Snart kan spikmattor av grafen bekämpa antibiotikaresistens

Med sina bakteriedödande egenskaper kan materialet grafen göra stor skillnad i kampen mot antibiotikaresistens. Än så länge har man inte lyckats ta vara på detta inom vården, då riktningen för materialets effekter inte kunnat styras. Nu har forskare vid Chalmers löst problemet genom att använda samma teknik som finns i vanliga kylskåpsmagneter. Resultatet är en ultratunn spikmattelik yta som kan fungera som beläggning på katetrar och implantat – och döda 99,99 procent av alla bakterier på en yta.

Sjukvårdsrelaterade infektioner är ett utbrett problem världen över och orsakar stort lidande, höga vårdkostnader och en ökad risk för utveckling av antibiotikaresistens. Merparten av infektionerna uppstår i samband med användning av olika medicintekniska produkter såsom katetrar, höftproteser, knäproteser och tandimplantat. Vid Chalmers pågår sedan några år tillbaka forskning om hur grafen, ett atomtunt tvådimensionellt grafitmaterial, kan bidra i kampen mot antibiotikaresistens och infektioner inom vården. Forskarlaget har tidigare kunnat visa hur vertikalt stående grafenflagor bildar en slags spikmatta som gör det omöjligt för bakterier att fästa vid underlaget. I stället skärs bakterierna sönder på de vassa flagorna och dör.

– Vi utvecklar tunna ytor som görs antibakteriella med hjälp av grafen och som kan appliceras på biomedicinsk utrustning, kirurgiska ytor och implantat för att stänga ute bakterier. Eftersom grafen stör bakterier från att fästa rent fysiskt så har det fördelen att man inte riskerar att öka antibiotikaresistensen, till skillnad från med kemiska alternativ, säger Ivan Mijakovic, professor i systembiologi på Chalmers, och en av författarna till den nyligen publicerade studien.

Dödar 99,99 procent av bakterierna över stora ytor

Även om de bakteriedödande egenskaperna har kunnat påvisas i laboratoriet har forskarna fram tills nu inte lyckats kontrollera riktningen på grafenflagornas effekt – och därmed inte heller kunnat applicera materialet i ytor på medicinsk utrustning som används inom vården. Grafenets bakteriedödande egenskaper har bara kunnat styras i en specifik riktning: samma flödesriktning som har använts i tillverkningsprocessen. Men nu har Chalmersforskarna nått ett lovande genombrott för en praktisk tillämpning inom – och utanför – vården.

– Vi har lyckats hitta ett sätt att styra grafenets effekter i flera olika riktningar, oberoende av flödet i tillverkningsprocessen, och med en mycket hög enhetlighet i orienteringen. Med den här nya metoden kan vi integrera grafenets nanoplattor i medicinsk utrustning och få en antibakteriell yta som dödar 99,99 procent av de bakterier som försöker fästa. Det här banar väg för en betydligt större flexibilitet när man vill tillverka medicinsk utrustning som innehåller grafen för att döda bakterier, säger Roland Kádár, biträdande professor i reologi på Chalmers.

Oöverträffad effektivitet genom kontroll av magnetiska fält

Genom att arrangera magneter i ett cirkulärt mönster och få magnetfältet inuti magneterna att verka i en enhetlig riktning, kunde forskarna rikta även grafenets effekter i ett enhetligt håll – och därmed få en hög bakteriedödande effekt oavsett ytans form. Metoden, som beskrivs i en artikel i Advanced Functional Materials, kallas ”Halbach-array”, och innebär att magnetfältet förstärks och blir likformigt inuti magneten, samtidigt som det försvagas på andra sidan. Tekniken kan liknas vid den som används i en vanlig kylskåpsmagnet.

– Det här är första gången Halbach-array-metoden har använts för att orientera grafen i en polymer nanokomposit. Nu när vi har sett resultaten vill vi förstås att de här grafenplattorna ska komma ut på marknaden så att vi kan få ner antalet vårdrelaterade infektioner, minska lidandet för patienter och motverka antibiotikaresistensen, säger Viney Ghai, som forskar i reologi och konstruktionsmaterial på Chalmers.

Den nya orienteringstekniken skulle även kunna användas med grafen inom andra områden, till exempel i batterier, superkondensatorer, sensorer och hållbara förpackningsmaterial som står emot vatten.

– Metoden öppnar verkligen nya möjligheter när det gäller materialanpassning, och ger ett kraftfullt verktyg för framgångsrik design, inte minst genom att nanostrukturer kan byggas upp så att de härmar naturens egna system, säger Roland Kádár.
 

Läs studien: Achieving Long-Range Arbitrary Uniform Alignment of Nanostructures in Magnetic Fields

Studien har gjorts inom ramen för kompetenscentrumet 2D-Tech vid Chalmers. Centrumet är finansierat av Vinnova, Chalmers och 19 industripartners, och utgör ett svenskt nav för forskning och innovation inom 2D-materialbaserad teknik för tillämpningar i industrin.

Bild: Illustration av hur de knivskarpa grafen-flagorna kan döda bakterier utan att skada friska mänskliga celler. De bakteriedödande grafenytorna som utvecklats vid Chalmers kan snart användas i medicintekniska produkter, med hjälp av en helt ny metod som använder teknologi från kylskåpsmagneter för att styra grafenets bakteriedödande effekter.
Illustration: Yen Sandqvist

För mer information, kontakta:

Roland Kádár, professor i reologi vid institutionen för industri- och materialvetenskap på Chalmers.
roland.kadar@chalmers.se
031772 12 56

Ivan Mijakovic, professor i systembiologi vid institutionen för Life Sciences på Chalmers. ivan.mijakovic@chalmers.se

Viney Ghai, forskare i reologi och bearbetning av mjuk materia vid institutionen för industri- och materialvetenskap på Chalmers.
ghai@chalmers.se

Roland Kádár talar engelska och Viney Ghai talar engelska, hindi och punjabi. De finns båda tillgängliga för live- och förinspelade intervjuer. På Chalmers finns poddradio-studior och filmutrustning att användas vid förfrågningar rörande TV, radio eller podcast.

Så testades materialet förmåga att döda bakterier
I laboratorieexperiment exponerade forskarna olika bakteriekulturer för grafenytor vars magnetfält hade manipulerats. För att kunna beräkna hur effektiv metoden var mättes den bakteriella överlevnaden med hjälp av verktyget CFU (coloni-forming unit) som kan mäta antalet mikroorganismer i en bakteriekoloni. Med hjälp av så kallad svepelektronmikroskopi (Scanning Electron Microskopy, SEM) kunde forskarna även skanna bakteriekolonier för att visualisera och med bild kunna bekräfta grafenets fysiska störning på bakteriecellerna. 

Se filmen om hur en minimal spikmatta av grafen blir ett dödligt vapen som skär sönder bakterier. På så sätt motverkas infektioner vid exempelvis implantatkirurgi. https://youtu.be/qkTmNKiGTlM

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. 

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.

---

Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.

Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:

• Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
• Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn