Microgel-pulver bekæmper infektioner og hjælper med at hele sår

Mens du laver smart lim, et team af ingeniører opdagede et praktisk biprodukt:hydrogenperoxid. I form af mikrogel, det reducerer bakteriers og viruss evne til at inficere med mindst 99 procent.

Hao Mengs doktorgradsprojekt fokuserede på biokompatibilitetstestning og at trække en klæbrig aminosyre ud af muslinger. Limlignende katekol viser løfte om smarte klæbemidler - et lille stød af elektricitet kan tænde og slukke for klæbrigheden - men det er ikke dets eneste potentielle brug.

"I processen Meng opdagede, at den kemiske reaktion genererede hydrogenperoxid som et biprodukt af oxidation, " siger Bruce Lee, lektor i biomedicinsk teknik og Mengs ph.d. rådgiver ved Michigan Technological University. "Hun begyndte at tænke, hvad hvis vi kunne bruge brintoverilte?"

Svaret er ja, og teknologien, der gør denne bærbar, helbredende desinfektionsmiddel muligt er emnet for et nyt papir offentliggjort i Acta Biomaterialia . Arbejdet samlede et tværfagligt team af ingeniører for at udforske ikke kun den teknologiske udvikling, men også materialets fysiske og biologiske egenskaber.

Medforfatterne inkluderer Caryn Heldt, James og Lorna Mack lærer i bioteknik i kemiteknik, og Megan Frost, midlertidig formand for Institut for Kinesiologi og Integrativ Fysiologi samt en lektor i biomedicinsk teknik og en tilknyttet lektor i materialevidenskab og teknik.

Ligesom Jello

Efter at Meng først observerede, at hendes reaktioner skabte hydrogenperoxid, hun begyndte at overveje den bedste form at anbringe biproduktet i. Hun ville have masser af overfladeareal til at drive den kemiske reaktion, og hun ønskede en måde at genbruge materialet på. Så, holdet lavede en mikrogel.

"Gelen er ligesom gelé, " siger Lee. "Det er et polymernetværk med meget vand i det. Og ligesom jello, vi starter med en væske og størkner den til en form."

Mikrogeler er som små bobler af gelé. For det blotte øje, den tørre form er et ubestemmeligt pulver. Suspender det i en opløsning med neutral eller let alkalisk pH, såsom destilleret vand eller en saltvandsopløsning som kontaktlinserenser, og brintoverilte-cyklussen begynder at rulle. Overladt til sig selv, mikrogelerne i mikronstørrelse genererede mellem en til fem millimolarer over fire dage. Når mikrogelpulveret er tørret igen, materialet nulstilles grundlæggende, sidder sikkert i en lille taske, og kan genbruges. Det er som en on-demand flaske desinfektionsmiddel - uden den omfangsrige flaske og farlige opbevaringsproblemer.

Antimikrobiel og antiviral

Inspirationen til den ikoniske brune flaske i medicinskabet startede ikke i et laboratorium; kroppen producerer naturligt brintoverilte for at hjælpe med at hele sår, og stoffet er blevet brugt i vid udstrækning medicinsk til at dræbe bakterier og endda vira. Fordi mikrogelpulveret fortsætter med at skabe og frigive hydrogenperoxid, dens styrke forbliver høj, især sammenlignet med old-school bomuldsteknikken.

Holdet undersøgte mikrogelens virkning på to almindelige bakteriestammer og to strukturelt forskellige vira. Det inkluderer den tyndvæggede og gram-positive Staphylococcus epidermidis, samt den mere uigennemtrængelige og gramnegative Escherichia coli (E. coli). De så også på det ekstremt resistente ikke-indkapslede porcine parovirus (PPV) og lettere at inaktivere enveloped bovint viral diarrhea virus (BVDV). På grund af det hårde proteinhus omkring PPV, hvilket gør det og andre ikke-indkapslede vira mere modstandsdygtige over for biocider, holdet var glædeligt overrasket over at se, at mikrogelen stadig reducerede virusets evne til at inficere celler med 99,9 procent. (I tekniske termer, det er en tre log reduktionsværdi af infektivitet.) Med BVDV, de observerede en 99,999 procent reduktion i smitteevne.

Fra camping til slagmarker

Mulighederne er næsten uendelige. Hvor end en lille taske kan gå, det kunne denne teknologi også. Uanset om det er rejser til landet, rumstationer, fjerntliggende klinikker eller krigszoner, en lille smule helbredelse for at forhindre infektion kan nå langt. Mens Lee og hans team siger, at teknologien ikke er helt klar til Amazon Prime, de er håbefulde, at arbejdet viser lovende for en række anvendelser, måske endda med antibiotikaresistens.

"Vi har ikke testet nogen antibiotika-resistente bakteriestammer endnu, men jo mere vi kan komme væk fra at bruge antibiotika i første omgang, des bedre, " siger Lee. "Der er stadig meget arbejde at gøre. Vi ønsker at demonstrere, under hvilke forhold det fremmer heling, og hvordan en celle reagerer på det. Hydrogenperoxid i høje koncentrationer kan også dræbe celler, så vi skal have en balance, der ændrer sig for forskellige celletyper."

Lee modtog for nylig finansiering fra Department of Defense Office af assisterende forsvarsminister for sundhed gennem Defense Medical Research and Development Program for at fortsætte denne forskningslinje. Det, der startede med et klæbrigt proteins affald, vil blive raffineret til en letvægts, bærbart og genanvendeligt mikrogel-pulver med nok oomph til at sparke selv de mest genstridige bakterielle og virale infektioner.