En elektrokemisk process utvecklad vid Georgia Tech skulle kunna erbjuda nytt skydd mot bakterieinfektioner utan att bidra till ökad antibiotikaresistens.
Tillvägagångssättet utnyttjar koppars naturliga antibakteriella egenskaper och skapar otroligt små nålliknande strukturer på ytan av rostfritt stål för att döda skadliga bakterier som E. coli och Staphylococcus. Det är bekvämt och billigt, och det kan minska behovet av kemikalier och antibiotika på sjukhus, kök och andra miljöer där ytkontamination kan leda till allvarlig sjukdom.
Det kan också rädda liv:En global studie av läkemedelsresistenta infektioner visade att de direkt dödade 1,27 miljoner människor 2019 och bidrog till nästan 5 miljoner andra dödsfall – vilket gör dessa infektioner till en av de främsta dödsorsakerna för alla åldersgrupper.
Forskare beskrev koppar-rostfritt stål och dess effektivitet den 20 maj i tidskriften Small .
"Att döda grampositiva bakterier utan kemikalier är jämförelsevis lätt men att ta itu med gramnegativa bakterier utgör en betydande utmaning, på grund av deras tjocka, flerskiktiga cellmembran. Och om dessa bakterier kvarstår på ytor kan de växa snabbt", säger Anuja Tripathi, den studiens huvudförfattare och en postdoktor vid School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Jag siktade på att utveckla en antibiotikafri bakteriedödande yta som är effektiv mot gramnegativa och grampositiva bakterier."
Tripathi och hennes kollegor—William R. McLain Professor Julie Champion och tidigare Ph.D. eleverna Jaeyoung Park och Thomas Pho – producerade en en-två-punch som övervinner dessa utmaningar och inte hjälper bakterier att utveckla resistens mot droger.
Teamet utvecklade först en elektrokemisk metod för att etsa ytan av rostfritt stål och skapa nålliknande strukturer i nanostorlek på ytan som kan punktera bakteriers cellmembran. Sedan, med en andra elektrokemisk process, avsatte forskarna kopparjoner på stålets yta.
Koppar interagerar med cellmembranen och äventyrar dem i slutändan.
"Det nanotexturerade rostfria stålet kan döda både gramnegativa och grampositiva bakterier, men vi ville förbättra den antibakteriella aktiviteten för ytor som kan vara mycket förorenade," sa Tripathi. "Kopparbeläggningen på det nanotexturerade rostfria stålet gav oss mycket hög antibakteriell aktivitet."
Trots koppars kända antibakteriella egenskaper används det inte i stor utsträckning för att bekämpa ytföroreningar eftersom det är dyrt. Tripathis tillvägagångssätt avsätter endast ett tunt lager av kopparjoner på det rostfria stålet, så det är kostnadseffektivt utan att kompromissa med materialets antibakteriella aktivitet.
Tillsammans resulterade de dubbla attackerna i 97 % minskning av Gram-negativ E. coli och 99 % minskning av Gram-positiva Staphylococcus epidermis-bakterier i gruppens studie.
Tripathi sa att det rostfria stålet skulle kunna användas för vanliga verktyg i medicinska miljöer som lätt smutsas ner, som sax eller pincett. Det kan användas för dörrhandtag, trappräcken och kanske till och med handfat – platser där rostfritt stål ofta är det valda materialet och ytbakterier är vanliga, särskilt på sjukhus eller andra gemensamma miljöer.
Processen hon och hennes kollegor utvecklade kan också vara användbar inom matserveringen. Tripathi sa att tillvägagångssättet ganska lätt skulle kunna införlivas i befintliga industriella processer, där olika elektrokemiska beläggningsmetoder redan används för matförvaringsbehållare av rostfritt stål.
Tripathi sa att framtida arbete kommer att undersöka om det kopparbelagda, nanotexturerade rostfria stålet är effektivt mot andra typer av celler som är skadliga för människors hälsa. Hon är också intresserad av att undersöka om stålet kan användas för medicinska implantat för att motverka infektioner.
Eftersom det visade sig effektivt mot besvärande E. coli är hon hoppfull.
"När jag reflekterade över ett nyligen utbrott av E. coli i livsmedelsbutiker i Calgary, Kanada, var jag särskilt driven i min forskning, och insåg den akuta relevansen och betydelsen av att bekämpa sådana motståndskraftiga bakterier på ytor," sa Tripathi. "De kan vara svåra att eliminera. Så om vi effektivt kan eliminera E. coli har vi en god chans att utrota många bakterier på ytor."
Mer information: Anuja Tripathi et al, Dual Antibacterial Properties of Copper-Coated Nanotextured Stainless Steel, Small (2024). DOI:10.1002/smll.202311546
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
