r e r e a d i l y d e t e r -m i n e d e x p e r i m e n t a l l y ; d e t e r m i n a t i o n o f a f u r -t h e r r e l a t i o n b e t w e e n t h e s e q u a n t i t i e s i s r e -q u i r e d . I t h a s b e e n s h o w n f r o m t h e r m o d y n a m i cc o n s i d e r a t i o n s t h a t a n e q u a t i o n o f s t a t e r e l a t i o no f t h e f o r m :

Y S L = f t Y s v , Y L V ) ( 3 )m u s t e x i s t ( 2 0 ) . U s i n g e x p e r i m e n t a l c o n t a c t a n -g l e d a t a a n d l i q u i d - v a p o r i n t e r f a c i a l t e n s i o n s ,e q u a t i o n 3 h a s b e e n f o r m u l a t e d e x p l i c i t l y ( 1 4 ) a sf o l l o w s :

Y S L =

()21 - 0 . 0 1 5 \ / y s v * y L V

t i e s Y L V a n d 0 . I f e q u a t i o n 4 i s c o n s i d e r e d a s ag e n e r i c e q u a t i o n t o c a l c u l a t e a n y i n t e r f a c i a l t e n -s i o n Y 1 2 f r o m ( g i v e n o r p r e d e t e r m i n e d ) i n t e r f a -c i a l t e n s i o n s Y 1 3 a n d Y 2 3 , w h e r e t h e s u b s c r i p t s 1 ,2 , a n d 3 r e f e r t o d i f f e r e n t p h a s e s , a l l r e q u i r e di n t e r f a c i a l t e n s i o n s i n e q u a t i o n 1 may b e c o m -p u t e d , p e r m i t t i n g e x p l i c i t t h e r m o d y n a m i c p r e -d i c t i o n s o f t h e r e l a t i v e e x t en t o f b a c t e r i a l a d h e -s i o n t o v a r i o u s s u b s t r a t a .E q u a t i o n s 4 a n d 5 h a v e , a s t h e y s t a n d , c e r t a i np u r e l y m a t h e m a t i c a l l i m i t a t i o n s w h i c h c a n , h o w -e v e r , b e c i r c u m v e n t e d ( 1 1 , 1 4 ) . C o m p u t e r p r o -g r a m s ( 1 5 ) a s w e l l a s t a b l e s ( 1 1 ) a r e a v a i l a b l ew h i c h a v o i d s u c h d i f f i c u l t i e s .T h e p u r p o s e o f t h e p r e s e n t p a p e r i s t o s t u d yt h e e f f e c t o f t h e s u r f a c e t e n s i o n o f s u b s t r a t a( - Y s v ) a n d o f t h e s u s p e n d i n g l i q u i d medium ( L V )o n t h e r e l a t i v e e x t e n t o f a d h e s i o n o f f i v e s t r a i n so f b a c t e r i a t o a w i d e r a n g e o f p o l y m e r s u r f a c e s .A t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n o f t h e f r e e e n e r g yc h a n g e ( A p d h ) f o r t h e a t t a c h m e n t o f b a c t e r i af r o m s u s p e n s i o n t o v a r i o u s s u b s t r a t a a s a f u n c -t i o n o f - Y s v i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 . T h e i n p u t d a t ar e q u i r e d f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s u c h a p l o t a r et h e s u r f a c e t e n s i o n s o f t h e t h r e e i n t e r a c t i n gs p e c i e s , i . e . , t h e s u r f a c e t e n s i o n s o f t h e b a c t e r i a( B V ) , t h e p o l y m e r s u b s t r a t a ( y s v ) , a n d t h e s u s -p e n d i n g l i q u i d m e d i u m ( Y L V ) . S u c h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s l e a d t o a d i s t i n c t i o n b e t w e e n t w os i t u a t i o n s . F o r

Y L V < Y B V ( 6 )w h e r e Y B V i S t h e i n t e r f a c i a l t e n s i o n b e t w e e n t h eb a c t e r i a a n d v a p o r , A F p d h d e c r e a s e s w i t h i n -c r e a s i n g - Y s v , p r e d i c t i n g i n c r e a s i n g b a c t e r i a l a d -h e s i o n w i t h i n c r e a s i n g s u r f a c e t e n s i o n ( y s v ) o ft h e s u b s t r a t e o v e r a c o m p a r a t i v e l y w i d e r a n g e o f, y s v v a l u e s . O n t h e o t h e r h a n d , when

Y L V > Y B V ( 7 )t h e o p p o s i t e p a t t e r n o f b e h a v i o r o c c u r s . A t y p i -c a l p l o t o f t h i s t y p e i s p r e s e n t e d i n F i g . 1 , w h e r et h e p r e d i c t e d a d h e s i o n o f a s i n g l e s p e c i e s o f( 4 ) b a c t e r i a t o a r a n g e o f p o l y m e r s u r f a c e s , o u t o f as e r i e s o f l i q u i d s u r f a c e t e n s i o n s , i s d e p i c t e d . F o rt h e l i m i t i n g c a s e o f t h e e q u a l i t y

I n c o n j u n c t i o n w i t h Y o u n g ' s e q u a t i o n , t h i s r e l a -t i o n y i e l d s :c o s 0 =

( 0 . 0 1 5 Y s v - 2 . 0 0 ) * I Y ^ S s V Y L V + Y L VYLV 0Y015VYLV -1

W i t h t h e a i d o f e q u a t i o n 5 t h e unknown sur-f a c e t e n s i o n o f t h e s u b s t r a t u m , - Y s v , may b ed e t e r m i n e d f r o m t h e e a s i l y m e a s u r a b l e q u a n t i -

Y L V = Y B V ( 8 )A y p d h b e c o m e s e q u a l t o z e r o i n d e p e n d e n t l y o ft h e v a l u e o f Y s v . T h e l a t t e r f a c t c a n a l s o b e s e e nd i r e c t l y f r o m t h e p r o p e r t i e s o f t h e e q u a t i o n o fs t a t e f o r i n t e r f a c i a l t e n s i o n s ( 1 4 ) , s i n c e f o r t h ec a s e o f e q u a t i o n 8 , i t f o l l o w s i m m e d i a t e l y t h a tY B L = 0 a n d Y B S = Y S L ( c f . e q u a t i o n 1 ) . T h i sl i m i t i n g c o n d i t i o n i m p l i e s t h a t b a c t e r i a l a d h e -s i o n , u n d e r t h e s e c i r c u m s t a n c e s , d o e s n o t d e -p e n d o n t h e s u r f a c e t e n s i o n o f t h e s u b s t r a t u ma n d , i n p r i n c i p l e , s h o u l d b e z e r o i f no o t h e re f f e c t s , s u c h a s e l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s , c o m ei n t o p l a y ( 2 ) .

