Nanokristallen die bacteriële biofilms uitroeien

De pandemie COVID-19 doet de vrees voor nieuwe ziekteverwekkers zoals virussen of medicijnresistente bacteriën toenemen. In dit verband heeft een Koreaans onderzoeksteam onlangs de aandacht gevestigd voor het ontwikkelen van de technologie voor het verwijderen van antibioticaresistente bacteriën door de oppervlaktetextuur van nanomaterialen te beheersen.

Een gezamenlijk onderzoeksteam van POSTECH en UNIST heeft mixed-FeCo-oxide-based surface-texture nanostructures (MTex) geïntroduceerd als zeer efficiënt magneto-katalytisch platform in het internationale tijdschrift Nano Letters. Het team bestond uit professoren In Su Lee en Amit Kumar met Dr. Nitee Kumari van POSTECH’s Department of Chemistry en Professor Yoon-Kyung Cho en Dr. Sumit Kumar van UNIST’s Department of Biomedical Engineering.

Ten eerste synthetiseerden de onderzoekers nanokristallen met een glad oppervlak waarin verschillende metaalionen werden gewikkeld in een omhulsel van organisch polymeer en deze tot een zeer hoge temperatuur verhitten. Tijdens het gloeien van de polymeeromhulling veroorzaakte een chemische reactie op hoge temperatuur in vaste toestand het mengen van andere metaalionen op het nanokristaloppervlak, waardoor een aantal vertakkingen en gaten van een paar nm groot werden. Deze unieke oppervlaktetextuur bleek een chemische reactie te katalyseren die reactieve zuurstofsoorten (ROS) produceerde die de bacteriën doodt. Er werd ook bevestigd dat het sterk magnetisch is en gemakkelijk naar het externe magnetische veld wordt aangetrokken. Het team had een synthetische strategie ontdekt om normale nanokristallen zonder oppervlaktekenmerken om te zetten in zeer functionele nanokristallen van gemengd metaaloxide.

Het onderzoeksteam noemde deze oppervlaktetopografie – met takken en gaten die lijken op die van een geploegd veld – ‘MTex’. Het is bewezen dat deze unieke oppervlaktetextuur de mobiliteit van nanodeeltjes verhoogt om een ​​efficiënte penetratie in de biofilmmatrix mogelijk te maken en tegelijkertijd een hoge activiteit vertoont bij het genereren van reactieve zuurstofsoorten (ROS) die dodelijk zijn voor bacteriën.

Dit systeem produceert ROS over een breed pH-bereik en kan effectief in de biofilm diffunderen en de ingebedde bacteriën doden die resistent zijn tegen antibiotica. En aangezien de nanostructuren magnetisch zijn, kan biofilmafval zelfs uit de moeilijk bereikbare microkanalen worden geschraapt.

“Deze nieuw ontwikkelde MTex vertoont een hoge katalytische activiteit, die zich onderscheidt van het stabiele gladde oppervlak van de conventionele spinelvormen”, legt Dr. Amit Kumar uit, een van de corresponderende auteurs van het artikel. “Deze eigenschap is erg handig bij het infiltreren van biofilms, zelfs in kleine ruimtes, en is effectief bij het doden van bacteriën en het verwijderen van biofilms.”

“Dit onderzoek maakt het mogelijk om de nanotexturisatie aan het oppervlak te reguleren, wat mogelijkheden opent om de blootstelling van actieve sites te vergroten en te beheersen”, merkte professor In Su Lee op, die het onderzoek leidde. “We verwachten dat de oppervlakken met nanoschaal een aanzienlijke bijdrage zullen leveren aan de ontwikkeling van een breed scala aan nieuwe enzymachtige eigenschappen op het nano-bio-grensvlak.”