Niezmordowani zabójcy drobnoustrojów w nowych nanokompozytach

Zabijają molekularnym użądleniem lub szokiem oksydacyjnym i nie rozumieją znaczenia zmęczenia. Najnowsze nanokompozyty biobójcze, zaprojektowane i zsyntetyzowane przez naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IPJ PAN) w Krakowie, otwierają nowe możliwości w inżynierii materiałowej w walce z mikroorganizmami.

Rosnąca liczba bakterii opornych na antybiotyki stanowi wyzwanie nie tylko dla lekarzy, ale także dla fizyków zajmujących się inżynierią materiałową. W wielopokoleniowej syzyfowej walce ludzkości ze światem niebezpiecznych mikroorganizmów, wydaje się, że w końcu zdobyliśmy sojuszników gotowych podjąć wyzwanie: kompozyty zdolne do spontanicznego i ciągłego zabijania mikroorganizmów i spowalniania wzrostu ich kolonii utrudniają.

Biobójcze nanokompozyty zaprojektowane, zsyntetyzowane i scharakteryzowane w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie są omawiane w wielu ostatnio opublikowanych artykułach naukowych.

„W pracy naszego zespołu staramy się zastosować ideę 'fizyki odwróconej’: nie zaczynamy od substancji, którą chcemy badać, aby znaleźć dla niej zastosowania, ale od samych aplikacji. Po zidentyfikowaniu naszych potrzeb, we will my Projektujemy przyszły materiał dokładnie według tych wymagań, przeprowadzamy symulacje numeryczne, a następnie próbujemy go zsyntetyzować. Dopiero gdy nam się to uda, sprawdzamy, czy właściwości otrzymanego materiału spełniają nasze oczekiwania. wyjaśnia dr. Łukasz Laskowski (IFJ PAN), kierownik zespołu kierowanego przez dr. Agnieszki Karczmarskiej, dr. Magdaleny Laskowskiej i dr. należał Mateusz Schabikowski.

Potrzebę opracowania nowego, trwałego i bezpiecznego materiału biobójczego zasygnalizowali naukowcy z Instytutu Fizjologii i Żywienia Zwierząt Polskiej Akademii Nauk (IFIZZ PAN) w Jabłonnej. Zwrócili uwagę, że maseczki znane wszystkim z czasów pandemii, jeśli są rzadko zmieniane, mogą gromadzić mikroorganizmy i stanowić siedlisko dla wtórnych infekcji.

Potrzebny jest materiał, który nie tylko spełnia funkcję filtra, ale jest w stanie w sposób ciągły eliminować osadzające się na nim mikroorganizmy. Fizycy z IFJ PAN sądzili, że sposobem na rozwiązanie problemu może być kompozyt o neutralnej matrycy z odpowiednio przyłączonymi grupami funkcyjnymi, który może skutecznie zabijać mikroorganizmy.

Trwałe przyłączenie molekuł biobójczych i odpowiedni dobór ich właściwości gwarantowałyby, że materiał zachowa swoje właściwości praktycznie w każdym okresie czasu.

Kompozyty biobójcze z jonami srebra, opracowane przez naukowców z IFJ PAN, mogą w zależności od potrzeb wykorzystywać matryce z tlenku glinu lub krzemionki (tj. kwasu krzemowego). W pierwszym przypadku matryce mają postać sita o średnicy porów około 40 nanometrów, w drugim przypadku są to kulki o średnicy od 50 do 500 nm.

Porowata matryca umożliwia np. filtrowanie powietrza lub płynów ustrojowych, natomiast sferyczna krzemionka umożliwia włączenie materiału biobójczego do innych substancji, np. wypełnień dentystycznych.

„Oczywiście to nie matryca odgrywa główną rolę w naszych materiałach, ale przyłączone do niej w odpowiedni sposób grupy funkcyjne. Ta struktura jest elastyczna i doskonale sprawdza się jako pchnięcie lub nóż niszczący błonę komórkową bakterii. w kontakcie” – wyjaśnia dr Laskowski.

Cząsteczki biobójcze w nowych materiałach kompozytowych są chemicznie, a więc trwale związane z matrycą. Fakt ten oznacza przede wszystkim, że cząsteczki te mogą wykonywać swoje zadanie w sposób ciągły i dokładnie tam, gdzie się znajdują. Dzięki temu nie tracą swojej skuteczności z upływem czasu, nie są wypłukiwane do organizmu z wypełnienia dentystycznego, ani nie są uwalniane do środowiska ze zużytej maski.

Druga klasa nowych nanokompozytów IFJ PAN wykorzystuje inny środek przeciwbakteryjny: grupy fosforanu propylu zawierające jon miedzi. Wychwytują cząsteczki tlenu z powietrza, które są następnie redukowane przez jony miedzi i działają jak katalizator jednoelektronowy. Wodór z cząsteczek wody powszechnie występujących w naszym środowisku bierze udział w zachodzących reakcjach. W rezultacie nadtlenek wodoru tworzy się w sposób ciągły wokół grup funkcyjnych miedzi. W kontakcie z nim większość mikroorganizmów ginie w wyniku szoku oksydacyjnego.

„Podobnie jak w przypadku nanokompozytów srebra, miedź jest mocno związana z matrycą i nie zużywa się. Woda i tlen są zużywane, ale są one naturalnie obecne w środowisku. Dzięki temu mamy do dyspozycji materiał, który praktycznie w sposób ciągły wytwarza określoną ilość świeżego nadtlenku wodoru, jednego z najskuteczniejszych związków biobójczych – mówi dr Laskowski, podkreślając, że w IFiZZ PAN przeprowadzono badania potwierdzające działanie biobójcze. wszystkich nowych materiałów.

W IFJ PAN nanokompozyty bioaktywne z jonami metali są obecnie produkowane w skali laboratoryjnej z możliwością dostarczenia ilości testowych do celów wdrożeniowych. Jednak technologię produkcji, która jest na etapie patentowania, można bez większych problemów skalować do potrzeb przemysłu.

Najnowsze badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Cząsteczki.