Biobójcze nanokompozyty to szansa do walki z drobnoustrojami. Zaprojektowali i zsyntetyzowali je naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Bakterie coraz bardziej odporne

Coraz większa liczba bakterii opornych na antybiotyki przysparza wyzwań nie tylko lekarzom, ale również fizykom zajmującym się inżynierią materiałową. W walce z groźnymi drobnoustrojami zyskaliśmy nowych sojuszników – to materiały kompozytowe zdolne samoczynnie i nieustannie zabijać mikroorganizmy i zapobiegać rozwojowi ich kolonii. Biobójcze nanokompozyty zostały zaprojektowane, wytworzone i scharakteryzowane w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

„W pracach naszego zespołu staramy się stosować ideę 'odwróconej fizyki’: zaczynamy nie od substancji, którą chcemy zbadać, by znaleźć dla niej jakieś zastosowania, tylko od samych zastosowań. Gdy ustalimy potrzeby, pod ich kątem precyzyjnie projektujemy przyszły materiał, przeprowadzamy symulacje numeryczne, po czym próbujemy go syntetyzować” tłumaczy dr hab. Łukasz Laskowski, kierownik zespołu w IFJ PAN. „Dopiero gdy to się uda, przystępujemy do sprawdzenia, czy właściwości otrzymanego materiału są zgodne z naszymi oczekiwaniami”, uzupełnia dr Laskowski. W skład zespołu realizującego badania wchodzą także dr Agnieszka Karczmarska, dr Magdalena Laskowska i dr Mateusz Schabikowski.

Materiały kompozytowe zabijające mikroorganizmy

Potrzeba opracowania nowego, trwałego i bezpiecznego materiału biobójczego została zasygnalizowana przez badaczy z Instytutu Fizjologii i Żywienia Zwierząt PAN (IFiŻZ PAN) w Jabłonnie. Zwrócili oni uwagę, że jeśli znane wszystkim z czasu pandemii maseczki na twarz są zbyt rzadko wymieniane, to gromadzą mikroorganizmy. Następnie jako siedliska mikroorganizmów mogą być źródłem wtórnego zakażenia. Potrzebny byłby więc materiał działający nie tylko jak filtr, ale również zdolny stale eliminować mikroorganizmy, które się na nim osadzają.

Fizycy z IFJ PAN uznali, że sposobem na rozwiązanie problemu mógłby być materiał kompozytowy zbudowany z neutralnej matrycy z odpowiednio przytwierdzonymi grupami funkcyjnymi potrafiącymi efektywnie zabijać mikroorganizmy. Trwałe mocowanie cząsteczek biobójczych i odpowiedni dobór ich właściwości zagwarantowałby, że materiał zachowałby swoje cechy praktycznie dowolnie długo.

Biobójcze cząsteczki

W kompozytach biobójczych z jonami srebra w zależności od potrzeb można użyć matryc z tlenku glinu albo z ditlenku krzemu (czyli krzemionki). W pierwszym przypadku matryce mają postać sita z porami o średnicach około 40 nanometrów, a w drugim – sfer o rozmiarach od 50 do 500 nm. Matryca porowata umożliwia filtrowanie, na przykład powietrza bądź płynów ustrojowych. Z kolei sferyczna krzemionka pozwala wprowadzać biobójczy materiał do innych substancji np. do wypełnień dentystycznych.

„Główną rolę w naszych materiałach pełnią nie matryce, lecz w odpowiedni sposób na nich osadzone grupy funkcyjne. Kluczowy czynnik biobójczy, czyli w tym przypadku jon srebra, jest złapany za pomocą grupy karboksylowej umocowanej na łańcuchu propylowym. Konstrukcja ta jest wiotka i znakomicie pełni rolę żądła czy też noża, który stykając się z bakterią niszczy jej błonę komórkową” wyjaśnia dr Laskowski.

Biobójcze cząsteczki w nowych kompozytach są związane z matrycą chemicznie, a więc trwale. Fakt ten oznacza przede wszystkim, że cząsteczki te będą zdolne wykonywać swoje zadanie wciąż i dokładnie tam, gdzie zostały umieszczone. Z czasem więc nie stracą swoich zdolności, nie zostaną też wypłukane z plomby do organizmu ani też nie uwolnią się ze zużytej maseczki do środowiska.

Nowe nanokompozyty działające jak woda utleniona

Druga klasa nowych nanokompozytów z IFJ PAN wykorzystuje do walki z bakteriami inne narzędzie. Są to grupy propylowo-fosforanowe zawierające jon miedzi. Wyłapują one z powietrza cząsteczki tlenu. Następnie wspomniany jon miedzi, działający jak jednoelektronowy katalizator, zajmuje się ich redukcją. W zachodzących reakcjach uczestniczy wodór pochodzący z powszechnych w naszym środowisku cząsteczek wody, a w rezultacie w grupach funkcyjnych z miedzią nieustannie tworzy się woda utleniona. W kontakcie z nią większość mikroorganizmów ginie wskutek szoku oksydacyjnego.

„Podobnie jak w przypadku nanokompozytów z dodatkiem srebra, miedź także jest trwale związana z matrycą i się nie zużywa. Zużywają się woda i tlen, ale akurat one są naturalnie dostępne w środowisku. Mamy więc do dyspozycji materiał, który w sposób praktycznie nieprzerwany wytwarza pewne ilości świeżej wody utlenionej, jednego z najskuteczniejszych związków biobójczych” podkreśla dr Laskowski. podkreśla też, że testy weryfikujące bioaktywne działanie wszystkich nowych materiałów zostały przeprowadzone w IFiŻZ PAN  i koordynowane przez dra hab. Pawła Kowalczyka.

Biobójcze nanokompozyty z jonami metali są obecnie wytwarzane w IFJ PAN na skalę laboratoryjną, z możliwością dostarczania próbnych ilości w celach wdrożeniowych. Technologię produkcji, znajdującą się na etapie patentowania, można jednak bez większych problemów przeskalować do potrzeb przemysłowych.

Omówione badania  sfinansowano z grantu przyznanego przez Narodowego Centrum Nauki.

Źródło informacji i zdjęć: Instytut Fizyki Jądrowej PAN