Een klein laagje grafeenvlokken op een oppervlak doodt bacteriën, het stoppen van infecties tijdens procedures zoals implantaatchirurgie. Dit is de bevinding van nieuw onderzoek van de Chalmers University of Technology, Zweden, onlangs gepubliceerd in Geavanceerde materiaalinterfaces .

Operaties voor chirurgische implantaten, zoals heup- en knieprothesen of tandheelkundige implantaten, zijn de afgelopen jaren toegenomen. Echter, bij dergelijke procedures er is altijd een risico op bacteriële infectie. In het ergste geval, dit kan voorkomen dat het implantaat aan het skelet hecht, wat betekent dat het moet worden verwijderd.

Bacteriën reizen in vloeistoffen zoals bloed, proberen te hechten aan een geschikt oppervlak. Eenmaal op zijn plaats, ze beginnen te groeien en zich voort te planten, vormt een beschermende laag die bekend staat als een biofilm. Een onderzoeksteam van Chalmers heeft nu aangetoond dat een laag verticale grafeenvlokken een beschermend oppervlak vormt waardoor bacteriën zich onmogelijk kunnen hechten. In plaats daarvan, bacteriën worden door de scherpe grafeenvlokken uit elkaar gesneden en gedood. Het coaten van implantaten met een laagje grafeenvlokken kan de patiënt dus beschermen tegen infectie, elimineren de noodzaak van antibioticabehandeling, en het risico op implantaatafstoting te verminderen. De osseo-integratie - het proces waarbij de botstructuur groeit om het implantaat te bevestigen - wordt niet verstoord. In feite, het is aangetoond dat grafeen de botcellen ten goede komt.

Chalmers University is een leider op het gebied van grafeenonderzoek, maar de biologische toepassingen begonnen pas een paar jaar geleden te materialiseren. De onderzoekers zagen in eerdere onderzoeken tegenstrijdige resultaten. Sommigen toonden aan dat grafeen de bacteriën beschadigde, anderen dat ze niet werden beïnvloed.

"We ontdekten dat de belangrijkste parameter is om het grafeen verticaal te oriënteren. Als het horizontaal is, de bacteriën worden niet geschaad, " zegt Ivan Mijakovic, Hoogleraar aan de afdeling Biologie en Biologische Technologie.

De scherpe vlokken beschadigen menselijke cellen niet omdat een bacterie één micrometer in diameter is, terwijl een menselijke cel 25 micrometer is. Wat voor een bacterie een dodelijke mesaanval is, is dus voor een menselijke cel maar een krasje.

"Grafeen heeft een groot potentieel voor gezondheidstoepassingen. Maar er is meer onderzoek nodig voordat we kunnen beweren dat het volkomen veilig is. we weten dat grafeen niet gemakkelijk afbreekt, " zegt Jie Sun, universitair hoofddocent bij de afdeling Micro Technology and Nanoscience.

Ook goede bacteriën worden door het grafeen gedood. Maar dat is geen probleem, omdat het effect gelokaliseerd is en de balans van de microflora in het lichaam ongestoord blijft. “We willen voorkomen dat bacteriën een infectie veroorzaken. u heeft mogelijk antibiotica nodig, die de balans van normale bacteriën kunnen verstoren en ook het risico op antimicrobiële resistentie door pathogenen kunnen vergroten, " zegt Santosh Pandit, postdoc bij Biologie en Biologische Technologie.

Verticale vlokken grafeen zijn geen nieuwe uitvinding, een paar jaar bestaan. Maar de onderzoeksteams van Chalmers zijn de eersten die het verticale grafeen op deze manier gebruiken. De volgende stap voor het onderzoeksteam is om de grafeenvlokken verder te testen door implantaatoppervlakken te coaten en het effect op dierlijke cellen te bestuderen.

Het maken van verticaal grafeen

Grafeen is gemaakt van koolstofatomen. Het is slechts een enkele atoomlaag dik, en daarom 's werelds dunste materiaal. Grafeen wordt gemaakt in vlokken of films. Het is 200 keer sterker dan staal, en heeft een zeer goede geleidbaarheid dankzij de snelle elektronenmobiliteit. Grafeen is ook extreem gevoelig voor moleculen, waardoor het kan worden gebruikt in sensoren.

Grafeen kan worden gemaakt door chemische dampafzetting (CVD). De methode wordt gebruikt om een ​​dunne oppervlaktecoating op een monster te maken. Het monster wordt in een vacuümkamer geplaatst en tot een hoge temperatuur verwarmd. Tegelijkertijd, drie gassen, meestal waterstof, methaan en argon, worden losgelaten in de kamer. Door de hoge hitte reageren gasmoleculen met elkaar, en er ontstaat een dunne laag koolstofatomen.

Om verticale grafeenvormen te produceren, onderzoekers gebruiken een proces dat bekend staat als plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD). Vervolgens, a een plasma wordt aangebracht over het monster, waardoor het gas nabij het oppervlak wordt geïoniseerd. Met het plasma de koolstoflaag groeit verticaal vanaf het oppervlak, in plaats van horizontaal zoals bij CVD.