Genom att använda en elektrokemisk etsningsprocess på en vanlig rostfri legering, forskare har skapat en nanotexturerad yta som dödar bakterier utan att skada däggdjursceller. Om ytterligare forskning stöder tidiga testresultat, processen kan användas för att attackera mikrobiell kontaminering på implanterbar medicinsk utrustning och på livsmedelsbearbetningsutrustning tillverkad av metallen.

Medan den specifika mekanismen genom vilken det nanotexturerade materialet dödar bakterier kräver ytterligare studier, forskarna tror små spikar och andra nanotillstånd skapade på ytan punkterar bakteriemembran för att döda buggarna. Ytstrukturerna verkar inte ha en liknande effekt på däggdjursceller, som är en storleksordning större än bakterierna.

Utöver de antibakteriella effekterna, nano-texturen verkar också förbättra korrosionsbeständigheten. Forskningen rapporterades 12 december i tidningen ACS Biomaterials Science &Engineering av forskare vid Georgia Institute of Technology.

"Denna ytbehandling har potentiellt omfattande konsekvenser eftersom rostfritt stål används så mycket och så många av applikationerna kan gynnas, "sa Julie Champion, docent i Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Många av de antimikrobiella metoder som används för närvarande lägger till någon form av ytfilm, som kan slita av. Eftersom vi faktiskt modifierar själva stålet, det borde vara en permanent förändring av materialet. "

Champion och hennes Georgia Tech -medarbetare fann att ytmodifieringen dödade både gramnegativa och grampositiva bakterier, testar det på Escherichia coli och Staphylococcus aureus. Men modifieringen verkade inte vara giftig för musceller - en viktig fråga eftersom celler måste hålla sig till medicinska implantat som en del av deras införlivande i kroppen.

Forskningen började med ett mål att skapa en superhydrofob yta på rostfritt stål i ett försök att avvisa vätskor-och med dem, bakterie. Men det blev snart klart att att skapa en sådan yta skulle kräva användning av en kemisk beläggning, vilket forskarna inte ville göra. Postdoktorer Yeongseon Jang och Won Tae Choi föreslog sedan en alternativ idé om att använda en nanotexturerad yta på rostfritt stål för att kontrollera bakteriell vidhäftning, och de inledde ett samarbete för att demonstrera denna effekt.

Forskargruppen experimenterade med varierande nivåer av spänning och strömflöde i en standard elektrokemisk process. Vanligtvis, elektrokemiska processer används för att polera rostfritt stål, men Champion och medarbetare Dennis Hess - en professor och Thomas C. DeLoach, Jr. ordförande i School of Chemical and Biomolecular Engineering - använde tekniken för att grova upp ytan i nanometerskala.

"Under rätt förutsättningar, du kan skapa en nanotextur på spannmålets ytstruktur, "Hess förklaras." Denna textureringsprocess ökar ytsegregeringen av krom och molybden och ökar därmed korrosionsbeständigheten, vilket är det som skiljer rostfritt stål från konventionellt stål. "

Mikroskopisk undersökning visade utskjutningar 20 till 25 nanometer ovanför ytan. "Det är som en bergskedja med både vassa toppar och dalar, "sa Champion." Vi tror att bakteriedödande effekten är relaterad till storleksskalan för dessa funktioner, så att de kan interagera med membranen i bakteriecellerna. "

Forskarna blev förvånade över att den behandlade ytan dödade bakterier. Och eftersom processen verkar förlita sig på en biofysisk snarare än kemisk process, buggarna ska inte kunna utveckla motstånd mot det, tillade hon.

En andra stor potentiell tillämpning för ytmodifieringstekniken är utrustning för livsmedelsbearbetning. Där, ytbehandlingen bör förhindra att bakterier fastnar, förbättra befintliga steriliseringstekniker.

Forskarna använde prover av en vanlig rostfri legering känd som 316L, behandla ytan med en elektrokemisk process där ström applicerades på metallytorna medan de var nedsänkta i en eterlösning av salpetersyra.

Applicering av strömmen flyttar elektroner från metallytan till elektrolyten, ändra ytstruktur och koncentrera krom- och molybdeninnehållet. De specifika spänningarna och strömtätheten styr typen av producerade ytegenskaper och storleksskalan, sa Hess, som arbetade med Choi - då en doktorsexamen student - och docent Victor Breedveld vid School of Chemical and Biomolecular Engineering, och professor Preet Singh vid School of Materials Science and Engineering, att designa nanotexturing -processen.

För att mer fullständigt bedöma de antibakteriella effekterna, Jang anlitade expertisen hos Andrés García, en regentsprofessor i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering, och doktorand Christopher Johnson. I deras experiment, de tillät bakteriella prover att växa på behandlade och obehandlade rostfria prov under perioder av upp till 48 timmar.

I slutet av den tiden, den behandlade metallen hade betydligt färre bakterier. Denna observation bekräftades genom att bakterierna avlägsnades till en lösning, placera sedan lösningen på agarplattor. Plattorna som mottog lösning från det obehandlade rostfria stålet visade mycket större bakterietillväxt. Ytterligare tester bekräftade att många av bakterierna på de behandlade ytorna var döda.

Musfibroblastceller, dock, verkade inte störas av ytan. "Däggdjurscellerna verkade vara ganska friska, "sa Champion." Deras förmåga att sprida sig och täcka hela provets yta föreslog att de var bra med ytmodifieringen. "

För framtiden, forskarna planerar att genomföra långsiktiga studier för att se till att däggdjurscellerna förblir friska. Forskarna vill också avgöra hur bra deras nanotexturer håller när de utsätts för slitage.

"I princip, det här är mycket skalbart, "sa Hess." Elektrokemi tillämpas rutinmässigt kommersiellt för att bearbeta material i stor skala. "