Terwijl het maken van slimme lijm, een team van ingenieurs ontdekte een handig bijproduct:waterstofperoxide. In microgelvorm, het vermindert het vermogen van bacteriën en virussen om te infecteren met ten minste 99 procent.

Het doctoraatsproject van Hao Meng was gericht op het testen van biocompatibiliteit en het trekken van een kleverig aminozuur uit mosselen. Lijmachtige catechol is veelbelovend voor slimme lijmen - een kleine stroomstoot kan de plakkerigheid in- en uitschakelen - maar dat is niet het enige potentiële gebruik.

"In het proces, Meng ontdekte dat de chemische reactie waterstofperoxide voortbracht als een bijproduct van oxidatie, " zegt Bruce Lee, universitair hoofddocent biomedische technologie en Meng's Ph.D. adviseur aan de Michigan Technological University. "Ze begon te denken, wat als we de waterstofperoxide zouden kunnen gebruiken?"

Het antwoord is ja, en de technologie die dit draagbaar maakt, genezend ontsmettingsmiddel mogelijk is het onderwerp van een nieuw artikel gepubliceerd in Acta Biomaterialia . Het werk bracht een interdisciplinair team van ingenieurs samen om niet alleen de technische ontwikkeling te onderzoeken, maar ook de fysieke en biologische eigenschappen van het materiaal.

De co-auteurs zijn onder andere Caryn Heldt, James en Lorna Mack leerstoel in bio-engineering in chemische technologie, en Megan Frost, interim-voorzitter van de afdeling Kinesiologie en Integratieve Fysiologie, evenals een universitair hoofddocent biomedische technologie en een aangesloten universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering.

Net als Jello

Nadat Meng voor het eerst had opgemerkt dat haar reacties waterstofperoxide creëerden, ze begon na te denken over de beste vorm om het bijproduct in te brengen. Ze wilde veel oppervlakte om de chemische reactie aan te drijven en ze wilde een manier om het materiaal opnieuw te gebruiken. Dus, het team maakte een microgel.

"De gel is net als jello, ', zegt Lee. 'Het is een polymeernetwerk met veel water erin. En net als jello, we beginnen met een vloeistof en stollen het tot een vorm."

Microgels zijn als kleine belletjes jello. Met het blote oog, de droge vorm is een onopvallend poeder. Suspendeer het in een oplossing met een neutrale of licht alkalische pH, zoals gedestilleerd water of een zoutoplossing zoals contactlensreiniger, en de waterstofperoxidecyclus komt op gang. Aan zijn lot overgelaten, de microgels ter grootte van een micron genereerden gedurende vier dagen tussen de één en vijf millimolair. Zodra het microgelpoeder weer is gedroogd, het materiaal wordt in principe gereset, zit veilig opgeborgen in een kleine tas, en kan worden hergebruikt. Het is als een on-demand fles desinfectiemiddel, zonder de grote fles en gevaarlijke opslagproblemen.

Antimicrobieel en antiviraal

De inspiratie voor die iconische bruine fles in het medicijnkastje begon niet in een lab; het lichaam produceert van nature waterstofperoxide om snijwonden te helpen genezen en de stof is op grote schaal medicinaal gebruikt om bacteriën en zelfs virussen te doden. Omdat het microgelpoeder waterstofperoxide blijft aanmaken en afgeven, zijn potentie blijft hoog, vooral in vergelijking met de ouderwetse katoenen baltechniek.

Het team bestudeerde de effecten van de microgel op twee veel voorkomende bacteriestammen en twee structureel verschillende virussen. Dat omvat de dunwandige en grampositieve Staphylococcus epidermidis, evenals de meer ondoordringbare en gram-negatieve Escherichia coli (E. coli). Ze keken ook naar het extreem resistente niet-omhulde varkensparovirus (PPV) en gemakkelijker te inactiveren omhuld boviene virale diarreevirus (BVDV). Door het harde eiwitomhulsel rond PPV, waardoor het en andere niet-omhulde virussen beter bestand zijn tegen biociden, het team was aangenaam verrast om te zien dat de microgel het vermogen van het virus om cellen te infecteren nog steeds met 99,9 procent verminderde. (In technische termen, dat is een reductiewaarde van drie logs van besmettelijkheid.) Met BVDV, ze zagen een vermindering van 99,999 procent in besmettelijkheid.

Van kamperen tot slagvelden

De mogelijkheden zijn bijna eindeloos. Waar een kleine tas kan gaan, zo kan deze technologie. Of het nu gaat om reizen in het achterland, ruimtestations, afgelegen klinieken of oorlogsgebieden, een klein beetje genezing om infectie te voorkomen kan een lange weg gaan. Terwijl Lee en zijn team zeggen dat de technologie nog niet helemaal klaar is voor Amazon Prime, ze zijn hoopvol dat het werk veelbelovend is voor een verscheidenheid aan toepassingen, misschien zelfs met antibioticaresistentie.

"We hebben nog geen antibioticaresistente bacteriestammen getest, maar hoe meer we kunnen vermijden om in de eerste plaats antibiotica te gebruiken, des te beter, ', zegt Lee. 'Er is nog veel werk aan de winkel. We willen aantonen onder welke omstandigheden het genezing bevordert en hoe een cel daarop reageert. Waterstofperoxide in hoge concentraties kan ook cellen doden, dus we moeten een balans hebben die verandert voor verschillende celtypes."

Lee ontving onlangs financiering van het Ministerie van Defensie van de adjunct-secretaris van Defensie voor Gezondheid via het Defensie Medisch Onderzoeks- en Ontwikkelingsprogramma om deze onderzoekslijn voort te zetten. Wat begon met het afval van een kleverig eiwit, zal worden verfijnd tot een lichtgewicht, draagbaar en recyclebaar microgelpoeder met voldoende kracht om zelfs de meest hardnekkige bacteriële en virale infecties te bestrijden.