V O L . 4 6 , 1 9 8 3


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12 - genes wa s g row n f o r 4 8 h a t 3 7 C i n t r y p t i c s o y b r o t h .The b a c t e r i a were r e m o v e d f r o m t h e r e s p e c t i v e' Y L V > ' Y B V growth m e d i a , was hed three t imes with Hanks bal-a n c e d s a l t s o l u t i o n b y r e p e a t e d c e n t r i f u g a t i o n a t 4 7 5 x- 8 g f o r 2 5 m i n , a n d f i n a l l y s u s p e n d e d i n t h e a p p r o p r i a t el i q u i d ( T a b l e 2 ) as d e t e r m i n e d b y t h e e x p e r i m e n t a lp r o t o c o l . T h e b a c t e r i a l c o n c e n t r a t i o n , d e t e r m i n e dw i t h t r i p l i c a t e c o u n t s o n a N e u b a u e r c o u n t i n g c h a m -b e r , was a d j u s t e d t o y i e l d 1 0 8 b a c t e r i a p e r m l . ( T o- 4 overcome a n y p o s s i b l e p r o b l e m s d u e t o b a c t e r i a lc l u m p i n g , t h e s u s p e n s i o n s were v o r t e x e d i m m e d i a t e l yb e f o r e us e a n d c o u n t i n g . )S u r f a c e t e n s i o n d e t e r m i n a t i o n s . D e t e r m i n a t i o n o f t h e0 surface tension ( - Y s v ) of the solid substrata listed in

YBv; 'YLV = 72.8 fo r 25 m i n . The r e s u l t i n g p e l l e t was resuspended i n 1Y L V < ' Y B V ; ' Y L V = 6 4 . 0 e r g s / c m 2 . m l o f H a n k s b a l a n c e d s a l t s o l u t i o n . A 0 . 2 5 - m l p o r t i o n

o f t h i s s u s p e n s i o n was t h e n e v e n l y s p r e a d over a 1 - c m 2a re a o f 1% ( w t / v o l ) agar c o n t a i n i n g 10% ( v o l / v o l )

M A T E R I A LS A N D M E T H O D S glycerol.A5 - , i amountof0.15 N a C l , pH7.1,u s e d t o d e t e r m i n e t h e a d v a n c i n g c o n t a c t a n g l e o f t h ea d h e s i o n . B a c t e r i a l a d h e s i o n e x p e r i m e n t s v a r i o u s s p e c i e s o f b a c t e r i a b y f o l l o w i n g t h e e f f e c t o frmed w i t h t h e s u b s t r a t e m a t e r i a l s l i s t e d i n t h e e v a p o r a t i o n o f excess w a t e r f r o m t h e b a c t e r i a l' i t h s u r f a c e t e n s i o n s r a n g i n g f r o m 1 6 t o 6 7 l a y e r on t h e c o n t a c t a n g l e ( 1 9 ) .P r e p a r a t i o n o f t h e s u r f a c e s was p e r f o r m e d A d h e s i o n p r o t o c o l . A d h e s i o n t e s t s o f t h e b a c t e r i a t od p r e v i o u s l y a n d a s i n d i c a t e d i n T a b l e 1 ( 2 ) . t h e v a r i o u s s u b s t r a t e m a t e r i a l s were p e r f o r m e d a sn d i n g l i q u i d medium i n t h e s e e x p e r i m e n t s d e s c r i b e d p r e v i o u s l y f o r t h e s t a t i c a d h e s i o n t e s t w i t h

s b a l a n c e d s a l t s o l u t i o n , w i t h d i f f e r e n t con- p l a t e l e t s ( 1 5 ) , g r a n u l o c y t e s ( 2 , 1 2 ) , a n d p r o t e i n s ( 1 8 ) .s o f d i m e t h y l s u l f o x i d e ( D M S O ) , up t o a B r i e f l y , 1 m l o f t h e b a c t e r i a l s u s p e n s i o n c o n t a i n i n g 1 0 8o f 15% ( v o l / v o l ) , r e s u l t i n g i n a r a n g e o f b a c t e r i a , i n t h e a p p r o p r i a t e t e s t m e d i u m , was p l a c e df a c e t e n s i o n s f r o m 7 2 . 8 t o 6 4 . 0 e r g s / c m 2 on t h e s u r f a c e s a n d was r e t a i n e d i n w e l l s f o r m e d f r o m1 e r g / c m 2 = 1 m J / c m 2 ) . The p H was m a i n - 0 . 2 5 % ( w t / v o l ) a g a r o s e ( C a l i b i o c h e m , L a J o l l a , C a l i f . ) .H 7 . 1 t h r o u g h t h e a d d i t i o n o f 0 . 1 M N a O H. The b a c t e r i a were t h e n i n c u b a t e d a t 2 1 C f o r 3 0 m i n ,t i o n o f b a c t e r i a l s u s p e n s i o n . S t a p h y l o c o c c u s a f t e r w h i c h t h e s u r f a c e s were r i n s e d w i t h Hankst r a i n 0 4 9 ) , S t a p h y l o c o c c u s e p i d e r m i d i s b a l a n c e d s a l t s o l u t i o n t o remove n o n a d h e r e n t b a c t e -

