Onvermoeibare microbiële moordenaars in nieuwe nanocomposieten

Ze doden met een moleculaire steek of oxidatieve shock en kennen de betekenis van vermoeidheid niet. De nieuwste biocidale nanocomposieten, ontworpen en gesynthetiseerd door wetenschappers van het Instituut voor Nucleaire Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPJ PAN) in Krakau, brengen nieuwe richtingen in kaart voor materiaaltechnologie in de strijd tegen micro-organismen.

Het toenemende aantal antibioticaresistente bacteriën vormt niet alleen een uitdaging voor artsen, maar ook voor natuurkundigen die betrokken zijn bij materiaaltechnologie. In de generatieslange Sisyphean-strijd van de mensheid tegen de wereld van gevaarlijke micro-organismen, lijkt het erop dat we eindelijk bondgenoten hebben gevonden die klaar zijn om de uitdaging aan te gaan: composietmaterialen die in staat zijn om spontaan en continu micro-organismen te doden en te voorkomen dat hun kolonies groeien.

De biocidale nanocomposieten, ontworpen, gesynthetiseerd en gekarakteriseerd aan het Instituut voor Nucleaire Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, Polen, worden besproken in een reeks recent gepubliceerde wetenschappelijke artikelen.

“In het werk van ons team proberen we het idee van ‘omgekeerde fysica’ toe te passen: we beginnen niet met de stof die we willen bestuderen om er toepassingen voor te vinden, maar met de toepassingen zelf. Zodra we onze behoeften hebben vastgesteld, gaan we ontwerp het toekomstige materiaal precies met deze behoeften in het achterhoofd, voer numerieke simulaties uit en probeer het vervolgens te synthetiseren. Pas als we dit succesvol beheren, gaan we verder met het controleren of de eigenschappen van het verkregen materiaal in overeenstemming zijn met onze verwachtingen, ” legt Dr. Lukasz Laskowski (IFJ PAN) uit, leider van een team dat bestond uit Dr. Agnieszka Karczmarska, Dr. Magdalena Laskowska en Dr. Mateusz Schabikowski.

De noodzaak om een ​​nieuw, duurzaam en veilig biocidaal materiaal te ontwikkelen werd gesignaleerd door onderzoekers van het Instituut voor Fysiologie en Diervoeding van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFiZZ PAN) in Jablonna. Ze wezen erop dat als de gezichtsmaskers die iedereen kent sinds de pandemie niet vaak worden vervangen, ze micro-organismen ophopen en als hun leefgebied een bron van secundaire infectie kunnen zijn.

Er is dus een materiaal nodig dat niet alleen als filter werkt, maar ook in staat is om continu de micro-organismen die zich erop nestelen te elimineren. De natuurkundigen van de IFJ PAN dachten dat een composietmateriaal opgebouwd uit een neutrale matrix met op de juiste manier aangehechte functionele groepen die in staat zijn om micro-organismen effectief te doden, een manier zou kunnen zijn om het probleem op te lossen.

De permanente aanhechting van biocidale moleculen en de juiste selectie van hun eigenschappen zouden garanderen dat het materiaal zijn eigenschappen praktisch gedurende een lange periode zou behouden.

In het geval van biocidale composieten met zilverionen, ontwikkeld door wetenschappers van de IFJ PAN, kunnen aluminiumoxide- of siliciumdioxide-matrices worden gebruikt, afhankelijk van de behoefte. In het eerste geval hebben de matrices de vorm van een zeef met een poriediameter van ongeveer 40 nanometer, terwijl het in het laatste geval bolletjes zijn met een diameter van 50 tot 500 nm.

De poreuze matrix maakt het mogelijk om bijvoorbeeld lucht of lichaamsvloeistoffen te filteren, terwijl het sferische silica het mogelijk maakt om het biocidale materiaal in andere stoffen te verwerken, zoals tandvullingen.

“Natuurlijk speelt de matrix niet de hoofdrol in onze materialen, maar de functionele groepen die er op gepaste wijze op zijn afgezet. De belangrijkste biocide, in dit geval het zilverion, wordt opgevangen door een carboxylgroep die aan een propylketting. Deze structuur is buigzaam en werkt uitstekend als steek of mes, dat bij contact met de bacterie zijn celmembraan vernietigt’, legt dr. Laskowski uit.

De biocidale moleculen in de nieuwe composieten zijn chemisch en dus permanent aan de matrix gebonden. Dit feit betekent in de eerste plaats dat deze moleculen hun taak continu en precies kunnen uitvoeren waar ze zijn geplaatst. Na verloop van tijd zullen ze daarom hun capaciteiten niet verliezen, ze zullen niet uit een tandvulling in het lichaam worden weggespoeld, noch zullen ze uit een gebruikt masker in de omgeving worden vrijgegeven.

De tweede klasse van nieuwe nanocomposieten van de IFJ PAN gebruikt een ander hulpmiddel om bacteriën te bestrijden: propylfosfaatgroepen die een koperion bevatten. Ze vangen zuurstofmoleculen uit de lucht, die vervolgens worden gereduceerd door het koperion, dat werkt als een katalysator met één elektron. Bij de reacties die plaatsvinden, is waterstof betrokken uit de watermoleculen die veel voorkomen in onze omgeving. Als gevolg hiervan wordt voortdurend waterstofperoxide gevormd rond de koperfunctionele groepen. Bij contact ermee worden de meeste micro-organismen gedood door oxidatieve shock.

“Net als bij zilveren nanocomposieten is het koper ook permanent aan de matrix gebonden en slijt het niet. Water en zuurstof worden verbruikt, maar deze zijn van nature in het milieu aanwezig. Zo hebben we een materiaal tot onze beschikking dat vrijwel continu een bepaalde hoeveelheid verse waterstofperoxide, een van de meest effectieve biocidale verbindingen”, zegt Dr. Laskowski en benadrukt dat er tests zijn uitgevoerd om de biocidale effecten van alle nieuwe materialen te verifiëren bij de IFiZZ PAS.

Momenteel worden bij IFJ PAN op laboratoriumschaal bioactieve nanocomposieten met metaalionen geproduceerd, met de mogelijkheid om proefhoeveelheden te leveren voor implementatiedoeleinden. De productietechnologie, die zich in de patentfase bevindt, kan echter zonder grote problemen worden opgeschaald naar industriële behoeften.

De meest recente studie is gepubliceerd in het tijdschrift Moleculen.