Spikar av grafen kan döda bakterier på implantat

Kirurgibehandling med implantat – som höft-, knäproteser eller tandimplantat – har blivit allt vanligare. Men vid implantatkirurgi finns alltid risk för bakterieangrepp. Bakterierna orsakar infektion, som i värsta fall kan leda till att implantatet inte kan fästa vid skelettet utan måste plockas ut igen.

Bakterier färdas runt i vätska, exempelvis blod. De letar efter en yta att sätta sig på. Väl på plats växer de till och förökar sig, och bildar en skyddande gegga – en så kallad biofilm.

Ett forskarlag på Chalmers har nu visat att vertikalt stående grafenflagor bildar en spikmatta som gör det omöjligt för bakterier att fästa vid underlaget. Bakterierna skärs istället sönder på de rakbladsvassa flagorna och dör. Att förse implantat med ett grafenlager kan alltså skydda patienten mot infektion, samt förebygga antibiotikabehandling och risk för implantatförlust. Beninläkningen runt implantatet störs inte heller; tvärtom kan grafen förbättra bencellernas förmåga att förnya sig och läka.

Chalmers är ledande inom grafen-området, men de biologiska applikationerna dök inte upp på radarn förrän för ett par år sedan. Forskarna såg då att studier visade motstridiga resultat; vissa visade att grafen skadar bakterier, andra att de inte påverkades alls.

– Vi upptäckte att knepet är att sätta grafenflagorna vertikalt. Om de istället ligger ner skadas inte bakterierna, berättar Ivan Mijakovic, professor på avdelningen för systembiologi.

De vassa flagorna skadar inte mänskliga celler. Anledningen är enkel: en bakterie är cirka en mikrometer – en tusendels millimeter – i diameter, medan en mänsklig cell typiskt är 25 mikrometer. Det som är ett dödligt knivangrepp för bakterien blir därför endast ett nålstick för cellen.

– Grafen har stor potential när det gäller hälsoapplikationer. Men mer forskning behövs innan det går att säga att det är helt säkert. Bland annat vet vi att grafen inte bryts ner särskilt lätt, säger Jie Sun, docent vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap.

Goda bakterier stryker naturligtvis också med när de onda skadas. Men det är inte ett problem, eftersom effekten är väldigt lokal och kroppens mikroflora inte påverkas.

– Vi vill på det här sättet förhindra att bakterier skapar infektion. Om du får en infektion behövs kanske antibiotika, vilket definitivt stör mikrofloran i hela kroppen. Därtill kommer problemet med antibiotikaresistens, säger Santosh Pandit, postdok på avdelningen för systembiologi. 

Stående grafen är ingen ny uppfinning, utan har funnits i några år. Chalmers forskarlag är däremot först med att använda vertikalt grafen för att döda bakterier. Nästa steg för forskarlaget blir att testa vertikalt grafen ytterligare genom att klä implantatytor och studera effekten på djurceller.

Mer om studien

• Chalmers har samarbetat med företaget Wellspect Healthcare, som bland annat gör katetrar, i denna studie och parterna kommer nu att inleda en andra studie tillsammans. Forskningen har utförts inom det strategiska innovationsprogrammet SIO Grafen, en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.
• Resultaten är publicerade i Advanced Materials Interfaces: Vertically Aligned Graphene Coating is Bactericidal and Prevents the Formation of Bacterial Biofilms

Så tillverkas vertikalt grafen

• Grafen består av kolatomer. Det är bara ett atomlager tjockt och därmed världens tunnaste material. Grafen tillverkas i flagor eller film. Det är 200 gånger starkare än stål och har en mycket god ledningsförmåga tack vare sin snabba elektronrörlighet. Grafen är dessutom superkänsligt för molekyler vilket gör att det kan användas i sensorer.
• Grafen kan tillverkas genom CVD, chemical vapor deposition eller kemisk ångavsättning. Metoden används för att skapa en tunn ytbeläggning på ett prov. Provet placeras i en vakuumkammare och värms upp till höga temperaturer samtidigt som tre gaser – vanligen väte, metan och argon – släpps in i kammaren. Den höga värmen får gasmolekyler att reagera med varandra och ett tunt lager kolatomer skapas.
• För att tillverka vertikalt grafen används PECVD, plasmaassisterad ångavsättning. Då appliceras även ett elektriskt fält – en plasma – över provet, vilket gör att gasen nära ytan joniseras. Med plasman växer lagret av kol vertikalt från ytan, istället för horisontellt som vid CVD.