Ein vielseitiges neues Schaumstoffmaterial, das von Forschern der University of Georgia entwickelt wurde, könnte durch implantierte medizinische Geräte verursachte Infektionen im Gesundheitswesen erheblich reduzieren oder die Aufräumarbeiten nach Umweltkatastrophen wie Ölverschmutzungen drastisch verbessern.
Diese Forschungsarbeit mit dem Titel „Superhydrophobic and Conductive Foams with Antifouling and Oil-Water Separation Properties“ wurde in veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen Ausgabe Januar.
Wie ein schwammiges Schweizer Taschenmesser ist der poröse dreidimensionale Schaum wasserabweisend – das heißt, er widersteht Blut, Mikroben und Proteinen und weist gleichzeitig antimikrobielle und Öl-Wasser-Trennungseigenschaften auf. Seine Vielseitigkeit, Funktionalität und relativ günstigen Produktionskosten könnten es zu einer wertvollen Ressource für zukünftige Kliniker und Umweltsanierer gleichermaßen machen.
„Die Herstellung einer multifunktionalen und vielseitigen Oberfläche ist eine äußerst herausfordernde Aufgabe“, sagte Hitesh Handa, außerordentlicher Professor an der School of Chemical, Materials and Biomedical Engineering der UGA. „Sie können eine Oberfläche finden, die nur antimikrobiell ist, oder Sie können eine finden, die nur die Blutgerinnung verhindern kann. Materialien herstellen zu können, die gerinnungshemmend, antimikrobiell und fäulnishemmend sind, ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber den derzeitigen Standards.“
Das Material ist ein grober Schaum mit einem Paar hinzugefügter Füllstoffe: hydrophobe (wasserabweisende), elektrisch leitfähige Graphen-Nanoplättchen und hydrophobe bakterizide Kupfer-Mikropartikel. Zusätzlich zur Wasserabweisung erzeugte ihr Einschluss eine raue Oberfläche, die eine hohe Öladsorptionskapazität ermöglichte, und das Kupfer, ein bekanntes Toxin für Bakterienzellen, fügte der Oberfläche selbst antimikrobielle Eigenschaften hinzu.
Kredit: ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c22180
Studien seiner Wirksamkeit ergaben positive Ergebnisse.
Unter Verwendung von E. coli als Testbakterium fanden die Forscher heraus, dass das Material gegenüber einem einfachen Polymer zu einer 99,9-prozentigen Bakterienreduktion führte. Das bedeutet zwar nicht, dass alle Bakterien aus der Lösung entfernt wurden, aber es ist eine signifikante Verbesserung, von der Handa glaubt, dass sie die Gesundheitsergebnisse für viele der mehr als 500.000 Patienten verbessern könnte, die jedes Jahr durch medizinische Implantate verursachte Infektionen im Gesundheitswesen erleiden.
„Aktuelle medizinische Geräte sind anfällig für Kontaminationen“, sagte Handa. „Wenn Sie ein medizinisches Gerät in den Körper einführen, sind Proteine das erste, was an einer Oberfläche haften bleibt, und sie wirken wie ein Klebstoff, der das Anhaften von Blut oder Bakterien ermöglicht. Wenn wir also die Proteinadsorption stoppen können, ist die halbe Miete gewonnen.“
Ebenso zeigte eine Reihe von Tests die hohe Fähigkeit des Materials, Wasser und andere ölbasierte Schadstoffe abzuscheiden. Indem ein aus dieser Oberfläche hergestellter 3D-Schwamm in eine Vielzahl von Wassermischungen – Chloroform, Salzsäure und andere organische Partikel – gelegt wurde, konnten die Forscher seine Fähigkeit zeigen, die organischen Schadstoffe aus dem Wasser zu absorbieren und zu entfernen und gleichzeitig Bakterien im Wasser abzutöten selbst.
In großem Maßstab könnte sich das Material bei der Umweltreinigung von Ölverschmutzungen oder anderen ähnlichen Szenarien als wirksam erweisen.
Die Idee folgt einem Phänomen namens Lotuseffekt, das sich auf selbstreinigende Eigenschaften bezieht, die ein Ergebnis der Ultrahydrophobie der Lotusblume sind. Dies ist seit langem ein Modell für die Herstellung von superhydrophoben Oberflächen, die sich beim Reinigen, Antibeschlagen und Antifouling als wirksam erwiesen haben. Frühere Designstrategien sind jedoch aufgrund mangelnder Funktionalität und Skalierbarkeit zu kurz gekommen.
„Die Vielseitigkeit ist hier der Schlüssel“, sagte Mark Garren, Co-Autor der Arbeit und Doktorand in Handas Labor. „Die multifunktionalen Eigenschaften haben uns dazu inspiriert, dann entwickelt und all seine Fähigkeiten zur Geltung gebracht.“
In Zukunft besteht das Hauptziel der Forscher darin, die Oberfläche auf medizinische Geräte aufzubringen und ihre Wirksamkeit zu demonstrieren, bevor sie zu nichtmenschlichen Tierversuchen und schließlich zu Tests am Menschen übergehen. Angesichts weniger strenger Sicherheitsstandards kann die Oberfläche in den Anwendungsfällen der Umweltreinigung leichter eingesetzt werden.
Mehr Informationen:
Ekrem Ozkan et al, Superhydrophobe und leitfähige Schäume mit Antifouling- und Öl-Wasser-Trenneigenschaften, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c22180