Nanosäkerhetsforskare vid Harvard T.H. Chan School of Public Health har utvecklat en ny intervention för att bekämpa infektionssjukdomar genom att mer effektivt desinficera luften omkring oss, vår mat, våra händer, och allt annat som hyser mikroberna som gör oss sjuka. Forskarna, från skolans centrum för nanoteknik och nanotoxikologi, leddes av docent i aerosolfysik Philip Demokritou, centrets chef, och första författare Runze Huang, en postdoktor där. De använde en nanoaktiverad plattform som utvecklats i centrum för att skapa och leverera små, aerosoliserade vatten nonodroplets som innehåller giftfria, naturinspirerade desinfektionsmedel där så önskas. Demokritou pratade med Gazette om uppfinningen och dess tillämpning på handhygien, som nyligen beskrevs i tidskriften ACS Sustainable Chemistry and Engineering.

GAZETTE:Ge oss en snabb översikt över problemet du försöker lösa.

DEMOKRITOU:Om du går tillbaka till 60-talet och uppfinningen av många antibiotika, vi trodde att kapitlet om infektionssjukdomar skulle avslutas. Självklart, 60 år senare, vi vet nu att det inte är sant. Infektionssjukdomar dyker fortfarande upp. Mikroorganismer är smartare än vi trodde och utvecklar nya stammar. Det är en ständig kamp. Och när jag pratar om infektionssjukdomar, Jag talar främst om luftburna och livsmedelsburna sjukdomar:T.ex. influensa och tuberkulos är luftburna sjukdomar, andningssjukdomar, som orsakar miljontals dödsfall om året. Livsmedelsburna sjukdomar dödar också 500, 000 personer årligen och kostar vår ekonomi miljarder dollar.

TIDNING:Diarrésjukdomar är stora mördare av barn, för.

DEMOKRITOU:Det är ett stort problem, särskilt i utvecklingsländer med fragmenterade hälso- och sjukvårdssystem.

GAZETTE:Vad är det för fel på hur vi desinficerar våra händer?

DEMOKRITOU:Vi hör hela tiden att du måste tvätta händerna. Det är en primär åtgärd för att minska infektionssjukdomar. På senare tid, vi använder också antiseptika. Alkohol är okej, men vi använder också andra kemikalier som triklosan och klorhexadin. Det finns forskning som kopplar dessa kemikalier till ökningen av antimikrobiell resistens, bland andra nackdelar. Dessutom, vissa människor är känsliga för frekventa tvättar och gnuggning med kemikalier. Det är där nya tillvägagångssätt kommer in i bilden. Så, inom de senaste fyra eller fem åren, vi har försökt utveckla nanoteknikbaserade interventioner för att bekämpa infektionssjukdomar.

TIDNING:Så tekniken som är involverad här – de konstruerade vattennanostrukturerna – är ett par år gammal. Vad är nytt är applikationen?

DEMOKRITOU:Vi har verktygen för att göra dessa konstruerade nanomaterial och, i detta speciella fall, vi kan ta vatten och förvandla det till en konstruerad vattennanopartikel, som bär sin dödliga nyttolast, främst giftfri, naturinspirerade antimikrobiella medel, och dödar mikroorganismer på ytor och i luften.

Det är ganska enkelt, du behöver 12 volt DC, och vi kombinerar det med elektrospray och jonisering för att förvandla vatten till en nanoaerosol, där dessa konstruerade nanostrukturer är upphängda i luften. Dessa vattennanopartiklar har unika egenskaper på grund av sin lilla storlek och innehåller även reaktiva syrearter. Dessa är hydroxylradikaler, peroxider, och liknar vad naturen använder i celler för att döda patogener. Dessa nanopartiklar, genom design, även bära en elektrisk laddning, vilket ökar ytenergin och minskar avdunstning. Det betyder att dessa konstruerade nanostrukturer kan förbli svävande i luften i timmar. När laddningen försvinner, de blir vattenånga och försvinner.

Väldigt nyligen, vi började använda dessa strukturer som en bärare, och vi kan nu införliva naturinspirerade antimikrobiella medel i deras kemiska struktur. Dessa är inte supergiftiga för människor. Till exempel, min mormor i Grekland brukade desinficera hennes ytor med citronsaft – citronsyra. Eller, i mjölk – och finns även i tårar – finns ett annat mycket potent antimikrobiellt medel som kallas lysozym. Nisin är ett annat naturinspirerat antimikrobiellt medel som bakterier frigör när de konkurrerar med andra bakterier. Naturen förser oss med massor av giftfria antimikrobiella medel som om vi kan hitta ett sätt att leverera dem på ett målinriktat, exakt sätt, kan göra jobbet. Inget behov av att uppfinna nya och potentiellt giftiga kemikalier. Låt oss gå till naturens apotek och handla.

