Stijve microbiële films bedekken vaak medische apparaten, huishoudelijke artikelen en infrastructuur zoals de binnenkant van watertoevoerleidingen, en kan leiden tot gevaarlijke infecties. Onderzoekers hebben een systeem ontwikkeld dat de kracht van bellen gebruikt om kleine deeltjes door de oppervlakken van deze harde films te stuwen en een antiseptische doodsteek toe te dienen aan de microben die erin leven.

Biofilms zijn slijmerige kolonies van microben die bij elkaar worden gehouden door interne steigers, zich vastklampen aan alles wat ze aanraken. Ongeveer 80 procent van alle medische infecties is afkomstig van biofilms die de interne werking van ziekenhuisapparatuur en implantaten in patiënten binnendringen. Uitroeiing is moeilijk omdat traditionele ontsmettingsmiddelen en antibiotica niet effectief door het harde oppervlak van een biofilm kunnen dringen, aldus de onderzoekers.

In het journaal Toegepaste materialen en interfaces , een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign beschrijft hoe ze diatomeeën gebruikten - de kleine skeletten van algen - geladen met een zuurstofgenererende chemische stof om microben te vernietigen.

"De meesten van ons krijgen die zwarte of gele vlekken in onze douches thuis, " zei co-auteur Hyunjoon Kong, een professor in chemische en biomoleculaire engineering en een Carle Illinois College of Medicine-filiaal. "Die plekken zijn biofilms en de meesten van ons weten dat het veel energie kost om ze weg te schrobben. Stel je voor dat je dit probeert te doen in de besloten ruimte van de slang van een medisch apparaat of implantaat. Het zou heel moeilijk zijn."

Kijkend naar de natuur en basismechanica voor een oplossing, de onderzoekers ontwikkelden een systeem dat van nature overvloedige diatomeeën gebruikt, samen met waterstofperoxide en kleine zuurstofgenererende vellen van het samengestelde mangaanoxide.

"We hadden een deeltje kunnen maken met behulp van 3D-printers, maar gelukkig heeft de natuur ons al een goedkope en overvloedige optie in diatomeeën gegeven, " zei co-auteur en postdoctoraal onderzoeker Yongbeom Seo. "De soorten diatomeeën die we hebben geselecteerd, zijn hol, zeer poreus en staafvormig, biedt veel oppervlakte voor de vorming van bellen en een kanaal voor de bellen om te ontsnappen."

De chemische reactie tussen de waterstofperoxide en mangaanoxide nanosheets vindt plaats in de lege ruimte in de diatomeeën. Het resultaat is een bloei van microbellen die door het kleine kanaal stromen, het voortstuwen van de stijve diatomeeën met voldoende kracht om het oppervlak en de interne structuur van de biofilms te breken, aldus de onderzoekers.

"We dopen de deeltjes met nanosheets mangaanoxide, meng ze dan met waterstofperoxide en breng dat aan op het oppervlak van de biofilm, Kong zei. "Zodra de diatomeeën doorbreken tot de interne structuur van de biofilm, ze blijven bellen verdrijven en vergemakkelijken de toegang van waterstofperoxide, dat een effectief ontsmettingsmiddel is tegen bacteriën en schimmels."

De onderzoekers geloven dat hun succes het resultaat is van een beslissing om zich te concentreren op de mechanische aspecten van biofilmvernietiging, niet de chemische aspecten van het simpelweg doden van microben.

"We zijn tot een mechanische oplossing voor dit probleem gekomen en de mogelijkheden voor deze technologie zijn eindeloos, " zei co-auteur Simon Rogers, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering. "We bespreken ons onderzoek met clinici die veel opwindende ideeën hebben over het gebruik van dit systeem waar we oorspronkelijk niet eens aan hadden gedacht, zoals het verwijderen van tandplak."