) , and E s c h e r i c h i a c o l i ( s t r a i n s 0 5 5 a n d 2 6 2 7 ) r i a . T h e r e a f t e r , t h e s u b s t r a t e s were a i r d r i e d , a n d t h el e d f o r 2 4 h a t 3 7 C on n u t r i e n t a g a r ( D i f c o c e l l s a d h e r i n g t o t h e v a r i o u s s u r f a c e s were c o u n t e di e s , D e t r o i t , M i c h . ) . L i s t e r i a monocyto- w i t h a n a u t o m a t i c i m a g e a n a l y s i s s y s t e m ( O m n i c o n

E- o0

U-

F I G . 1 .a l s p e c i e sThe b a c t e rt e n s i o n YBe r g s / c m 2 . I

B a c t e r i a lwere p e r f cT a b l e 1 , we r g s / c m 2 . Ias d e s c r i b eThe suspewas H a n k sc e n t r a t i o n sm a x i m u ml i q u i d s u r f( T a b l e 2 ) (t a i n e d a t p :

P r e p a r a taureus ( s( s t r a i n 0 4 7 'were l a w n 4L a b o r a t o r i

T A BL E 1 . S o l i d s u b s t r a t e s u s e d i n b a c t e r i a l a d h e s i o n e x p e r i m e n t sC o n t a c t a n g l e S u r f a c e t e n s i o nM a t e r i a l S o u r c e P r e p n w i t h w a t e r Y s v ( e r g s / c m 2 )( 0 H 2 0 [ I ) s

F l u o r i n a t e d e t h y l e n e - p r o p y l e n e C o m m e r c i a l P l a s t i c s , H e a t p r e s s 1 1 0 3 1 6 . 4c o p o l y m e r T o r o n t o , C a n a d aP o l y s t y r e n e C e n t r a l R e s e a r c h L a b , U s e d a s r e c e i v e d 9 5 2 2 5 . 6D o w C h e m i c a l C o .L o w - d e n s i t y p o l y e t h y l e n e C o m m e r c i a l P l a s t i c s , H e a t p r e s s 8 4 4 3 2 . 5T o r o n t o , C a n a d aA c e t a l r e s i n C o m m e r c i a l P l a s t i c s , H e a t p r e s s 6 4 1 4 4 . 6T o r o n t o , C a n a d aS u l f o n a t e d p o l y s t y r e n e C e n t r a l R e s e a r c h L a b , U s e d a s r e c e i v e d 2 4 3 6 6 . 7D o w C h e m i c a l C o .

A P P L . E N V I R O N . M I C R O B I O L .9 2 A BSO L O M E T AL.-


4/8

SURFACE T H E R M O D Y N A M I C S O F BACTER I A L A D H E S I O N 9 3T AB L E 2 . S u r f a c e t e n s i o n o f s u sp e n di n g m e d i u m a t2 1 0 C

C o n c n o f DMSO S u r f a c e t e n s i o nM e d i u m ( % , v o l / V o ) a Y L V ( e r g s / c m 2 )H B S S b 7 2 . 8HBSS-DMSO 3 c 3 7 0 . 8HBSS-DMSO 7 . 5 7 . 5 6 9 . 0HBSS-DMSO 1 0 1 0 6 7 . 5HBSS-DMSO 1 5 1 5 6 4 . 0

a D M S O w a s o b t a i n e d f r o m F i s h e r S c i e n t i f i c C o . ,P i t t s b u r g h , P a .b H a n k s b a l a n c e d s a l t s o l u t i o n ( H B S S ) i s c o m p o s e do f t h e f o l l o w i n g , i n m i l l i g r a m s p e r l i t e r : a n h y d r o u sC a C l 2 , 1 4 0 . 0 ; K C I , 4 0 0 ; K H 2 P O 4 , 6 0 . 0 ; M g C l 2 * 6 H 2 0 ,1 0 0 . 0 ; MgSO4 * 7 H 2 0 , 1 0 0 . 0 ; N a C l , 8 , 0 0 0 . 0 ; NaHCO3,3 5 0 . 0 ; N a 2 H P O 4 * 2 H 2 0 , 6 0 . 0 ; g l u c o s e , 1 , 0 0 0 . 0 ; , . =0 . 1 5 , pH 7 . 2 6 .c A p p r o x i m a t e c o n c e n t r a t i o n s ( p e r c e n t , v o l u m e /v o l u m e ) o f D MSO. S i n c e t h i s m a t e r i a l i s q u i t e h y d r o -p h i l i c , t h e a p p a r e n t c o n c e n t r a t i o n s f l u c t u a t e c o n s i d e r -a b l y a s a f u n c t i o n o f t h e t i m e t h e b o t t l e ( o r v i a l ) h a sb e e n o p e n e d ; t h e i m p o r t a n t v a l u e i s t h e s u r f a c e t e n -s i o n ( Y L V ) , m e a s u r e d j u s t b e f o r e u s e ( v i a t h e W i l h e l m ym e t h o d ) .

3 0 0 0 ; B a u s c h & L o m b , R o c h e s t e r , N . Y . ) a n d e x -p r e s s e d a s t h e n u m b e r o f b a c t e r i a p e r u n i t a r e a o f t e s ts u r f a c e .RESULTS A N D DISCUSSIONTo u s e t h e p r e d i c t i v e m o d e l ( F i g . 1 ) , i t i sn e c e s s a r y t o know t h e s u r f a c e t e n s i o n s ( Y L V ) O ft h e s u s p e n d i n g l i q u i d s , a s w e l l a s t h e s u r f a c et e n s i o n s ( Y B V ) o f t h e b a c t e r i a a n d t h a t ( y s v ) o ft h e v a r i o u s s u b s t r a t a .S u r f a c e t e n s i o n s Y B V a n d - Y s v w e r e o b t a i n e df r o m c o n t a c t a n g l e m e a s u r e m e n t s a s a l r e a d yd e s c r i b e d . T h e y s v v a l u e s a r e g i v e n i n T a b l e 1 ,t o g e t h e r w i t h t h e mode o f p r e p a r a t i o n . T h el i q u i d s u r f a c e t e n s i o n s , Y L V , o f t h e b u f f e r a n db u f f e r - D M S O m i x t u r e s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e

