Иллюстрация того, как острые как бритва хлопья графена выстраиваются вместе на поверхности и могут убивать бактерии, не нанося вреда здоровым клеткам человека. Автор: Йен Сандквист/Технологический университет Чалмерса
Благодаря сильным бактерицидным свойствам графен может стать переломным моментом в борьбе с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. До сих пор не было эффективных способов контролировать эти свойства, а значит, и способа использовать потенциал графена в здравоохранении.
Теперь исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции решили эту проблему, используя ту же технологию, что и в обычном магните на холодильник. Результатом этого стала сверхтонкая поверхность, похожая на акупунктуру, которая может выступать в качестве покрытия на катетерах и имплантатах, убивая 99,99% всех бактерий на поверхности.
Инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи, являются широко распространенной проблемой во всем мире, вызывая большие страдания, высокие расходы на здравоохранение и повышенный риск повышения устойчивости к антибиотикам. Большинство инфекций происходит в связи с использованием различных медицинских технологических продуктов, таких как катетеры, протезы тазобедренного сустава, протезы коленного сустава и зубные имплантаты, где бактерии могут проникать в организм через чужеродную поверхность.
В Технологическом университете Чалмерса исследователи изучают, как графен, атомарно тонкий двумерный графитовый материал, может способствовать борьбе с устойчивостью к антибиотикам и инфекциями в здравоохранении.
Исследовательская группа ранее смогла показать, как вертикально стоящие графеновые хлопья не дают бактериям прикрепляться к субстрату. Вместо этого бактерии разрезаются на куски острыми как бритва хлопьями и погибают.
«Мы разрабатываем основанный на графене ультратонкий антибактериальный материал, который можно наносить на любую поверхность, включая биомедицинские устройства, хирургические поверхности и имплантаты, чтобы исключить бактерии.
«Поскольку графен не позволяет бактериям физически прикрепляться к поверхности, у него есть дополнительное преимущество: вы не рискуете повысить устойчивость к антибиотикам, в отличие от других химических альтернатив, таких как антибиотики», — говорит Иван Миякович, профессор системной биологии в Технологическом университете Чалмерса и один из авторов недавно опубликованного исследования.
Убивает 99,99% бактерий на поверхности
Однако исследователи столкнулись с проблемой. Хотя его бактерицидные свойства можно продемонстрировать в лабораторных условиях, исследователям пока не удалось контролировать направление ориентации графеновых хлопьев, и впоследствии они не смогли нанести материал на поверхности, используемые в медицинских устройствах, используемых в здравоохранении.
До сих пор бактерицидные свойства графена можно было контролировать только в одном конкретном направлении: направлении потока в процессе производства. Но теперь исследователи из Чалмерса совершили многообещающий прорыв для практического применения в здравоохранении и за его пределами.
«Нам удалось найти способ контролировать воздействие графена практически в нескольких различных направлениях и с очень высоким уровнем однородности ориентации. Этот новый метод ориентации позволяет интегрировать графеновые нанопластины в медицинские пластиковые поверхности и получать антибактериальную поверхность, которая убивает 99,99% бактерий, которые пытаются прикрепиться.
«Это открывает путь к значительно большей гибкости при производстве медицинских устройств, убивающих бактерии, с использованием графена», — говорит Роланд Кадар, профессор реологии в Технологическом университете Чалмерса.
Беспрецедентная эффективность за счет управления магнитными полями
Расположив земные магниты по кругу, заставив магнитное поле внутри массива расположиться в прямом направлении, исследователи смогли добиться равномерной ориентации графена и достичь очень высокого бактерицидного эффекта на поверхностях любой формы.
Метод, опубликованный в Advanced Functional Materials, называется «массив Хальбаха» и означает, что магнитное поле внутри массива магнитов усиливается и становится однородным, в то время как с другой стороны оно ослабевает, что обеспечивает сильную однонаправленную ориентацию графена. Технология похожа на ту, что вы найдете в магните на холодильнике.
«Это первый случай использования метода массива Хальбаха для ориентации графена в полимерном нанокомпозите. Теперь, когда мы увидели результаты, мы, конечно, хотим, чтобы эти графеновые пластины были внедрены в сектор здравоохранения, чтобы мы могли сократить количество инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, уменьшить страдания пациентов и противодействовать устойчивости к антибиотикам», — говорит Виней Гай, исследователь в области реологии и обработки мягких веществ в Технологическом университете Чалмерса.
Новая технология ориентации демонстрирует значительный потенциал в других областях, например, в аккумуляторах, суперконденсаторах, датчиках и прочных водостойких упаковочных материалах.
«Учитывая его широкое влияние в этих областях, этот метод действительно открывает новые горизонты в выравнивании материалов, предоставляя мощный инструмент для успешного проектирования и настройки наноструктур, которые биомиметизируют сложные архитектуры, встречающиеся в природных системах», — говорит Кадар.
Дополнительная информация: Виней Гай и др., Достижение Произвольное однородное выравнивание наноструктур на больших расстояниях в магнитных полях, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202406875
Информация о журнале: Advanced Functional Materials
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса
