Snart kan spikmattor av grafen bekämpa antibiotikaresistens

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

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.

Så testades materialets 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 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.