Graphen-Spike-Matte nutzt gewöhnliche Kühlschrankmagnet-Technologie zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen

Graphen hat dank seiner starken bakteriziden Eigenschaften das Potenzial, im Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien eine entscheidende Rolle zu spielen. Bislang gab es keine wirksamen Möglichkeiten, diese Eigenschaften zu kontrollieren – und damit auch keine Möglichkeit, das Potenzial von Graphen im Gesundheitswesen zu nutzen.

Forscher der Technischen Universität Chalmers in Schweden haben das Problem nun gelöst, indem sie dieselbe Technologie verwendeten, die auch in einem gewöhnlichen Kühlschrankmagneten zum Einsatz kommt. Das Ergebnis ist eine ultradünne, akupunkturähnliche Oberfläche, die als Beschichtung auf Kathetern und Implantaten dienen kann und 99,99 % aller Bakterien auf einer Oberfläche abtötet.

Im Gesundheitswesen auftretende Infektionen sind weltweit ein weit verbreitetes Problem. Sie verursachen großes Leid, hohe Kosten im Gesundheitswesen und erhöhen das Risiko einer zunehmenden Antibiotikaresistenz. Die meisten Infektionen treten im Zusammenhang mit der Verwendung verschiedener medizintechnischer Produkte wie Kathetern, Hüftprothesen, Knieprothesen und Zahnimplantaten auf, bei denen Bakterien über eine fremde Oberfläche in den Körper gelangen können.

An der Technischen Universität Chalmers untersuchen Forscher, wie Graphen, ein atomar dünnes zweidimensionales Graphitmaterial, zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen und Infektionen im Gesundheitswesen beitragen kann.

Das Forschungsteam konnte bereits zeigen, wie senkrecht stehende Graphenflocken die Anheftung von Bakterien an den Untergrund verhindern. Stattdessen werden die Bakterien an den messerscharfen Flocken zerschnitten und sterben ab.

„Wir entwickeln ein ultradünnes, antibakterielles Material auf Graphenbasis, das auf jede Oberfläche aufgetragen werden kann, einschließlich biomedizinischer Geräte, chirurgischer Oberflächen und Implantate, um Bakterien fernzuhalten.

„Da Graphen die physische Anheftung von Bakterien an Oberflächen verhindert, besteht der zusätzliche Vorteil, dass im Gegensatz zu anderen chemischen Alternativen wie Antibiotika kein Risiko einer zunehmenden Antibiotikaresistenz besteht“, sagt Ivan Mijakovic, Professor für Systembiologie an der Technischen Universität Chalmers und einer der Autoren der kürzlich veröffentlichten Studie.

Tötet 99,99 % aller Bakterien auf einer Oberfläche

Dabei standen die Forscher allerdings vor einer Herausforderung. Zwar konnten die bakteriziden Eigenschaften des Materials im Labor nachgewiesen werden, allerdings gelang es ihnen bisher nicht, die Orientierungsrichtung der Graphenflocken zu kontrollieren – und das Material in der Folge auch nicht auf Oberflächen von medizinischen Geräten aufzutragen, die im Gesundheitswesen eingesetzt werden.

Bisher ließen sich die bakteriziden Eigenschaften von Graphen nur in einer bestimmten Richtung steuern: der Fließrichtung des Herstellungsprozesses. Doch nun ist den Chalmers-Forschern ein vielversprechender Durchbruch für eine praktische Anwendung im Gesundheitswesen – und darüber hinaus – gelungen.

„Es ist uns gelungen, einen Weg zu finden, die Effekte von Graphen praktisch in mehrere verschiedene Richtungen und mit einem sehr hohen Grad an Einheitlichkeit der Ausrichtung zu steuern. Diese neue Ausrichtungsmethode ermöglicht es, Graphen-Nanoplatten in medizinische Kunststoffoberflächen zu integrieren und eine antibakterielle Oberfläche zu erhalten, die 99,99 % der Bakterien abtötet, die versuchen, sich anzuheften.

„Dies ebnet den Weg für deutlich mehr Flexibilität bei der Herstellung bakterientötender medizinischer Geräte unter Verwendung von Graphen“, sagt Roland Kádár, Professor für Rheologie an der Technischen Universität Chalmers.

Beispiellose Effizienz durch Steuerung magnetischer Felder

Durch die kreisförmige Anordnung der Erdmagnete, wodurch das Magnetfeld innerhalb der Anordnung in eine gerade Richtung verläuft, konnten die Forscher eine gleichmäßige Ausrichtung des Graphens bewirken und auf Oberflächen beliebiger Form eine sehr hohe bakterizide Wirkung erzielen.

Die Methode, veröffentlicht In Fortschrittliche Funktionsmaterialienwird als „Halbach-Array“ bezeichnet und bedeutet, dass das Magnetfeld innerhalb des Magnetarrays verstärkt und gleichmäßig ist, während es auf der anderen Seite geschwächt ist, was eine starke unidirektionale Ausrichtung des Graphens ermöglicht. Die Technologie ähnelt der eines Kühlschrankmagneten.

„Dies ist das erste Mal, dass die Halbach-Array-Methode verwendet wurde, um Graphen in einem Polymer-Nanokomposit auszurichten. Nachdem wir nun die Ergebnisse gesehen haben, möchten wir diese Graphenplatten natürlich im Gesundheitssektor einführen, damit wir die Zahl der gesundheitsbedingten Infektionen verringern, das Leiden der Patienten lindern und der Antibiotikaresistenz entgegenwirken können“, sagt Viney Ghai, Forscherin für Rheologie und Verarbeitung weicher Materie an der Technischen Universität Chalmers.

Die neue Ausrichtungstechnologie zeigt erhebliches Potenzial in anderen Bereichen, beispielsweise bei Batterien, Superkondensatoren, Sensoren und langlebigen wasserfesten Verpackungsmaterialien.

„Aufgrund seiner weitreichenden Auswirkungen auf diese Bereiche eröffnet diese Methode wirklich neue Horizonte in der Materialausrichtung und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die erfolgreiche Entwicklung und Anpassung von Nanostrukturen, die die komplexen Architekturen natürlicher Systeme nachahmen“, sagt Kádár.