25.03.2020 - Chalmers University of Technology

Graphit-Nanoplättchen auf medizinischen Geräten töten Bakterien ab und verhindern Infektionen

Graphit-Nanoplättchen, die in medizinische Kunststoffoberflächen integriert sind, können Infektionen verhindern und 99,99 Prozent der Bakterien abtöten, die versuchen, sich anzulagern - eine billige und praktikable potenzielle Lösung für ein Problem, das Millionen von Menschen betrifft, viel Zeit und Geld kostet und die Antibiotikaresistenz beschleunigt. Dies geht aus einer Untersuchung der Chalmers University of Technology, Schweden, in der Zeitschrift Small hervor.

Laut dem Europäischen Zentrum für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten (ECDC) sind jedes Jahr über vier Millionen Menschen in Europa von Infektionen betroffen, die sich während der Behandlung im Gesundheitswesen anstecken. Viele davon sind bakterielle Infektionen, die um medizinische Geräte und Implantate im Körper entstehen, wie z.B. Katheter, Hüft- und Knieprothesen oder Zahnimplantate. Im schlimmsten Fall müssen Implantate entfernt werden.

Solche bakteriellen Infektionen können großes Leid für die Patienten verursachen und die Gesundheitsdienste viel Zeit und Geld kosten. Außerdem werden derzeit große Mengen von Antibiotika zur Behandlung und Prävention solcher Infektionen eingesetzt, was mehr Geld kostet und die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen beschleunigt.

"Ziel unserer Forschung ist es, antibakterielle Oberflächen zu entwickeln, die die Zahl der Infektionen und den anschließenden Bedarf an Antibiotika verringern können und gegen die Bakterien keine Resistenz entwickeln können. Wir haben jetzt gezeigt, dass maßgeschneiderte Oberflächen, die aus einer Mischung aus Polyethylen- und Graphit-Nanoplättchen bestehen, 99,99 Prozent der Bakterien abtöten können, die versuchen, sich an die Oberfläche zu heften", sagt Santosh Pandit, Postdoc in der Forschungsgruppe von Professor Ivan Mijakovic in der Abteilung Systembiologie, Abteilung Biologie und Biotechnologie, der Chalmers University of Technology.

Infektionen auf Implantaten werden durch Bakterien verursacht, die im Körper in Flüssigkeiten wie Blut herumwandern und nach einer Oberfläche suchen, an der sie sich anheften können. Wenn sie auf einer geeigneten Oberfläche landen, beginnen sie sich zu vermehren und einen Biofilm - eine bakterielle Beschichtung - zu bilden.

Frühere Studien der Chalmers-Forscher haben gezeigt, wie vertikale Graphenflocken, die auf die Oberfläche eines Implantats gelegt werden, eine Schutzschicht bilden können, die es Bakterien unmöglich macht, sich zu befestigen - wie Stacheln an Gebäuden, die das Nisten von Vögeln verhindern sollen. Die Graphenflocken beschädigen die Zellmembran und töten die Bakterien ab. Aber die Herstellung dieser Graphenflocken ist teuer und derzeit für eine Massenproduktion nicht durchführbar.

"Aber jetzt haben wir die gleiche hervorragende antibakterielle Wirkung erreicht, aber mit relativ preiswerten Graphit-Nanoplättchen, gemischt mit einem sehr vielseitigen Polymer. Das Polymer, oder der Kunststoff, ist nicht von Natur aus mit den Graphit-Nanoplättchen kompatibel, aber mit den Standardtechniken zur Herstellung von Kunststoffen ist es uns gelungen, die Mikrostruktur des Materials mit ziemlich hohen Füllstoffgehalten so zu gestalten, dass der gewünschte Effekt erzielt wird. Und jetzt hat es ein großes Potenzial für eine Reihe von biomedizinischen Anwendungen", sagt Roland Kádár, außerordentlicher Professor am Fachbereich für Industrie- und Materialwissenschaften bei Chalmers.

Die Nanoplättchen auf der Oberfläche der Implantate verhindern eine bakterielle Infektion, aber, was entscheidend ist, ohne gesunde menschliche Zellen zu schädigen. Menschliche Zellen sind etwa 25-mal größer als Bakterien, so dass die Graphit-Nanoplättchen zwar auseinander schneiden und Bakterien abtöten, aber kaum eine menschliche Zelle zerkratzen.

"Neben der Verringerung des Leidens der Patienten und des Bedarfs an Antibiotika könnten solche Implantate zu einem geringeren Bedarf an Folgearbeiten führen, da sie viel länger im Körper verbleiben könnten als die heute verwendeten", sagt Santosh Pandit. "Unsere Forschung könnte auch dazu beitragen, die enormen Kosten zu senken, die solche Infektionen weltweit im Gesundheitswesen verursachen", sagt Santosh Pandit.

In der Studie experimentierten die Forscher mit verschiedenen Konzentrationen von Graphit-Nanoplättchen und dem Kunststoffmaterial. Eine Zusammensetzung von etwa 15-20 Prozent Graphit-Nanoplättchen hatte die grösste antibakterielle Wirkung - vorausgesetzt, die Morphologie ist stark strukturiert.

"Wie in der vorherigen Studie ist die richtige Orientierung und Verteilung der Graphit-Nanoplättchen entscheidend. Sie müssen sehr präzise angeordnet werden, um eine maximale Wirkung zu erzielen", sagt Roland Kádár.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Chalmers University of Technology