När vi lägger dessa naturinspirerade antimikrobiella medel i de konstruerade vattennanostrukturerna, deras antimikrobiella styrka ökar dramatiskt. Men vi gör det utan att använda enorma mängder antimikrobiella medel, cirka 1 procent eller 2 procent i volym. Det mesta av den konstruerade vattennanostrukturen är stilla vatten.

Vid denna tidpunkt, dessa konstruerade strukturer bär antimikrobiella medel och är laddade, och vi kan använda laddningen för att rikta dem mot ytor genom att applicera ett svagt elektriskt fält. Du kan också släppa ut dem i luften – de är mycket rörliga – och de kan flytta runt och inaktivera influensavirus, till exempel.

GAZETTE:Hur skulle det här fungera med mat?

DEMOKRITOU:Denna nanoaktiverade plattform kan också användas som en interventionsteknik för livsmedelssäkerhetstillämpningar. När det gäller att desinficera vår mat, vi använder fortfarande arkaiska metoder som utvecklades på 50-talet. Till exempel, idag lägger vi våra färskvaror i klorbaserade lösningar, som lämnar rester som kan äventyra hälsan. Det lämnar efter sig biprodukter, som är giftiga, och du måste hitta ett sätt att hantera dem också.

Istället, du kan använda vattennanoaerosoler som innehåller nanogramnivåer av en aktiv ingrediens – naturinspirerad och inte giftig – och desinficera vår mat. För närvarande, denna nya uppfinning undersöks för användning – från gården till borden – för att förbättra livsmedelssäkerheten och kvaliteten.

GAZETTE:Så när du använder den på mat, du skulle i princip spraya nanopartiklarna på ett salladshuvud, till exempel?

DEMOKRITOU:Det beror på applikationen. Du kan lägga den här tekniken i ditt kylskåp, och det kommer att döda mikrober på matytor och i luften där och förbättra livsmedelssäkerheten. Det kommer också att öka hållbarheten, som är kopplat till förstörande mikroorganismer. Du kan också använda denna teknik för luftdesinfektion. Det enda du behöver är 12 volt DC, som du kan driva från din dators USB-port. Föreställ dig att du sitter på ett tåg och skapar en osynlig sköld av dessa konstruerade vattennanostrukturer som skyddar dig och minimerar risken för att få influensa.

GAZETTE:Om du är på tåget med ett gäng sjuka människor?

DEMOKRITOU:Exakt, eller på ett flygplan, var som helst du har mikroorganismer. De flesta plan återcirkulerar luften, och allt som krävs är en sjuk kille – han behöver inte sitta bredvid dig – för att bli sjuk. Tyvärr, det är ett stort problem. De nyare flygplanen har filtrering för att ta bort några av dessa patogener. Men det här är en mycket mångsidig teknik som du i stort sett kan ta med dig.

TIDNING:Låt oss prata om handhygien.

DEMOKRITOU:Vi vet att handhygien är mycket viktigt, men förutom nackdelarna med att tvätta med vatten eller använda kemikalier, de lufttorkar som vanligtvis används i badrumsmiljön kan aerosolisera mikrober och sätta dem tillbaka i luften och till och med tillbaka på dina händer. Så det finns utrymme att använda dessa konstruerade vattennanostrukturer och utveckla ett alternativ som är luftfritt och vattenfritt - eftersom det använder pikogramnivåer av vatten, dina händer blir aldrig blöta.

GAZETTE:Så du tvättar dina händer, använder vatten. Men de blir inte blöta?

DEMOKRITOU:Precis. Och den desinficerar händerna på 15–20 sekunder, som indikeras i vår nyligen publicerade studie.

GAZETTE:När det gäller en ansökan, ser du något som liknar de handtorkar som vi alla använder vid rastplatser på motorvägar? Endast, när du sticker in händerna, blåser det inte? Känner du någonting alls?

DEMOKRITOU:Du känner ingenting. Det är problemet; det här är som magi. Du ser inte; du känner inte; du luktar inte; men dina händer är sanerade.

GAZETTE:Så hur vet folk att något har hänt? Som människor vill vi ha någon form av stimulans.

DEMOKRITOU:Vi skulle kunna sätta ljus och musik för att underhålla människor, men ingen kan se en 25 nanometer partikel. Vi är glada över att se att det finns intresse från industrin att fortsätta kommersialiseringen av denna teknik för handhygien. Vi kan snart ha en luftlös, vattenlösa apparater som kan användas över hela linjen, men inte nödvändigtvis i badrumsmiljön. Detta kan vara en batteridriven enhet, den kan placeras runt flygplatser och andra platser där människor inte har tid eller tillgång till vatten för att tvätta händerna.

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.