Grafeen-spijkermat gebruikt gewone koelkastmagneettechnologie om antibioticaresistentie te bestrijden

Met sterke bacteriedodende eigenschappen heeft grafeen het potentieel om een ​​game changer te worden in de strijd tegen antibioticaresistente bacteriën. Tot nu toe zijn er geen efficiënte manieren om deze eigenschappen te controleren, en dus geen manier om het potentieel van grafeen in de gezondheidszorg te benutten.

Nu hebben onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden het probleem opgelost door dezelfde technologie te gebruiken die in een gewone koelkastmagneet zit. Het resultaat is een ultradun acupunctuurachtig oppervlak dat kan dienen als een coating op katheters en implantaten, en 99,99% van alle bacteriën op een oppervlak doodt.

Infecties in de gezondheidszorg zijn een wijdverbreid probleem over de hele wereld, wat veel leed, hoge kosten voor gezondheidszorg en een verhoogd risico op verhoogde antibioticaresistentie veroorzaakt. De meeste infecties komen voor in verband met het gebruik van verschillende medische technologische producten zoals katheters, heupprothesen, knieprothesen en tandimplantaten, waarbij bacteriën het lichaam via een vreemd oppervlak kunnen binnendringen.

Aan de Chalmers University of Technology onderzoeken onderzoekers hoe grafeen, een atomair dun tweedimensionaal grafietmateriaal, kan bijdragen aan de strijd tegen antibioticaresistentie en infecties in de gezondheidszorg.

Het onderzoeksteam kon eerder al aantonen hoe verticaal staande grafeenvlokken voorkomen dat bacteriën zich hechten aan het substraat. In plaats daarvan worden de bacteriën op de vlijmscherpe vlokken in stukken gesneden en sterven ze af.

“We ontwikkelen een op grafeen gebaseerd, ultradun, antibacterieel materiaal dat op elk oppervlak kan worden aangebracht, waaronder biomedische apparaten, chirurgische oppervlakken en implantaten, om bacteriën buiten te houden.

“Omdat grafeen voorkomt dat bacteriën zich fysiek aan een oppervlak hechten, is er als bijkomend voordeel dat er geen risico is op een toename van antibioticaresistentie, in tegenstelling tot andere chemische alternatieven, zoals antibiotica”, aldus Ivan Mijakovic, hoogleraar systeembiologie aan de Chalmers University of Technology en een van de auteurs van de onlangs gepubliceerde studie.

Doodt 99,99% van de bacteriën op een oppervlak

De onderzoekers hebben echter een uitdaging ondervonden. Hoewel de bacteriedodende eigenschappen ervan in het laboratorium kunnen worden aangetoond, zijn de onderzoekers er nog niet in geslaagd de oriëntatierichting van de grafeenvlokken te controleren, en zijn ze er vervolgens niet in geslaagd het materiaal aan te brengen op oppervlakken die worden gebruikt op medische apparaten die in de gezondheidszorg worden gebruikt.

Tot nu toe konden de bacteriedodende eigenschappen van grafeen alleen in één specifieke richting worden gecontroleerd: de stromingsrichting van het productieproces. Maar nu hebben de Chalmers-onderzoekers een veelbelovende doorbraak voor een praktische toepassing in de gezondheidszorg – en daarbuiten.

“We zijn erin geslaagd een manier te vinden om de effecten van grafeen praktisch in verschillende richtingen te beheersen en met een zeer hoge mate van uniformiteit van de oriëntatie. Deze nieuwe oriëntatiemethode maakt het mogelijk om grafeen nanoplaten te integreren in medische plastic oppervlakken en een antibacterieel oppervlak te krijgen dat 99,99% van de bacteriën doodt die proberen zich te hechten.

“Dit maakt de weg vrij voor aanzienlijk meer flexibiliteit bij het produceren van bacteriedodende medische hulpmiddelen met behulp van grafeen”, aldus Roland Kádár, hoogleraar reologie aan de Chalmers University of Technology.

Ongekende efficiëntie door beheersing van magnetische velden

Door aardmagneten in een cirkelvormig patroon te rangschikken, waardoor het magnetische veld binnen de matrix in een rechte lijn werd gerangschikt, konden de onderzoekers een uniforme oriëntatie van het grafeen bewerkstelligen en een zeer hoog bacteriedodend effect bereiken op oppervlakken van elke vorm.

De methode, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialenwordt “Halbach array” genoemd en betekent dat het magnetische veld binnen de magneetarray wordt versterkt en uniform is, terwijl het aan de andere kant wordt verzwakt, waardoor een sterke unidirectionele oriëntatie van grafeen mogelijk is. De technologie is vergelijkbaar met wat je in een koelkastmagneet zou vinden.

“Dit is de eerste keer dat de Halbach-arraymethode is gebruikt om grafeen te oriënteren in een polymeer nanocomposiet. Nu we de resultaten hebben gezien, willen we natuurlijk dat deze grafeenplaten worden geïntroduceerd in de gezondheidszorg, zodat we het aantal infecties in de gezondheidszorg kunnen verminderen, het lijden van patiënten kunnen verminderen en antibioticaresistentie kunnen tegengaan”, zegt Viney Ghai, onderzoeker in Rheology and Processing of Soft Matter aan de Chalmers University of Technology.

De nieuwe oriëntatietechnologie toont ook op andere gebieden een aanzienlijk potentieel, bijvoorbeeld in batterijen, supercondensatoren, sensoren en duurzame, waterbestendige verpakkingsmaterialen.

“Gezien de brede impact op deze gebieden opent deze methode werkelijk nieuwe horizonten op het gebied van materiaalafstemming. Het biedt een krachtig hulpmiddel voor het succesvol ontwerpen en aanpassen van nanostructuren die de complexe architectuur van natuurlijke systemen nabootsen”, aldus Kádár.