2 . T h e c o n t a c t a n g l e s m e a s u r e d o n t h e v a r i o u sb a c t e r i a a r e p l o t t e d i n F i g . 2 . T h e c o n t a c t a n g l e so f t h e p l a t e a u x r e p r e s e n t Y o u n g c o n t a c t a n g l e s ,i . e . , a n g l e s w h i c h a r e t h e r m o d y n a m i c a l l y c h a r -a c t e r i s t i c f o r t h e s u r f a c e t e n s i o n o f t h e s u b s t r a t e( i n t h i s c a s e b a c t e r i a ) a n d n o t i n f l u e n c e d b y ,e . g . , s u r f a c e r o u g h n e s s ( 1 4 ) . T h e s e c o n t a c t a n -g l e s ( T a b l e 3 ) a r e u s u a l l y s t a b l e f o r 2 0 t o 5 0 m i n .From t h e s u r f a c e t e n s i o n Y L V = 7 2 . 8 e r g s / c m 2f o r s a l i n e a t 2 1 C , t h e s u r f a c e t e n s i o n s o f t h eb a c t e r i a ( - Y B V ) w e r e c a l c u l a t e d a s e x p l a i n e da b o v e ( s e e s u m m a r y i n T a b l e 3 ) .As a n i l l u s t r a t i o n o f t h e i n f l u e n c e o f s u r f a c et e n s i o n o f t h e d i f f e r e n t b a c t e r i a l s p e c i e s , t h ee x t e n t o f a d h e s i o n o f t h e f i v e s t r a i n s s u s p e n d e di n t h e s t a n d a r d b u f f e r ( Y L V = 7 2 . 8 e r g s / c m 2 ) i sd e p i c t e d i n F i g . 3 . T h e e x t e n t o f a d h e s i o n a s w e l la s t h e s l o p e o f t h e s e c u r v e s d e c r e a s e w i t h i n -

3 5 -

25-

z< 1 5 -uZ0

5-

0

00-O o -Ow V

/ C Xr-o-_-_ 0700A0 7 / 0 L m o n o c y t o g e n e sv 7 S e p i d e r m i d i s

E c o l i 2 6 2 7A S o u r e u s 0 4 9O E c o l i 0 5 5

0 2 0 4 0 60T I M E m i n u t e s ]

8 0 1 0 0

F I G . 2 . C o n t a c t a n g l e s o f s a l i n e o n l a y e r s o f b a c t e -r i a a s a f u n c t i o n o f w a t e r e v a p o r a t i o n f r o m t h e w e tb i o l o g i c a l s u b s t r a t e , m e a s u r e d i n t e r m s o f t i m e . E a c hs y m b o l r e p r e s e n t s t h e a v e r a g e o f 1 0 i n d i v i d u a l c o n t a c ta n g l e r e a d i n g s o n e a c h o f f o u r d i f f e r e n t d r o p s , a ta p p r o x i m a t e l y t h e s a m e t i m e , o n t h e s a m e s u b s t r a t e .

c r e a s i n g h y d r o p h i l i c i t y o f t h e b a ct e r i a ( s e e T a b l e3 ) . T h i s d i f f e r e n c e i n t h e s l o p e s o f t h e s e c u r v e si s s i g n i f i c a n t , a s w i l l b e s h o w n b e l o w .T h e r e s u l t s o f t h e b a c t e r i a l a d h e s i o n e x p e r i -m e n t s f r o m t h e v a r i o u s DMSO-water m i x t u r e sa r e g i v e n i n F i g . 4 . T h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n si n h e r e n t i n F i g . 1 a n d t h e i r i m p l i c a t i o n s a r es u b s t a n t i a t e d e x p e r i m e n t a l l y . A t t h e l o w e s tD M S O c o n c e n t r a t i o n , c o r r e s p o n d i n g t o t h eh i g h e s t s u r f a c e t e n s i o n ' Y L V o f t h e s u s p e n d i n gm e d i u m , b a c t e r i a l a d h e s i o n d e c r e a s e s w i t h i n -c r e a s i n g y s v o f t h e s u b s t r a t u m . As t h e DMSOc o n c e n t r a t i o n i s i n c r e a s e d a n d t h e s u r f a c e t e n -s i o n _ Y L V i S c o r r e sp o n d i n g l y l o w e r e d , t h e c h a n g ei n t h e d e g r e e o f b a c t e r i a l a d h e s i o n w i t h i n c r e a s -i n g - Y s v b e c o m e s l e s s p r o n o u q c e d . A t c e r t a i ni n t e r m e d i a t e Y L V v a l u e s , s p e c i f i & f o r e a c h b a c t e -r i a l s p e c i e s , a d h e s i o n b e c o m e s i n d e p e n d e n t o fy s v a n d f i n a l l y , a t y e t l o w e r v a l u e s o f t h e s u r f a c et e n s i o n - Y L V , a d h e s i o n i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n gY s v .A s i d e f r o m t h e i n t r i n s i c i n t e r e s t o f t h e s e d a t a ,t h e r e a r e t w o f u r t h e r p o i n t s t o b e m a d e . F i r s t ,t h e s i m p l e t h e r m o d y n a m i c m o d e l u n d e r l y i n ge q u a t i o n 1 , t o g e t h e r w i t h t h e e q u a t i o n o f s t a t ea p p r o a c h f o r i n t e r f a c i a l t e n s i o n s ( 1 4 ) , d e s c r i b e sT A BL E 3 . C o n t a c t a n g l e s w i t h s a l i n e a n d s u r f a c et e n s i o n s o f b a c t e r i a a t 2 1 o C a

S p e c i m e n C o n t a c t a n g l e s S u r f a c e t e n s i o nE . c o l i 0 5 5 1 6 . 7 1 . 0 6 9 . 7 0 . 4S . a u r e u s 0 4 9 1 8 . 5 1 . 2 6 9 . 1 0 . 6E . c o l i 2 6 2 7 2 1 . 2 0 . 7 6 7 . 9 0 . 3S . e p i d e r m i d i s 2 3 . 4 0 . 5 6 7 . 1 0 . 3L . m o n o c y t o g e n e s 2 6 . 1 1 . 2 6 6 . 3 0 . 6

a T h e e r r o r s a r e 95% c o n f i d e n c e l i m i t s .

