Door gebruik te maken van een elektrochemisch etsproces op een gangbare roestvaststalen legering, onderzoekers hebben een oppervlak met nanotextuur gecreëerd dat bacteriën doodt zonder de cellen van zoogdieren te schaden. Als aanvullend onderzoek vroege testresultaten ondersteunt, het proces kan worden gebruikt om microbiële besmetting aan te pakken op implanteerbare medische apparaten en op voedselverwerkingsapparatuur die met het metaal is gemaakt.

Hoewel het specifieke mechanisme waarmee het nanotextuurmateriaal bacteriën doodt, nader onderzoek vereist, de onderzoekers geloven dat kleine spikes en andere nano-uitsteeksels die op het oppervlak zijn gemaakt, bacteriële membranen doorboren om de insecten te doden. De oppervlaktestructuren lijken geen vergelijkbaar effect te hebben op zoogdiercellen, die een orde van grootte groter zijn dan de bacteriën.

Naast de antibacteriële effecten, de nanotextuur blijkt ook de corrosieweerstand te verbeteren. Het onderzoek werd op 12 december gerapporteerd in het tijdschrift ACS Biomaterialen Wetenschap &Techniek door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology.

"Deze oppervlaktebehandeling heeft potentieel brede implicaties omdat roestvrij staal zo wijdverbreid wordt gebruikt en zo veel van de toepassingen kunnen profiteren, " zei Julie Kampioen, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Veel van de antimicrobiële benaderingen die momenteel worden gebruikt, voegen een soort oppervlaktefilm toe, die kan slijten. Omdat we eigenlijk het staal zelf modificeren, dat zou een blijvende verandering in het materiaal moeten zijn."

Champion en haar Georgia Tech-medewerkers ontdekten dat de oppervlaktemodificatie zowel Gram-negatieve als Gram-positieve bacteriën doodde, testen op Escherichia coli en Staphylococcus aureus. Maar de modificatie bleek niet giftig te zijn voor muizencellen - een belangrijk probleem omdat cellen zich moeten hechten aan medische implantaten als onderdeel van hun opname in het lichaam.

Het onderzoek begon met het doel om een ​​superhydrofoob oppervlak op het roestvrij staal te creëren in een poging om vloeistoffen af ​​te stoten - en daarmee ook bacteriën. Maar al snel werd duidelijk dat voor het maken van zo'n oppervlak een chemische coating nodig was, wat de onderzoekers niet wilden doen. Postdoctorale fellows Yeongseon Jang en Won Tae Choi stelden vervolgens een alternatief idee voor om een ​​oppervlak met nanotextuur op roestvrij staal te gebruiken om bacteriële hechting te beheersen, en ze startten een samenwerking om dit effect aan te tonen.

Het onderzoeksteam experimenteerde met verschillende niveaus van spanning en stroom in een standaard elektrochemisch proces. Typisch, elektrochemische processen worden gebruikt om roestvrij staal te polijsten, maar kampioen en medewerker Dennis Hess - een professor en Thomas C. DeLoach, Jr. Chair in de School of Chemical and Biomolecular Engineering - gebruikte de techniek om het oppervlak op nanometerschaal op te ruwen.

"Onder de juiste omstandigheden je kunt een nanotextuur creëren op de korrelstructuur, Hess legt uit. "Dit textureringsproces verhoogt de oppervlaktescheiding van chroom en molybdeen en verbetert zo de corrosieweerstand, dat is wat roestvrij staal onderscheidt van conventioneel staal."

Microscopisch onderzoek toonde uitsteeksels 20 tot 25 nanometer boven het oppervlak. "Het is als een bergketen met zowel scherpe pieken als dalen, " zei Champion. "We denken dat het bacteriedodende effect verband houdt met de omvang van deze kenmerken, waardoor ze kunnen interageren met de membranen van de bacteriële cellen."

De onderzoekers waren verrast dat het behandelde oppervlak bacteriën doodde. En omdat het proces meer op een biofysisch dan op een chemisch proces lijkt te berusten, de bugs zouden er geen resistentie tegen moeten kunnen ontwikkelen, voegde ze eraan toe.

Een tweede belangrijke potentiële toepassing voor de oppervlaktemodificatietechniek is voedselverwerkingsapparatuur. Daar, de oppervlaktebehandeling moet voorkomen dat bacteriën zich hechten, bestaande sterilisatietechnieken te verbeteren.

De onderzoekers gebruikten monsters van een gewone roestvrije legering die bekend staat als 316L, het oppervlak behandelen met een elektrochemisch proces waarbij stroom werd toegepast op de metalen oppervlakken terwijl ze waren ondergedompeld in een etsoplossing met salpeterzuur.

Toepassing van de stroom verplaatst elektronen van het metalen oppervlak naar de elektrolyt, het veranderen van de oppervlaktetextuur en het concentreren van het chroom- en molybdeengehalte. De specifieke spanningen en stroomdichtheden bepalen het type geproduceerde oppervlaktekenmerken en hun grootteschaal, zei Hes, die met Choi werkte - toen een Ph.D. student – ​​en universitair hoofddocent Victor Breedveld aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering, en professor Preet Singh aan de School of Materials Science and Engineering, om het nanotexturingproces te ontwerpen.

Om de antibacteriële effecten beter te kunnen beoordelen, Jang schakelde de expertise van Andrés García in, een regentenhoogleraar aan de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech, en afgestudeerde student Christopher Johnson. In hun experimenten, ze lieten bacteriële monsters tot 48 uur groeien op behandelde en onbehandelde roestvrijstalen monsters.

Aan het einde van die tijd, het behandelde metaal bevatte significant minder bacteriën. Die waarneming werd bevestigd door de bacteriën in een oplossing te verwijderen, vervolgens het plaatsen van de oplossing op agarplaten. De platen die de oplossing van het onbehandelde roestvrij staal ontvingen, vertoonden een veel grotere bacteriegroei. Aanvullende testen bevestigden dat veel van de bacteriën op de behandelde oppervlakken dood waren.

Muis fibroblast cellen, echter, leek niet te worden gehinderd door de oppervlakte. "De zoogdiercellen leken behoorlijk gezond, "zei Champion. "Hun vermogen om zich te vermenigvuldigen en het hele oppervlak van het monster te bedekken, suggereerde dat ze in orde waren met de oppervlaktemodificatie."

Voor de toekomst, de onderzoekers zijn van plan langetermijnstudies uit te voeren om ervoor te zorgen dat de zoogdiercellen gezond blijven. De onderzoekers willen ook bepalen hoe goed hun nanotextuur standhoudt bij blootstelling aan slijtage.

"In principe, dit is zeer schaalbaar, " zei Hess. "Elektrochemie wordt routinematig commercieel toegepast om materialen op grote schaal te verwerken."