När du gör smart lim, ett team av ingenjörer upptäckte en praktisk biprodukt:väteperoxid. I mikrogelform, det minskar bakterier och virus förmåga att infektera med minst 99 procent.

Hao Mengs doktorandprojekt fokuserade på biokompatibilitetstestning och att dra ut en klibbig aminosyra ur musslor. Limliknande katekol visar löfte om smarta lim – en liten stöt av elektricitet kan slå på och av klibbigheten – men det är inte dess enda potentiella användning.

"I processen, Meng upptäckte att den kemiska reaktionen genererade väteperoxid som en biprodukt av oxidation, säger Bruce Lee, docent i biomedicinsk teknik och Mengs Ph.D. rådgivare vid Michigan Technological University. "Hon började tänka, tänk om vi kunde använda väteperoxiden?"

Svaret är ja, och tekniken som gör denna bärbar, läkande desinfektionsmedel möjligt är föremål för en ny artikel publicerad i Acta Biomaterialia . Arbetet sammanförde ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer för att utforska inte bara den tekniska utvecklingen utan också materialets fysiska och biologiska egenskaper.

Medförfattarna inkluderar Caryn Heldt, James och Lorna Mack ordförande i bioingenjör inom kemiteknik, och Megan Frost, provisorisk ordförande för institutionen för kinesiologi och integrativ fysiologi samt en docent i biomedicinsk teknik och en anknuten docent i materialvetenskap och teknik.

Precis som Jello

Efter att Meng först observerade att hennes reaktioner skapade väteperoxid, hon började överväga den bästa formen att lägga biprodukten i. Hon ville ha mycket yta för att driva den kemiska reaktionen och hon ville ha ett sätt att återanvända materialet. Så, laget gjorde en mikrogel.

"Gelen är precis som jello, " säger Lee. "Det är ett polymernätverk med mycket vatten i sig. Och precis som jello, vi börjar med en vätska och stelnar den till en form."

Mikrogeler är som små bubblor av gelé. För blotta ögat, den torra formen är ett obeskrivligt pulver. Suspendera det i en lösning med neutralt eller något alkaliskt pH, som destillerat vatten eller en koksaltlösning som kontaktlinsrengörare, och väteperoxidcykeln rullar. Lämnat åt sig själv, mikrogelerna i mikron genererade mellan en till fem millimolarer under fyra dagar. När mikrogelpulvret har torkat igen, materialet återställs i princip, sitter säkert i en liten påse, och kan återanvändas. Det är som en on-demand-flaska med desinfektionsmedel – utan den skrymmande flaskan och farliga förvaringsproblem.

Antimikrobiell och antiviral

Inspirationen till den ikoniska bruna flaskan i medicinskåpet började inte i ett labb; kroppen producerar naturligt väteperoxid för att hjälpa till att läka skärsår och ämnet har använts i stor utsträckning medicinskt för att döda bakterier och till och med virus. Eftersom mikrogelpulvret fortsätter att skapa och frigöra väteperoxid, dess styrka förblir hög, speciellt jämfört med den gamla skolans bomullsteknik.

Teamet studerade mikrogelens effekter på två vanliga bakteriestammar och två strukturellt olika virus. Det inkluderar den tunnväggiga och grampositiva Staphylococcus epidermidis, samt den mer ogenomträngliga och gramnegativa Escherichia coli (E. coli). De tittade också på det extremt resistenta icke-höljeförsedda grisparoviruset (PPV) och lättare att inaktivera höljeförsedd bovint viralt diarrévirus (BVDV). På grund av det hårda proteinhöljet runt PPV, vilket gör det och andra icke-höljeförsedda virus mer resistenta mot biocider, teamet blev glatt överraskade över att se att mikrogelen fortfarande minskade virusets förmåga att infektera celler med 99,9 procent. (I tekniska termer, det är ett tre loggreduktionsvärde för smittsamhet.) Med BVDV, de observerade en minskning av smittsamheten med 99,999 procent.

Från camping till slagfält

Möjligheterna är nästan oändliga. Vart än en liten påse kan gå, så kan den här tekniken. Oavsett om det är backcountry-resor, rymdstationer, avlägsna kliniker eller krigszoner, lite läkning för att förhindra infektion kan räcka långt. Medan Lee och hans team säger att tekniken inte är riktigt redo för Amazon Prime, de är hoppfulla att arbetet visar lovande för en mängd olika tillämpningar, kanske till och med med antibiotikaresistens.

"Vi har inte testat några antibiotikaresistenta bakteriestammar än, men ju mer vi kan komma ifrån att använda antibiotika i första hand, desto bättre, " säger Lee. "Det återstår fortfarande mycket arbete att göra. Vi vill visa under vilka förhållanden det främjar läkning och hur en cell reagerar på det. Väteperoxid i höga koncentrationer kan också döda celler, så vi måste ha en balans som förändras för olika celltyper."

Lee fick nyligen finansiering från försvarsdepartementet för assisterande försvarsminister för hälsa genom försvarsmedicinsk forskning och utvecklingsprogram för att fortsätta denna forskning. Det som började med ett klibbigt proteinavfall kommer att förädlas till ett lätt, Bärbart och återvinningsbart mikrogelpulver med tillräckligt mycket kraft för att sparka även de mest envisa bakteriella och virusinfektioner.