V O L . 4 6 , 1 9 8 3


5/8

A P P L . E N V I R O N . M I C R O B I O L .

6 0 0 -E0 -

u " - - 4 0 0 -G o0z

2 0 0 -

0 L . m o n o c y t o g e n e sV S . e p i d e r m i d i sO E . c o l i 2 6 2 7A S . o u r e u s 0 4 9O E . c o l i 0 5 5

1 0 3 0. Y , , ( e r g s / c m 2 ) 5 0 7 0F I G . 3 . A d h e s i o n o f t h e f i v e b a c t e r i a t o t h e v a r i o u s

p o l y m e r s u b s t r a t e s a t a s i n g l e l i q u i d s u r f a c e t e n s i o n( Y L V = 7 2 . 8 e r g s / c m 2 ) . E r r o r l i m i t s a r e 9 5 % c o n f i d e n c el i m i t s . ( F o r g r a p h i c a l r e a s o n s e r r o r l i m i t s a r e g i v e no n l y f o r some c a s e s ; t h e e r r o r s a r e s i m i l a r i n a l l c a s e s . )t h e q u a l i t a t i v e f e a t u r e s o f b a c t e r i a l a d h e s i o nw e l l . S e c o n d , t h e d a t a o f F i g . 4 l e n d s t r o n gs u p p o r t t o t h e m e t h o d o f c o n t a c t a n g l e m e a s u r e -m e n t o n l a y e r s o f m i c r o o r g a n i s m s ( 1 9 ) . T h et h e r m o d y n a m i c m o d e l p r e d i c t s t h a t i n t h e c a s eo f ' Y L V = Y B V ( e q u a t i o n 8 ) , APdh s h o u l d b ei n d e p e n d e n t o f - Y s v , a s i t u a t i o n t h a t i s i n d e e dc o n t a i n e d i n t h e c u r v e s o f F i g . 4 . To i n v e s t i g a t et h i s c o n c e p t f u r t h e r , t h e s l o p e s o f t h e s t r a i g h tl i n e s i n F i g . 4 w e r e p l o t t e d v e r s u s Y L V i n F i g . 5 ,b y m e a n s o f a s e c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l c o m p u t -e r f i t . F o r e a c h o f t h e b a c t e r i a i n v e s t i g a t e d i t i si n f e r r e d t h a t t h e s l o p e b e c o m e s e q u a l t o z e r o a ta v a l u e o f Y L V c h a r a c t e r i s t i c f o r e a c h b a c t e r i a ls p e c i e s . T h i s Y L V v a l u e , a c c o r d i n g t o t h e t h e r -m o d y n a m i c m o d e l , i s e q u a l t o t h e s u r f ac e t e n -s i o n o f t h e a d h e r i n g m i c r o o r g a n i s m . F o r e x a m -p l e , c o n s i d e r a t i o n o f F i g . 5 r e v e a l s t h a t f o r L .m o n o c y t o g e n e s t h e a d h e s i o n s l o p e b e c o m e se q u a l t o z e r o w h e n Y L V = 6 5 . 6 e r g s / c m 2 , i m p l y -i n g t h a t t h e s u r f a c e t e n s i o n o f t h i s b a c t e r i a ls p e c i e s i s a l s o e q u a l t o 6 5 . 6 e r g s / c m 2 . T h i s i s i ne x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h t h e v a l u e o f Y B V = 6 5 . 8e r g s / c m 2 o b t a i n e d f r o m t h e c o n t a c t a ng l e O s a l i n e= 2 6 . 1 0 , v i a t h e e q u a t i o n o f s t a t e a p p r o a c h( T a b l e 3 ) , a n d a l s o w i t h t h e v a l u e s o f _ Y B V = 6 6 . 1e r g s / c m 2 a n d 6 6 . 3 e r g s / c m 2 o b t a i n e d f r o mp h a g o c y t i c i n g e s t i o n s t u d i e s b y human g r a n u l o -c y t e s ( 4 ) a n d p o r c i n e p l a t e l e t s ( 1 ) , r e s p e c t i v e l y .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h e p r e -s e n t t e c h n i q u e , i . e . , t h e i n t e r c e p t s i n F i g . 5 f o rt h e f i v e b a c t e r i a l s t r a i n s , a r e s u m m a r i z e d i nT a b l e 4 . A l s o g i v e n , f o r c o m p a r i s o n , a r e t h es u r f a c e t e n si o n d a t a f o r t h e s e b a c t e r i a o b t a i n e dv i a o t h e r m e t h o d s . I n a l l c a s e s t h e d i s c r e p a n c yb e t w e e n t h e v a r i o u s m e t h o d s i s


6/8

SURFACE THERMODYNAMICS O F BA C T E R I A L ADHESION 9 5

E - 2 -A0< 0-lU . 4

do - 2 -00z A

_ - 6 -n

' Y 8 V y e r g s / C M 2 )6 9 . 9 0 E . c o l i 0556 9 . 3 AS . oureus 0496 7 . 8 0 E . c o l i 2627*A o 6 6 . 9 V S . e p i d e r m i d i s

0 5 I r *AZ C r 1 6 5 . 6 O Z L . monocytogenes

\000NVA0

\V

I6 6 7 01 ' L V ( e r g s / c m 2 )

