Unermüdliche Mikrobenkiller in neuen Nanokompositen

Sie töten mit einem molekularen Stich oder einem oxidativen Schock und kennen die Bedeutung von Müdigkeit nicht. Die neuesten bioziden Nanokomposite, die von Wissenschaftlern des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPJ PAN) in Krakau entworfen und synthetisiert wurden, weisen neue Wege für die Materialtechnik im Kampf gegen Mikroorganismen.

Die steigende Zahl antibiotikaresistenter Bakterien stellt nicht nur Mediziner, sondern auch Physiker der Werkstofftechnik vor Herausforderungen. Im generationenlangen Sisyphus-Kampf der Menschheit gegen die Welt der gefährlichen Mikroorganismen scheinen wir endlich Verbündete gewonnen zu haben, die bereit sind, sich der Herausforderung zu stellen: Verbundwerkstoffe, die in der Lage sind, Mikroorganismen spontan und kontinuierlich abzutöten und das Wachstum ihrer Kolonien zu verhindern.

Die bioziden Nanokomposite, die am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau, Polen, entworfen, synthetisiert und charakterisiert wurden, werden in einer Reihe kürzlich veröffentlichter wissenschaftlicher Artikel diskutiert.

„In der Arbeit unseres Teams versuchen wir, die Idee der ‚umgekehrten Physik‘ anzuwenden: Wir beginnen nicht mit der Substanz, die wir untersuchen möchten, um Anwendungen dafür zu finden, sondern mit den Anwendungen selbst. Sobald wir unsere Bedürfnisse ermittelt haben, werden wir Wir entwerfen das zukünftige Material genau nach diesen Anforderungen, führen numerische Simulationen durch und versuchen dann, es zu synthetisieren. Erst wenn uns dies gelingt, prüfen wir, ob die Eigenschaften des erhaltenen Materials unseren Erwartungen entsprechen. erklärt Dr. Lukasz Laskowski (IFJ PAN), Leiter eines Teams, dem Dr. Agnieszka Karczmarska, Dr. Magdalena Laskowska und Dr. Mateusz Schabikowski angehörten.

Die Notwendigkeit, ein neues, langlebiges und sicheres biozides Material zu entwickeln, wurde von Forschern des Instituts für Physiologie und Tierernährung der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFIZZ PAN) in Jablonna signalisiert. Sie wiesen darauf hin, dass die aus Zeiten der Pandemie jedem bekannten Gesichtsmasken, wenn sie selten gewechselt werden, Mikroorganismen anreichern und als Lebensraum Quelle für Sekundärinfektionen sein können.

Benötigt wird also ein Material, das nicht nur als Filter fungiert, sondern auch in der Lage ist, die sich darauf ansiedelnden Mikroorganismen kontinuierlich zu eliminieren. Die Physiker des IFJ PAN dachten, dass ein Verbundmaterial aus einer neutralen Matrix mit entsprechend angebrachten funktionellen Gruppen, die Mikroorganismen effektiv abtöten können, eine Möglichkeit sein könnte, das Problem zu lösen.

Die dauerhafte Anlagerung von bioziden Molekülen und die entsprechende Auswahl ihrer Eigenschaften würde garantieren, dass das Material seine Eigenschaften praktisch über einen beliebigen Zeitraum behält.

Bei bioziden Kompositen mit Silberionen, die von Wissenschaftlern des IFJ PAN entwickelt wurden, können je nach Bedarf entweder Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxid-Matrizes (dh Kieselsäure) verwendet werden. Im ersteren Fall haben die Matrizen die Form eines Siebs mit Porendurchmessern von etwa 40 Nanometern, während sie im letzteren Fall Kugeln mit Durchmessern im Bereich von 50 bis 500 nm sind.

Die poröse Matrix ermöglicht beispielsweise die Filterung von Luft oder Körperflüssigkeiten, während die kugelförmige Kieselsäure die Einarbeitung des bioziden Materials in andere Substanzen, beispielsweise Zahnfüllungen, ermöglicht.

„Natürlich spielt bei unseren Materialien nicht die Matrix die Hauptrolle, sondern die darauf in geeigneter Weise angelagerten funktionellen Gruppen Diese Struktur ist biegsam und wirkt hervorragend als Stich oder Messer, das bei Kontakt mit dem Bakterium dessen Zellmembran zerstört“, erklärt Dr. Laskowski.

Die bioziden Moleküle in den neuen Verbundwerkstoffen sind chemisch und damit dauerhaft an die Matrix gebunden. Diese Tatsache bedeutet in erster Linie, dass diese Moleküle ihre Aufgabe kontinuierlich und genau dort erfüllen können, wo sie platziert sind. Sie verlieren daher mit der Zeit nicht ihre Leistungsfähigkeit, sie werden nicht aus einer Zahnfüllung in den Körper ausgewaschen, noch werden sie aus einer gebrauchten Maske in die Umwelt abgegeben.

Die zweite Klasse neuer Nanokomposite des IFJ PAN nutzt ein anderes Mittel zur Bekämpfung von Bakterien: Propylphosphatgruppen, die ein Kupferion enthalten. Sie fangen Sauerstoffmoleküle aus der Luft ein, die dann durch das Kupferion reduziert werden und als Einzelelektronenkatalysator wirken. An den stattfindenden Reaktionen ist Wasserstoff aus den in unserer Umwelt üblichen Wassermolekülen beteiligt. Als Ergebnis wird kontinuierlich Wasserstoffperoxid um die funktionellen Kupfergruppen herum gebildet. Bei Kontakt mit ihm werden die meisten Mikroorganismen durch oxidativen Schock abgetötet.

„Wie bei Silber-Nanokompositen ist auch das Kupfer fest mit der Matrix verbunden und verschleißt nicht. Wasser und Sauerstoff werden verbraucht, aber diese sind natürlich in der Umwelt vorhanden. Damit haben wir ein Material zur Verfügung, das praktisch kontinuierlich a produziert eine bestimmte Menge frisches Wasserstoffperoxid, eine der wirksamsten bioziden Verbindungen“, sagt Dr. Laskowski und betont, dass am IFiZZ PAS Tests durchgeführt wurden, die die biozide Wirkung aller neuen Materialien bestätigen.

Am IFJ PAN werden derzeit bioaktive Nanokomposite mit Metallionen im Labormaßstab hergestellt, mit der Möglichkeit der Lieferung von Versuchsmengen für Umsetzungszwecke. Die im Patentstadium befindliche Produktionstechnologie lässt sich jedoch ohne größere Probleme auf industrielle Bedürfnisse skalieren.

Die neueste Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Moleküle.