Vertikala grafenflingor bildar en skyddande yta som gör det omöjligt för bakterier att fästa. Istället, bakterier skärs isär av de vassa grafenflingorna och dödas. Människans cellvolym är vanligtvis 15, 000 gånger större. Så, vad som är en dödlig knivattack för en bakterie, är därför bara en liten repa för en mänsklig cell. Beläggning av implantat med ett lager grafenflingor kan därför hjälpa till att skydda patienten mot infektion, eliminera behovet av antibiotikabehandling, och minska risken för implantatavstötning. Osseointegrationen - processen genom vilken benstrukturen växer för att fästa implantatet - störs inte. Faktiskt, grafenet har visat sig gynna bencellerna. Upphovsman:Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola
Ett litet lager av grafenflingor på en yta dödar bakterier, stoppa infektioner under procedurer som implantatkirurgi. Det visar ny forskning från Chalmers tekniska högskola, Sverige, nyligen publicerad i Avancerade materialgränssnitt .
Operationer för kirurgiska implantat, såsom höft- och knäproteser eller tandimplantat, har ökat de senaste åren. Dock, i sådana förfaranden, det finns alltid risk för bakteriell infektion. I värsta fall, detta kan förhindra att implantatet fäster vid skelettet, vilket betyder att den måste tas bort.
Bakterier reser i vätskor som blod, försöker fästa på en lämplig yta. Väl på plats, de börjar växa och fortplanta sig, bildar ett skyddande skikt känt som en biofilm. Ett forskarlag på Chalmers har nu visat att ett lager av vertikala grafenflingor bildar en skyddande yta som gör det omöjligt för bakterier att fästa. Istället, bakterier skärs isär av de vassa grafenflingorna och dödas. Att belägga implantat med ett lager av grafenflingor kan därför skydda patienten mot infektion, eliminera behovet av antibiotikabehandling, och minska risken för implantatavstötning. Osseointegrationen – processen genom vilken benstrukturen växer för att fästa implantatet – störs inte. Faktiskt, grafenet har visat sig gynna bencellerna.
Chalmers högskola är ledande inom området grafenforskning, men de biologiska tillämpningarna började inte bli verklighet förrän för några år sedan. Forskarna såg motstridiga resultat i tidigare studier. Vissa visade att grafen skadade bakterierna, andra att de inte påverkades.
De vertikala flingorna av grafen är ingen ny uppfinning. Men Chalmers forskargrupper är de första som använder vertikal grafen för att döda bakterier. Nästa steg blir att testa grafenflingorna ytterligare, genom att belägga implantatytor och studera effekten på djurceller. Kredit:Johan Bodell/Chalmers tekniska högskola
"Vi upptäckte att nyckelparametern är att orientera grafen vertikalt. Om det är horisontellt, bakterierna skadas inte, säger Ivan Mijakovic, Professor vid institutionen för biologi och biologisk teknik.
De vassa flingorna skadar inte mänskliga celler eftersom en bakterie är en mikrometer i diameter, medan en mänsklig cell är 25 mikrometer. Det som utgör en dödlig knivattack för en bakterie är därför bara en liten repa för en mänsklig cell.
"Grafen har hög potential för hälsotillämpningar. Men det behövs mer forskning innan vi kan hävda att det är helt säkert. Bl.a. vi vet att grafen inte bryts ner lätt, säger Jie Sun, docent vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap.
Chalmers universitet är ledande inom området grafenforskning, men började inte studera de biologiska tillämpningarna förrän för ett par år sedan. Nu tror forskarna att grafen visar stor potential för olika hälsoapplikationer. "Något annat som börjar bli stort, och jag tror att det kommer att bli väldigt viktigt i framtiden, är så kallad 'biosensing'. Grafen leder elektricitet, vilket innebär att den kan användas för att upptäcka problem i kroppen, såsom bakteriella problem, cancer, eller förhöjda glukosnivåer. Det ger oss ett helt nytt sätt att förebygga hälsoproblem, " säger Chalmers professor Ivan Mijakovic. Kredit:Johan Bodell/Chalmers tekniska högskola
Bra bakterier dödas också av grafenet. Men det är inget problem, eftersom effekten är lokaliserad och balansen av mikroflora i kroppen förblir ostörd. "Vi vill förhindra att bakterier skapar en infektion. Annars, du kan behöva antibiotika, som kan störa balansen hos normala bakterier och även öka risken för antimikrobiell resistens av patogener, " säger Santosh Pandit, postdoc vid Biologi och biologisk teknik.
Vertikala flingor av grafen är ingen ny uppfinning, har funnits i några år. Men Chalmers forskargrupper är de första som använder den vertikala grafenen på detta sätt. Nästa steg för forskargruppen blir att testa grafenflingorna ytterligare genom att belägga implantatytor och studera effekten på djurceller.
Tillverkning av vertikal grafen
Grafen är gjord av kolatomer. Det är bara ett enda atomlager tjockt, och därför världens tunnaste material. Grafen tillverkas i flingor eller filmer. Det är 200 gånger starkare än stål, och har mycket god ledningsförmåga tack vare sin snabba elektronrörlighet. Grafen är också extremt känsligt för molekyler, vilket gör att den kan användas i sensorer.
Grafen kan tillverkas genom kemisk ångdeposition (CVD). Metoden används för att skapa en tunn ytbeläggning på ett prov. Provet placeras i en vakuumkammare och upphettas till en hög temperatur. Samtidigt, tre gaser, vanligtvis väte, metan och argon, släpps in i kammaren. Den höga värmen får gasmolekyler att reagera med varandra, och ett tunt lager av kolatomer skapas.
För att producera vertikala grafenformer, forskare använder en process som kallas plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Sedan, en plasma appliceras över provet, vilket gör att gasen joniseras nära ytan. Med plasma, lagret av kol växer vertikalt från ytan, istället för horisontellt som med CVD.