74

F I G . 5 . S l o p e s o f t h e s t r a i g h t l i n e s o f F i g . 4 versusYLV. T h e s l o p e i s zero f o r YLV = Y B V -s i o n s YBS ( b a c t e r i u m - s u b s t r a t u m ) , YBL ( b a c t e r i -u m - l i q u i d ) , a n d YSL ( s u b s t r a t u m - l i q u i d ) , a n dh e n c e Ardh ( s e e e q u a t i o n 1 ) , were c a l c u l a t e da n d p l o t t e d i n F i g . 6 , o n t h e r i g h t - h a n d s i d e .T h e s e curves r e p r e s e n t t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s ,on t h e b a s i s o f t h e d a t a i n T a b l e s 1 , 2 , a n d 3 , t ob e c o m p a r e d w i t h t h e a c t u a l ( e x p e r i m e n t a l ) ex -t e n t o f b a c t e r i a l a d h e s i o n r e p r e s e n t e d on t h el e f t - h a n d s i d e o f F i g . 6 . F i g u r e 6 a i l l u s t r a t e sb a c t e r i a l a d h e s i o n t o a c o p o l y m e r o f f l u o r i n a t e de t h y l e n e - p r o p y l e n e , t h e most h y d r o p h o b i c sur-f a c e u s e d . F i g u r e 6 e i l l u s t r a t e s b a c t e r i a l a d h e -s i o n as a f u n c t i o n o f l Y L V t o s u l f o n a t e d p o l y s t y -rene, t h e most h y d r o p h i l i c s u r f a c e u s e d i n t h i ss t u d y .I n t h e case o f s u l f o n a t e d p o l y s t y r e n e ( F i g . 6 e ) ,t h e n e g a t i v e f r e e energy o f a d h e s i o n , as p l o t t e do n t h e r i g h t - h a n d s i d e , s h o w s a minimum a t ac e r t a i n v a l u e o f ' Y L V t h a t i s i n t e r m e d i a t e b e t w e e n' Y B V a n d y sv f o r e a c h o f t h e f i v e b a c t e r i a , a n d i t i se q u a l t o zero ( w i t h a common i n t e r c e p t ) f o r a l lb a c t e r i a a t l Y L V = Z Y s v ( i . e . , 6 6 . 7 e r g s / c m 2 ) . I t i st o b e n o t e d t h a t t h e g e n e r a l a p p e a r a n c e o f t h ecurves on t h e r i g h t - h a n d s i d e as w e l l as t h e s etwo m a i n f e a t u r e s a re f a i r l y c l o s e l y r e f l e c t e d i nt h e e x p e r i m e n t a l curves f o r b a c t e r i a l a d h e s i o nt o s u l f o n a t e d p o l y s t y r e n e ( F i g . 6 e , l e f t - h a n ds i d e ) . I t i s p e r t i n e n t t o p o i n t o u t t h a t t h e e x t e n to f a d h e s i o n over t h e ra n ge o f _ Y L V v a l u e s u s e d i ss u c h t h a t f o r YL V v a l u e s w h i c h a re > 6 6 . 7 e r g s /cm2 ( i . e . , t h e s u r f ac e t e n s i o n o f s u l f o n a t e d p o l y -s t y r e n e ) a d h e s i o n i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g b a c -t e r i a l h y d r o ? h o b i c i t y . H o w e v e r , when YLV 0 ( a s i t u a t i o n t h a t o c c u r s when y s v < ' Y L V


7/8

A P P L . E N V I R O N . M I C R O B I O L .

F E PM Y ( v = 1 ~ 6 . 6 )00A

o

POLYSTYRENEl I 5 , = 2 5 . 6 ) V00

/ vo 0

L D P EP sS=3 2 . 5 1

o o

A iWoACETAL 0( v 5 s = 4 4 . 6 ) V

aCEovW~~

a

0 L . m o n o c y t o g e n e sV S . e p i d e r m i d i s0 E . c o l i 2 6 2 7A S . o u r e u s 0 4 9O E . c o l i 0 5 5

b

C C NEU50

- Cl aaU.. 1

d

- 4 -

0 -

. 4 -

- 4 -

0 -

SPS( - Y s = 6 6 . 7 ) e

6 5 6 70 74

L . monocytogenesS . e p i d e r m i d i sE . c o l i 2 6 2 7S . o u r e u s 049E . c o l i 0 5 5

A B CE

A- 8 -

D- 4 - E

0 -

66 70 74

' L v( e r g s / c m 2 )F I G . 6 . F r e e energy o f a d h e s i o n ( A P d h ) a s a f u n c t i o n o f t h e s u r f a ce t e n si o n YLV o f t h e s u s p e n d i n g aqueousm e d i a f o r t h e f i v e s p e c i e s o f b a c t e r i a ( r i g h t - h a n d s i d e ) a n d t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d e x t e n t o f t h e b a c t e r i a la d h e s i o n u n d e r t h e same c o n d i t i o n s ( l e f t - h a n d s i d e ) . E r r o r s a re s i m i l a r t o t h o s e i n d i c a t e d i n F i g . 3 . F E P ,F l u o r i n a t e d e t h y l e n e - p r o p y l e n e c o p o l y m e r ; LDPE, l o w - d en s i t y p o l y e t h y l e n e ; a c e t a l , a c e t a l r e s i n ; S P S , s u l f o n a t -e d p o l y s t y r e n e .

6 0 0 -

4 0 0 -

2 0 0 -

6 0 0 ]

4 0 0 -

2 0 0

SNEa09-

wI - . .A

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6 0 0 o

4 0 0 -

2 0 0 -

4 0 0 -

2 0 0 -

6 0 0 -

4 0 0 -

200

9 6 A B S O L O M E T A L .

l a0o l l l z " , 8P . o c . . ,g : ; : : : .


8/8

SURFACE T H E R M O D Y N A M I CS O F BACTERIAL A D H ESI O N 9 7a l l e x t e n t o f b a c t e r i a l a d h e s i o n , g i v i n g r i s e t o ac e r t a i n c o n s t a n t l e v e l o f a dh e si o n ( d u e t o e l e c -t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s ) t o t h e v a r i o u s p o l y m e rs u r f a c e s .

