Grafitnanoflagor knivdödar bakterier på implantat

Varje år drabbas över fyra miljoner patienter i Europa av vårdrelaterade infektioner, rapporterar EU:s smittskyddsmyndighet (ECDC). En stor del av dessa beror på bakterieangrepp på olika slags medicinska hjälpmedel och implantat − som katetrar, höft-och knäproteser eller tandimplantat − som i värsta fall kan behöva plockas ut igen.

Bakterietillväxt på dessa hjälpmedel kan leda till stort lidande hos patienten och innebär också stora kostnader för sjukvården. I dagsläget används stora mängder antibiotika för att behandla och förebygga dessa infektioner, vilket också ökar utvecklingen av antibiotikaresistens.

Antibakteriella ytor

− Syftet med vår forskning är att fram antibakteriella ytor som kan minska antalet infektioner och därmed användningen av antibiotika – och som bakterierna inte heller kan utveckla resistens emot. Vi har nu visat att ytor på hjälpmedel som formgjutits av en blandning av polyetylen och grafitnanoflagor dödar 99,99 procent av de bakterier som försöker fästa vid ytan, säger Santosh Pandit, postdok i professor Ivan Mijakovics forskargrupp på avdelningen för systembiologi, institutionen för biologi och bioteknik vid Chalmers.

Grafitnanoflagor som integreras i medicinska hjälpmedel av plast kan skära sönder bakterier och förebygga vårdrelaterade infektioner genom att döda 99,99 procent av de bakterier som försöker fästa på ytan. Det kan vara en billig och enkel lösning på ett problem som påverkar miljoner av människor, genererar stora kostnader och som bidrar till ökad utveckling av antibiotikaresistens., menar chalmersforskarna. De vassa flagorna skadar inte heller celler från människor och andra däggdjur. Det beror på att bakterieceller är cirka en tusendels millimeter i diameter, jämfört med mänskliga celler som typiskt är 25 mikrometer. Bild: Yen Strandqvist

Infektioner på implantat orsakas av bakterier som färdas runt i vätska i kroppen, till exempel blod, i jakt på en yta att fästa vid. När de fastnat vid en yta börjar de föröka sig och bildar en så kallad biofilm, en bakteriebeläggning.

Bildar en spikmatta

Tidigare studier från chalmersforskarna har visat att vertikalt stående nanoflagor av grafen, placerade i ett skyddande överdrag på ytan, kan bilda en spikmatta som gör det omöjligt för bakterier att fästa vid underlaget. Istället skärs cellmembranet sönder och bakterien dör. Men att producera dessa grafenflagor är dyrt och tar lång tid, vilket gör att de inte är aktuella för storskalig produktion.

− Det som är anmärkningsvärt med resultaten i vår nya studie är att vi kan uppnå samma enastående antibakteriella effekter genom att använda en relativt prisvärd typ av grafitnanoflagor som vi blandar med en mycket mångsidig polymer. Trots att polymeren, eller plasten, egentligen inte är speciellt kompatibel med grafitnanoflagorna, har vi lyckats skräddarsy mikrostrukturen för materialet med hjälp av standardtillverkningstekniker för plast. Det kan ha stor potential inom många biomedicinska användningsområden, säger Roland Kádár, docent på institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.

Dödligt knivangrepp på bakterie

I rätt koncentration kan de sylvassa grafitnanoflagorna på ytan av implantaten förhindra bakterieinfektion. De vassa flagorna skadar inte heller celler från människor och andra däggdjur. Det beror på att bakterieceller är cirka en tusendels millimeter i diameter, jämfört med mänskliga celler som typiskt är 25 mikrometer. Ett stick av grafitnanoflagorna kan jämföras med ett dödligt knivangrepp på en bakterie, men endast ett litet nålstick för den mänskliga cellen.

− Förutom att minska lidande och antibiotikaresistens skulle hjälpmedel av den här sorten kunna leda till färre ingrepp inom till exempel implantatkirurgin, eftersom implantaten skulle kunna stanna kvar i kroppen under en mycket längre tid än de man använder sig av idag, säger Santosh Pandit.

I studien blandades grafitnanoflagorna med plastmaterialet och man kom fram till att en sammansättning med 15–20 procent grafitnanoflagor hade störst antibakteriell effekt.

Grafitnanoflagorna måste ha struktur

– Precis som i den tidigare studien är den avgörande faktorn orienteringen på grafitnanoflagorna. De måste vara mycket strukturerade för att nå maximal effekt, säger Roland Kádár.

Forskningsstudien är ett samarbete mellan avdelningen för systembiologi på institutionen för biologi och bioteknik, och avdelningen för konstruktionsmaterial på institutionen för industri och materialvetenskap på Chalmers, samt företaget Wellspect Healthcare, som bland annat tillverkar katetrar. De antibakteriella ytorna utvecklades av Karolina Gaska under hennes tid som postdok i docent Roland Kádárs forskargrupp.

Forskarnas framtida fokus ligger nu på att utforska dessa antibakteriella ytors fulla potential inom specifika biomedicinska användningsområden.

Vetenskaplig artikel:

Se filmen Spikar av grafen kan döda bakterier på implantat:

Kontakt:

Santosh Pandit, postdok på institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers,
pandit@chalmers.se

Roland Kádár, docent på institutionen för industri och materialvetenskap, Chalmers,
‬roland.kadar@chalmers.se

Ivan Mijakovic, professor på institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers,
ivan.mijakovic@chalmers.se