Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN zaprojektowali i zsyntetyzowali biobójcze nanokompozyty, wytyczając tym samym nowy kierunek rozwoju inżynierii materiałowej w walce z drobnoustrojami.
Coraz większa liczba bakterii opornych na antybiotyki przysparza kłopotów nie tylko lekarzom, ale również fizykom zajmującym się inżynierią materiałową. Wydaje się, że w toczonej od pokoleń syzyfowej walce ze światem groźnych drobnoustrojów zyskaliśmy sojuszników gotowych sprostać wyzwaniu: materiały kompozytowe zdolne samoczynnie i nieustannie zabijać mikroorganizmy i zapobiegać rozwojowi ich kolonii. To biobójcze nanokompozyty, zaprojektowane, wytworzone i scharakteryzowane w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk 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. Dopiero gdy to się uda, przystępujemy do sprawdzenia, czy właściwości otrzymanego materiału są zgodne z naszymi oczekiwaniami – wyjaśnia dr hab. Łukasz Laskowski z IFJ PAN.
Potrzeba opracowania nowego, trwałego i bezpiecznego materiału biobójczego została zasygnalizowana przez badaczy z Instytutu Fizjologii i Żywienia Zwierząt PAN w Jabłonnej. Zwrócili oni uwagę, że jeśli znane wszystkim z czasu pandemii maseczki na twarz są zbyt rzadko wymieniane, gromadzą mikroorganizmy i jako ich siedliska mogą być źródłem wtórnego zakażenia. Potrzebny byłby więc materiał działający nie tylko jak filtr, ale również zdolny ciągle eliminować mikroorganizmy, które się na nim osadzają. Fizycy z IFJ PAN uznali, że sposobem na rozwiązanie problemu może 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 gwarantowałoby, że materiał zachowywałby swoje cechy praktycznie dowolnie długo.
W przypadku kompozytów biobójczych z jonami srebra, opracowanych przez naukowców z IFJ PAN, 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, w drugim – sfer o rozmiarach od 50 do 500 nm. Matryca porowata umożliwia filtrowanie, np. powietrza bądź płynów ustrojowych, podczas gdy sferyczna krzemionka pozwala wprowadzać biobójczy materiał do innych substancji, na przykład do wypełnień dentystycznych.
Naturalnie 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 – tłumaczy 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.
Druga klasa nowych nanokompozytów z IFJ PAN wykorzystuje do walki z bakteriami inne narzędzie: grupy propylowo-fosforanowe zawierające jon miedzi. Wyłapują one z powietrza cząsteczki tlenu, który jest następnie redukowany przez wspomniany jon miedzi, działający jak jednoelektronowy katalizator. W zachodzących reakcjach uczestniczy wodór pochodzący z powszechnych w naszym środowisku cząsteczek wody. W rezultacie wokół grup 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 – mówi dr Laskowski i podkreśla, że testy weryfikujące bioaktywne działanie wszystkich nowych materiałów zostały przeprowadzone w IFiŻZ PAN i koordynowane przez dr. 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.
źródło: IFJ PAN