Astronauten leven en werken in een baan om de aarde samen met wemelende populaties micro-organismen, die een ernstige bedreiging kunnen vormen voor de gezondheid - en zelfs voor de structurele integriteit van ruimtevaartuigen. Om dergelijke onzichtbare verstekelingen te helpen bestrijden, ontwikkelt een door ESA geleid project microbe-dodende coatings die geschikt zijn voor gebruik in ruimtevaartuigcabines.

Bemanningsleden op het internationale ruimtestation zijn niet de enigen. Een microbieel onderzoek van oppervlakken binnen de orbitale buitenpost vond tientallen verschillende soorten bacteriën en schimmels, waaronder schadelijke pathogenen zoals Staphylococcus aureus, waarvan bekend is dat ze huid- en luchtweginfecties en voedselvergiftiging veroorzaken.

Deze microbiële populaties kunnen zelfs ruimtevaartuigen ziek maken, niet alleen astronauten. Bacteriën en schimmels produceren "biofilms" - vergelijkbaar met tandplak - die op hun beurt kunnen aantasten en aantasten van metaal en glas, evenals plastic en rubber.

Dit probleem bleek acuut in de nadagen van de voorganger van het ISS, het Mir-ruimtestation, waar microbiële kolonies werden waargenomen die groeiden op delen van ruimtepakken, kabelisolatie en zelfs de afdichtingen van ramen.

"Nu het immuunsysteem van astronauten wordt onderdrukt door microzwaartekracht, zullen de microbiële populaties van toekomstige langdurige ruimtemissies rigoureus moeten worden gecontroleerd", legt ESA-materiaalingenieur Malgorzata Holynska uit. "Dus de afdeling Materiaalfysica en Chemie van ESA werkt samen met Istituto Italiano di Tecnologia, IIT, om antimicrobiële materialen te bestuderen die aan de binnenkant van de cabine kunnen worden toegevoegd."

Het IIT-team is begonnen met het werk aan titaniumoxide, ook wel 'titania' genoemd, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt in zelfreinigend glas hier op aarde, evenals in hygiënische oppervlakken. Wanneer titaniumoxide wordt blootgesteld aan ultraviolet licht, breekt het waterdamp in de lucht af tot "vrije zuurstofradicalen", die alles opeten wat zich aan het oppervlak bevindt, inclusief bacteriële membranen.

"Bacteriën worden geïnactiveerd door de oxidatieve stress die door deze radicalen wordt gegenereerd", zegt Mirko Prato van IIT. "Dit is een voordeel omdat alle micro-organismen zonder uitzondering worden aangetast, dus er is geen kans dat we de bacteriële resistentie op dezelfde manier verhogen als sommige antibacteriële materialen."

De keuze voor titaniumoxide is ingegeven door eerder onderzoek naar antimicrobiële coatings voor ziekenhuizen. Het team onderzoekt een methode om de verbinding te "verdoven"; het recept aanpassen om de gevoeligheid voor het zichtbare deel van het lichtspectrum te vergroten.

"Antimicrobiële coatings op aarde maken vaak gebruik van zilver, maar hier willen we het zonder", vult Malgorzata aan. "Het probleem is dat in de beperkte omgeving van een ruimtevaartuig, langdurige blootstelling aan zilver negatieve gezondheidseffecten kan hebben voor astronauten - we willen geen ophoping van zware metalen in het water aan boord, bijvoorbeeld met oplosbaar zilver dat is gekoppeld aan huid en oog irritatie, zelfs veranderingen in huidskleur bij zeer hoge doses."

Een van de aantrekkelijkheden van titaniumoxide als alternatief is de schijnbare stabiliteit op lange termijn, legt Fabio Di Fonzo van IIT uit:"Maar we zullen kunstmatige veroudering van coatings uitvoeren om te zien hoe ze zich in de loop van de tijd ontwikkelen. En een deel van de projectresultaten zal zijn om te zien wat de fotodegradatieproducten zijn die teruggaan naar de atmosfeer van de cabine zodra de bacteriën zijn geoxideerd - het is duidelijk dat we geen eindproducten willen die giftiger zijn dan de microben zelf."

Testen door IIT hebben geleid tot succesvolle titaniumoxidecoating van een verscheidenheid aan kandidaat-oppervlakken:glas, siliciumwafels, aluminiumfolie en zelfs papieren tissues van cleanroomkwaliteit. De coatings worden aangebracht met behulp van verschillende methoden, waaronder "fysieke dampafzetting" en "atomaire laagafzetting", waarbij dunne films geleidelijk worden neergeslagen door blootstelling aan gasvormige chemicaliën, technieken die traditioneel worden gebruikt voor het vervaardigen van halfgeleiderapparaten.

"We streven ernaar om deze antimicrobiële laag zo dun mogelijk te houden, om de mechanische eigenschappen van onderliggende materialen niet te veel te veranderen, om weefsels niet te stoppen, enzovoort", zegt Mirko. "We mikken op diktes van 50 tot 100 nanometer , miljoenste van een millimeter."

Het PATINA-project, 'Optimization of Photo-catalytic Antibacteriële coatings', werd voorgesteld via ESA's Open Space Innovation Platform, op zoek naar nieuwe ideeën voor ruimteonderzoek vanuit elke bron. Het project omvat ook andere antimicrobiële oppervlaktebehandelingen, waaronder superhydrofobe materialen die alle vocht afstoten, elektrostatische reacties en biocide-afgevende materialen.

Bij ESTEC heeft ESA Research Fellow Mengjiao Wang gewerkt aan het testen van coatings, nu opgevolgd door Research Fellow Federica Arena.

Deze nieuwe antimicrobiële benadering vormt een aanvulling op bestaand Europees onderzoek, zoals het Franse ruimte-oppervlakte-experiment MATISS en het Duitse Touching Surfaces-experiment dat de groei van bacteriën aan boord van het ISS onderzoekt. + Verder verkennen

Antibacterieel bioactief glas verdubbelt microbiële resistentie tegen antibiotica