A t t h i s p o i n t i t i s p e r t i n e n t t o n o t e t h a t t h es e c o n d p r e d i c t i o n o f t h e t h e r m o d y n a m i c m o d e lu n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , i . e . , A F p h > 0 , i s s u b -s t a n t i a t e d b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . T h a t i s ,t h e r e l a t i v e o r d e r o f b a c t e r i a l a d h e s i o n i s n m a i n -t a i n e d w i t h t h e m o s t e x t e n s i v e a d h e s i o n b e i n ge x h i b i t e d , i n a l l c a s e s , b y t h e m o s t h y d r o p h o b i cb a c t e r i a f o r a l l o f t h e l i q u i d s u r f a c e t e n s i o n s ,Y L V , e x a m i n e d .C o n c l u s i o n s . ( i ) A d h e s i o n o f b a c t e r i a t o p o l y -m e r i c s u b s t r a t a , f r o m a q u e o u s s u s p e n s i o n s , f o l -l o w s t h e t h e r m o d y n a m i c m o d e l t o a c o n s i d e r -a b l e e x t e n t . t h e o b s e r v e d p a t t e r n o f b a c t e r i a la d h e s i o n i s s i m i l a r t o t h a t r e p o r t e d p r e v i o u s l y ,e . g . , f o r t h e a d h e s i o n o f g r a n u l o c y t e s a n d t h ea d s o r p t i o n o f p r o t e i n s , s u g g e s t i n g t h a t t h e s et h e r m o d y n a m i c p a t t e r n s o f b e h a v i o r a r e q u i t eg e n e r a l .( i i ) T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e e x t e n t o f a d h e -s i o n o f b a c t e r i a t o p o l y m e r i c s u b s t r a t a p r o v i d e sa m e t h o d f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e s u r f a c et e n s i o n o f t h e v a r i o u s b a c t e r i a l s p e c i e s . T h eb a c t e r i a s t u d i e d h e r e w e r e a l l f o u n d t o b e r e l a -t i v e l y h y d r o p h i l i c , w i t h s u r f a c e t e n s i o n s i n t h er a n g e o f m i d - t o h i g h - 6 0 ' s ( e r g s / c m 2 ) . T h e s u r -f a c e t e n s i o n v a l u e s o b t a i n e d f r o m b a c t e r i a l a d -h e s i o n a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e v a l u e so b t a i n e d f r o m d i r e c t c o n t a c t a n g l e m e a s u r e m e n to n l a y e r s o f b a c t e r i a a s w e l l a s t h o s e o b t a i n e df r o m p h a g o c y t i c e n g u l f m e n t s t u d i e s o f b a c t e r i ab y g r a n u l o c y t e s o r p l a t e l e t s .

A CKN OW L E DGM E N TST h e f i v e b a c t e r i a l s t r a i n s u s e d i n t h i s w o r k w e r e g e n e r o u s l ys u p p l i e d b y t h e B a c t e r i o l o g y D i v i s i o n o f t h e D e p a r t m e n t o fM i c r o b i o l o g y a t t h e S t a t e U n i v e r s i t y o f N ew Y o r k a t B u f f a l o .T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y t h e M e d i c a l R e s ea r c h C o u nc i lo f C a n a d a ( g r a n t MT5 4 6 2 ) , t h e N a t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r -i n g R e s e a r c h C o u n c i l o f C a n a d a ( A 8 2 7 8 ) , a n d t h e O n t a r i oH e a r t F o u n d a t i o n ( g r a n t 9 5 1 6 ) . D . R . A . a c k n o w l e d g e s s u p p o r to f t h e O n t a r i o H e a r t F o u n d a t i o n t h r o u g h a S e n i o r F e l l o w s h i p .

LITERATURE CITED1 . A b s o l o m , D . R . , D . W. F r a n c i s , W. Z i n g g , C . J . v a n O s s ,a n d A . W. N e u m a n n . 1 9 8 2 . P l a t e l e t p h a g o c y t o s i s o f b a c t e -r i a : s u r f a c e t h e r m o d y n a m i c a s p e c t s . J . C o l l o i d I n t e r f a c eS c i . 8 5 : 1 6 8 - 1 7 7 .2 . A b s o l o m , D . R . , A . W. N e u m a n n , W. Z i n g g , a n d C . J . v a nO s s . 1 9 7 9 . T h e r m o d y n a m i c s t u d i e s o f c e l l u l a r a d h e s i o n .T r a n s . Am. S o c . A r t i f . I n t e r n . O r g . 2 5 : 1 5 2 - 1 5 6 .3 . A b s o l o m , D . R . , C . J . v a n O s s , R . J . G e n c o , D . W. F r a n -c i s , W. Z h n g g , a n d A . W. N e u m a n n . 1 9 8 0 . S u r f a c e t h e r m o -d y n a m i c s o f n o r m a l a n d p a t h o l o g i c a l human g r a n u l o c y t e s .C e l l B i o p h y s . 2 : 1 1 3 - 1 2 6 .

4 . A b s o l o m , D . R . , C . J . v a n O s s , W. Z i n g g , a n d A . W.N e u m a n n . 1 9 8 2 . P h a g o c y t o s i s a s a s u r f a c e p h e n o m e n o n :o p s o n i z a t i o n b y a s p e c i f i c a d s o r p t i o n o f I g G a s a f u n c t i o no f b a c t e r i a l h y d r o p h o b i c i t y . R ES J . R e t i c u l o e n d o t h e l .S o c . 3 1 : 5 9 - 7 0 .5 . A t k i n s o n , B . , a n d H . W. F o w l e r . 1 9 7 4 . T h e s i g n i f i c a n c e o fm i c r o b i a l f i l m i n f e r m e n t e r s . A d v . B i o c h e m . E n g . 3 : 2 2 1 -2 2 7 .6 . C h a r a c k l i s , W. G . 1 9 7 3 . A t t a c h e d m i c r o b i a l g r o w t h s . I .A t t a c h m e n t a n d g r o w t h . W a t e r R e s . 7 : 1 1 1 3 - 1 1 2 7 .7 . D e x t e r , S . C . 1 9 7 9 . I n f l u e n c e o f s u b s t r a t u m c r i t i c a l s u r -f a c e t e n s i o n o n b a c t e r i a l a d h e s i o n : i n s i t u s t u d i e s . J .C o l l o i d I n t e r f a c e S c i . 7 0 : 3 4 6 - 3 5 4 .8 . F l e t c h e r , M. 1 9 7 7 . T h e e f f e c t s o f c u l t u r e c o n c e n t r a t i o na n d a g e t i m e a n d t e m p e r a t u r e a n d b a c t e r i a l a t t a c h m e n t t op o l y s t y r e n e . C a n . J . M i c r o b i o l . 2 3 : 1 - 6 .9 . M a r s h a l l , K . C . , R . S t o u t , a n d R . M i t c h e l l . 1 9 7 1 . S e l e c t i v es o r p t i o n o f b a c t e r i a f r o m s e a w a t e r . C a n . J . M i c r o b i o l .1 7 : 1 4 1 3 - 1 4 1 6 .1 0 . N e u m a n n , A . W. 1 9 7 4 . C o n t a c t a n g l e s a n d t h e i r t e m p e r a -

