Pigge af grafen kan dræbe bakterier på implantater

Et lille lag af grafenflager på en overflade dræber bakterier, standse infektioner under procedurer såsom implantatkirurgi. Det viser ny forskning fra Chalmers Tekniske Universitet. Sverige, for nylig udgivet i Avancerede materialegrænseflader .

Operationer for kirurgiske implantater, såsom hofte- og knæudskiftninger eller tandimplantater, er steget de seneste år. Imidlertid, i sådanne procedurer, der er altid risiko for bakteriel infektion. I værste fald, dette kan forhindre implantatet i at sætte sig fast på skelettet, hvilket betyder at den skal fjernes.

Bakterier rejser i væsker som blod, søger at fastgøre til en passende overflade. Når først på plads, de begynder at vokse og forplante sig, danner et beskyttende lag kendt som en biofilm. Et forskerhold på Chalmers har nu vist, at et lag af lodrette grafenflager danner en beskyttende overflade, der gør det umuligt for bakterier at sætte sig. I stedet, bakterier skæres fra hinanden af ​​de skarpe grafenflager og dræbes. Belægning af implantater med et lag af grafenflager kan derfor beskytte patienten mod infektion, eliminerer behovet for antibiotikabehandling, og mindske risikoen for implantatafstødning. Osseointegrationen - den proces, hvorved knoglestrukturen vokser for at fastgøre implantatet - forstyrres ikke. Faktisk, grafenen har vist sig at gavne knoglecellerne.

Chalmers Universitet er førende inden for grafenforskning, men de biologiske anvendelser begyndte først at blive til virkelighed for et par år siden. Forskerne så modstridende resultater i tidligere undersøgelser. Nogle viste, at grafen beskadigede bakterierne, andre, at de ikke var berørt.

"Vi opdagede, at nøgleparameteren er at orientere grafen lodret. Hvis det er vandret, bakterierne tager ikke skade, " siger Ivan Mijakovic, Professor ved Institut for Biologi og Biologisk Teknik.

De skarpe flager beskadiger ikke menneskelige celler, fordi en bakterie er en mikrometer i diameter, mens en menneskelig celle er 25 mikrometer. Det, der udgør et dødeligt knivangreb for en bakterie, er derfor kun en lille ridse for en menneskelig celle.

"Graphene har et stort potentiale for sundhedsanvendelser. Men der skal mere forskning til, før vi kan hævde, at det er helt sikkert. Bl.a. vi ved, at grafen ikke let nedbrydes, " siger Jie Sun, lektor ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab.

Gode ​​bakterier bliver også dræbt af grafen. Men det er ikke et problem, da virkningen er lokaliseret og mikroflorabalancen i kroppen forbliver uforstyrret. "Vi vil forhindre bakterier i at skabe en infektion. Ellers du kan få brug for antibiotika, som kan forstyrre balancen mellem normale bakterier og også øge risikoen for antimikrobiel resistens fra patogener, " siger Santosh Pandit, postdoc ved Biologi og Biologisk Teknik.

Lodrette flager af grafen er ikke en ny opfindelse, har eksisteret i nogle år. Men Chalmers forskerhold er de første til at bruge den lodrette grafen på denne måde. Det næste skridt for forskerholdet bliver at teste grafenflagerne yderligere ved at belægge implantatoverflader og studere effekten på dyreceller.

Fremstilling af lodret grafen

Grafen er lavet af kulstofatomer. Det er kun et enkelt atomlag tykt, og derfor verdens tyndeste materiale. Grafen fremstilles i flager eller film. Det er 200 gange stærkere end stål, og har meget god ledningsevne takket være dens hurtige elektronmobilitet. Grafen er også ekstremt følsomt over for molekyler, hvilket gør det muligt at bruge det i sensorer.

Grafen kan fremstilles ved kemisk dampaflejring (CVD). Metoden bruges til at skabe en tynd overfladebelægning på en prøve. Prøven anbringes i et vakuumkammer og opvarmes til en høj temperatur. Samtidigt, tre gasser, normalt brint, metan og argon, slippes ud i kammeret. Den høje varme får gasmolekyler til at reagere med hinanden, og der dannes et tyndt lag af kulstofatomer.

For at fremstille lodrette grafenformer, forskere bruger en proces kendt som plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Derefter, en plasma påføres over prøven, hvilket får gassen til at blive ioniseret nær overfladen. Med plasmaet, kulstoflaget vokser lodret fra overfladen, i stedet for vandret som med CVD.