Światło włączone – bakterie martwe. Tak prosto mogłoby wyglądać dezynfekowanie powierzchni. Aby ta koncepcja stała się skuteczną bronią przeciwko patogenom opornym na antybiotyki, naukowcy z Empa opracowali powłokę, której działanie przeciwdrobnoustrojowe można aktywować za pomocą światła bliskiej podczerwieni. Co więcej, warstwa z tworzywa sztucznego jest przyjazna dla skóry i środowiska. Pierwsze zastosowanie znalazła już w stomatologii.
Bakterie oporne na antybiotyki oraz nowe wirusy stanowią rosnące zagrożenie dla globalnego systemu zdrowia. Szacuje się, że rocznie około 5 milionów zgonów wiąże się z zakażeniami tymi drobnoustrojami, a pandemia COVID-19 pochłonęła ponad 20 milionów ofiar. Dlatego badacze z Empa opracowują nowe strategie oparte na inteligentnych materiałach i technologiach, które mogą ograniczać rozprzestrzenianie się patogenów.
Szczególnie przydatne są takie rozwiązania na powierzchniach narażonych na stały kontakt z infekcyjnymi mikroorganizmami, np. klamkach w szpitalach czy elementach wyposażenia sal operacyjnych. Interdyscyplinarny zespół z trzech laboratoriów Empa, we współpracy z Uniwersytetem Palackiego w Ołomuńcu, stworzył ekologiczną i biozgodną powłokę polimerową, która skutecznie zabija bakterie i wirusy. Jej unikalną cechą jest możliwość wielokrotnej aktywacji za pomocą światła.
Podwójna strategia: ciepło i wolne rodniki
„Nowe tworzywo zostało zaprojektowane tak, by mikroorganizmy były lokalnie i szybko niszczone” – wyjaśnia Giacomo Reina z laboratorium „Nanomaterials in Health” w St. Gallen. Podstawę materiału stanowi poliwinylowy alkohol – biozgodny polimer znany także z przemysłu spożywczego. W jego matrycę wbudowano syntetyzowaną specjalnie kwas grafenowy, który dzięki swoim właściwościom chemicznym doskonale sprawdza się jako powłoka przeciwdrobnoustrojowa.
Pełny potencjał tego materiału ujawnia się przy napromienianiu światłem bliskiej podczerwieni. Wówczas materiał działa dwutorowo: absorbuje energię, zamieniając ją w ciepło niszczące drobnoustroje, a dodatkowo stymuluje powstawanie reaktywnych form tlenu, które zadają kolejne uszkodzenia patogenom.
Zaletą jest także fakt, że mechanizm ten nie ma nic wspólnego z działaniem tradycyjnych antybiotyków, co ogranicza ryzyko powstawania nowych oporności. Badania laboratoryjne potwierdziły skuteczność materiału wobec wielu bakterii i wirusów.
Zastosowanie w stomatologii
Pierwszym obszarem praktycznego wykorzystania powłoki jest stomatologia. Naukowcy z Empa i Centrum Stomatologii Uniwersytetu w Zurychu pracują nad specjalną nakładką na zęby, która usuwa drobnoustroje z jamy ustnej.
Mikrobiota jamy ustnej to szczególnie wymagający przeciwnik – liczne gatunki bakterii żyją tu w biofilmach, trudnych do penetracji przez antybiotyki i środki dezynfekcyjne. Mogą one powodować próchnicę, choroby przyzębia i infekcje ogólnoustrojowe. W nowej nakładce kwas grafenowy jest stabilnie wbudowany w polimer. Dzięki zdolności przenikania światła bliskiej podczerwieni przez tkanki na kilka centymetrów, urządzenie można wielokrotnie aktywować z zewnątrz za pomocą źródła światła.
Projekt jest finansowany przez Fundację Eduarda Aeberhardta oraz inną fundację. Ronald Jung, dyrektor kliniki w Zurychu, podkreśla wartość tego interdyscyplinarnego podejścia: „Takie rozwiązania dostarczą ogromnych korzyści pacjentom”.
Źródło: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, EcoMat, Light Irradiation of N-Doped Graphene Acid: Metal-Free Strategy Toward Antibacterial and Antiviral Coatings with Dual Modes of Action
DOI: https://doi.org/10.1002/eom2.70009