t u r e d e p e n d e n c e : t h e r m o d y n a m i c s t a t u s , m e a s u r e m e n t ,i n t e r p r e t a t i o n a n d a p p l i c a t i o n . A d v . C o l l o i d I n t e r f a c e S c i .4 : 1 0 5 - 1 9 1 .1 1 . N e u m a n n , A . W . , D . R . A b s o l o m , D . W. F r a n c i s , a n dC . J . v a n O s s . 1 9 8 0 . C o n v e r s i o n t a b l e s o f c o n t a c t a n g l e st o s u r f a c e t e n s i o n . S e p . P u r i f . M e t h o d s 9 : 6 2 - 1 6 3 .1 2 . N e u m a n n , A . W . , D . R . A b s o l o m , C . J . v a n O s s , a n d W.Z i n g g . 1 9 7 9 . S u r f a c e t h e r m o d y n a m i c s o f l e u k o c y t e a n dp l a t e l e t a d h e s i o n t o p o l y m e r s u r f a c e s . C e l l B i o p h y s . 1 : 7 9 -9 2 .1 3 . N e u m a n n , A . W . , R . J . G o o d , P . E h r l i c h , P . K . B a s u , a n dG . J . J o h n s t o n . 1 9 7 3 . T h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h es u r f a c e t e n s i o n o f s o l u t i o n s o f a t a c t i c p o l y s t y r e n e . J .M a c r o m o l . S c i . P h y s . 7 : 5 2 5 - 5 2 9 .1 4 . N e u m a n n , A . W . , R . J . G o o d , C . J . H o p e , a n d M. S e j p a l .1 9 7 4 . An e q u a t i o n - o f - s t a t e a p p r o a c h t o d e t e r m i n e s u r f a c et e n s i o n s o f l o w - e n e r g y s o l i d s f r o m c o n t a c t a n g l e s . J .C o l l o i d I n t e r f a c e S c i . 4 9 : 2 9 1 - 3 0 4 .1 5 . N e u m a n n , A . W . , 0 . S . Hum, D . W. F r a n c i s , W. Z i n g g ,a n d C . J . v a n O s s . 1 9 8 0 . K i n e t i c a n d t h e r m o d y n a m i ca s p e c t s o f p l a t e l e t a d h e s i o n f r o m s u s p e n s i o n t o v a r i o u ss u b s t r a t e s . J . B i o m e d . M a t e r . R e s. 1 4 : 4 9 9 - 5 0 9 .1 6 . R o s a n , B . , B . A p p e l b a u m , a n d S . C . H o l t . 1 9 8 1 . I s o l a t i o na n d i d e n t i f i c a t i o n o f t h e s u r f a c e r e c e p t o r o f S t r e p t o c o c c u ss a n g u i s r e s p o n s i b l e f o r a d h e r e n c e t o h y d r o x y a p a t i t e , p .5 3 7 - 5 4 0 . I n R . C . B e r k e l ey , J . M . L y n c h , J . M e l l i n g ,P . R . R u t t e r , a n d B . V i n c e n t ( e d . ) , M i c r o b i a l a d h e s i o n t os u r f a c e s . H a l s t e a d P r e s s , N ew Y o r k .1 7 . R u t t e r , P . R . , a n d B . V i n c e n t . 1 9 8 0 . T h e a d h e s i o n o fm i c r o - o r g a n i s m s t o s u r f a c e s : p h y s i c o c h e m i c a l a s p e c t s , p .7 9 - 9 1 . I n R . C . B e r k e l e y , J . M . L y n c h , J . M e l l i n g , P . R .R u t t e r , a n d B . V i n c e n t ( e d . ) , M i c r o b i a l a d h e s i o n t o s u r -f a c e s . H a l s t e a d P r e s s , N ew Y o r k .1 8 . v a n O s s , C . J . , D . R . A b s o l o m , A . W. N e u m a n n , a n d W.Z i n g g . 1 9 8 1 . D e t e r m i n a t i o n o f t h e s u r f a c e t e n s i o n o fp r o t e i n s . I . S u r f a c e t e n s i o n o f n a t i v e s e r u m p r o t e i n s i na q u e o u s m e d i a . B i o c h i m . B i o p h y s . A c t a 6 7 0 : 6 4 - 7 3 .1 9 . v a n O s s , C . J . , C . F . G i l l m a n , a n d A . W. N e u m a n n . 1 9 7 5 .P h a g o c y t i c e n g u l f m e n t a n d c e l l a d h e s i v e n e s s a s s u r f a c ep h e n o m e n a [ H . I s e n b e r g ( e d . ) ] . M a r c e l D e k k e r , NewY o r k .2 0 . W a r d , C . A . , a n d A . W. Neumann. 1 9 7 4 . O n t h e s u r f a c et h e r m o d y n a m i c s o f a t w o - c o m p o n e n t l i q u i d - v a p o r - i d e a ls o l i d s y s t e m . J . C o l l o i d I n t e r f a c e S c i . 4 9 : 2 8 6 - 2 9 0 .2 1 . W o o d s , D . E . , D . C . S t r a u s , W. G . J o h a n s o n , V . K . B e r -r y , a n d J . A . B a s s . 1 9 8 0 . R o l e o f p i l i o f P s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a t o m a m m a l i a n b u c c a l e p i t h e l i a l c e l l s . I n f e c t .I m m u n . 2 9 : 1 1 4 6 - 1 1 5 1 .

V O L . 4 6 , 1 9 8 3

Surface Thermodynamics of Bacterial Adhesion

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