Nanoteksturering skaber bakteriedræbende pigge på overflader af rustfrit stål

Ved at bruge en elektrokemisk ætsningsproces på en almindelig rustfri stållegering, forskere har skabt en nanotekstureret overflade, der dræber bakterier uden at skade pattedyrsceller. Hvis yderligere forskning understøtter tidlige testresultater, processen kan bruges til at angribe mikrobiel forurening på implanterbart medicinsk udstyr og på fødevareforarbejdningsudstyr fremstillet af metallet.

Mens den specifikke mekanisme, hvorved det nanoteksturerede materiale dræber bakterier, kræver yderligere undersøgelse, forskerne mener, at små pigge og andre nanofremspring, der er skabt på overfladen, punkterer bakteriemembraner for at dræbe insekterne. Overfladestrukturerne ser ikke ud til at have en lignende effekt på pattedyrsceller, som er en størrelsesorden større end bakterierne.

Ud over de antibakterielle virkninger, nano-tekstureringen ser også ud til at forbedre korrosionsbestandigheden. Forskningen blev rapporteret den 12. december i tidsskriftet ACS Biomaterials Science &Engineering af forskere ved Georgia Institute of Technology.

"Denne overfladebehandling har potentielt vidtrækkende implikationer, fordi rustfrit stål er så udbredt, og så mange af applikationerne kunne gavne, " sagde Julie Champion, en lektor ved Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Mange af de antimikrobielle tilgange, der anvendes i øjeblikket, tilføjer en form for overfladefilm, som kan slides af. Fordi vi faktisk modificerer selve stålet, det burde være en permanent ændring af materialet."

Champion og hendes Georgia Tech-samarbejdspartnere fandt ud af, at overflademodifikationen dræbte både gramnegative og grampositive bakterier, tester det på Escherichia coli og Staphylococcus aureus. Men modifikationen så ikke ud til at være giftig for museceller - et vigtigt spørgsmål, fordi celler skal klæbe til medicinske implantater som en del af deres inkorporering i kroppen.

Forskningen begyndte med et mål om at skabe en superhydrofob overflade på det rustfri stål i et forsøg på at afvise væsker – og med dem, bakterie. Men det blev hurtigt klart, at at skabe en sådan overflade ville kræve brugen af ​​en kemisk belægning, hvilket forskerne ikke ønskede at gøre. Postdoc-stipendiater Yeongseon Jang og Won Tae Choi foreslog derefter en alternativ idé om at bruge en nanotekstureret overflade på rustfrit stål til at kontrollere bakteriel adhæsion, og de indledte et samarbejde for at demonstrere denne effekt.

Forskerholdet eksperimenterede med varierende niveauer af spænding og strømflow i en standard elektrokemisk proces. Typisk, elektrokemiske processer bruges til at polere rustfrit stål, men Champion og samarbejdspartner Dennis Hess – en professor og Thomas C. DeLoach, Jr. Chair i School of Chemical and Biomolecular Engineering – brugte teknikken til at ru overfladen på nanometerskalaen.

"Under de rette betingelser, du kan skabe en nanotekstur på kornoverfladestrukturen, " Hess forklarede. "Denne tekstureringsproces øger overfladeadskillelsen af ​​chrom og molybdæn og forbedrer dermed korrosionsbestandigheden, hvilket er det, der adskiller rustfrit stål fra konventionelt stål."

Mikroskopisk undersøgelse viste fremspring 20 til 25 nanometer over overfladen. "Det er som en bjergkæde med både skarpe tinder og dale, " sagde Champion. "Vi tror, ​​at den bakteriedræbende effekt er relateret til størrelsesskalaen af ​​disse funktioner, giver dem mulighed for at interagere med bakteriecellernes membraner."

Forskerne var overraskede over, at den behandlede overflade dræbte bakterier. Og fordi processen ser ud til at stole på en biofysisk snarere end kemisk proces, insekterne burde ikke være i stand til at udvikle modstand mod det, tilføjede hun.

En anden stor potentiel anvendelse for overflademodifikationsteknikken er fødevareforarbejdningsudstyr. der, overfladebehandlingen skal forhindre bakterier i at klæbe, forbedring af eksisterende steriliseringsteknikker.

Forskerne brugte prøver af en almindelig rustfri legering kendt som 316L, at behandle overfladen med en elektrokemisk proces, hvor der blev tilført strøm til metaloverfladerne, mens de var nedsænket i en salpetersyreætseopløsning.

Påføring af strømmen flytter elektroner fra metaloverfladen ind i elektrolytten, ændring af overfladeteksturen og koncentrering af chrom- og molybdænindholdet. De specifikke spændinger og strømtætheder styrer typen af ​​producerede overfladeegenskaber og deres størrelsesskala, sagde Hess, der arbejdede med Choi – dengang ph.d. studerende – og lektor Victor Breedveld ved School of Chemical and Biomolecular Engineering, og professor Preet Singh fra School of Materials Science and Engineering, at designe nanotekstureringsprocessen.

For mere fuldstændigt at vurdere de antibakterielle virkninger, Jang engagerede Andrés Garcías ekspertise, en Regents' Professor i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering, og kandidatstuderende Christopher Johnson. I deres eksperimenter, de tillod bakterieprøver at vokse på behandlede og ubehandlede prøver af rustfrit stål i perioder på op til 48 timer.

I slutningen af ​​den tid, det behandlede metal havde væsentligt færre bakterier på sig. Den observation blev bekræftet ved at fjerne bakterierne i en opløsning, anbring derefter opløsningen på agarplader. Pladerne, der modtog opløsning fra det ubehandlede rustfri stål, viste meget større bakterievækst. Yderligere test bekræftede, at mange af bakterierne på de behandlede overflader var døde.

Mus fibroblastceller, imidlertid, syntes ikke at være generet af overfladen. "Patedyrcellerne så ud til at være ret sunde, " sagde Champion. "Deres evne til at formere sig og dække hele overfladen af ​​prøven antydede, at de havde det fint med overflademodifikationen."

For fremtiden, forskerne planlægger at udføre langtidsundersøgelser for at sikre, at pattedyrcellerne forbliver sunde. Forskerne ønsker også at bestemme, hvor godt deres nanoteksturering holder, når de udsættes for slid.

"I princippet, dette er meget skalerbart, " sagde Hess. "Elektrokemi anvendes rutinemæssigt kommercielt til at behandle materialer i stor skala."