13.01.2021 - POSTECH - Pohang University of Science and Technology

Nanokristalle löschen Biofilm von Bakterien aus

Forschungsteam findet Wege zur Kontrolle der Oberflächentextur von Nanostrukturen

Die COVID-19-Pandemie weckt Ängste vor neuen Krankheitserregern wie neuen Viren oder medikamentenresistenten Bakterien. Dazu hat ein koreanisches Forschungsteam kürzlich die Aufmerksamkeit auf die Entwicklung der Technologie zur Entfernung von antibiotikaresistenten Bakterien durch die Kontrolle der Oberflächentextur von Nanomaterialien gelenkt.

Ein gemeinsames Forschungsteam von POSTECH und UNIST hat in der internationalen Fachzeitschrift Nano Letters oberflächentexturierte Nanostrukturen (MTex) auf Basis von gemischtem FeCo-Oxid als hocheffiziente magnetokatalytische Plattform vorgestellt. Das Team bestand aus den Professoren In Su Lee und Amit Kumar mit Dr. Nitee Kumari vom POSTECH Department of Chemistry und Professor Yoon-Kyung Cho und Dr. Sumit Kumar vom UNIST Department of Biomedical Engineering.

Zunächst synthetisierten die Forscher Nanokristalle mit glatter Oberfläche, bei denen verschiedene Metallionen in eine organische Polymerhülle eingewickelt wurden, und erhitzten sie bei einer sehr hohen Temperatur. Während des Ausglühens der Polymerhülle induzierte eine chemische Hochtemperatur-Festkörperreaktion die Vermischung anderer Metallionen auf der Oberfläche der Nanokristalle, wodurch eine Reihe von wenige Nanometer großen Verzweigungen und Löchern auf der Oberfläche entstanden. Es wurde festgestellt, dass diese einzigartige Oberflächentextur eine chemische Reaktion katalysiert, die reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, die die Bakterien abtötet. Es wurde auch bestätigt, dass sie hochmagnetisch ist und leicht von einem externen Magnetfeld angezogen wird. Das Team hatte eine synthetische Strategie entdeckt, um normale Nanokristalle ohne Oberflächenmerkmale in hochfunktionale Mischmetalloxid-Nanokristalle zu verwandeln.

Diese Oberflächentopographie - mit Verzweigungen und Löchern, die der eines gepflügten Feldes ähnelt - nannte das Forscherteam "MTex". Es wurde nachgewiesen, dass diese einzigartige Oberflächentextur die Mobilität der Nanopartikel erhöht, um ein effizientes Eindringen in die Biofilm-Matrix zu ermöglichen, und gleichzeitig eine hohe Aktivität bei der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zeigt, die für Bakterien tödlich sind.

Dieses System produziert ROS über einen breiten pH-Bereich und kann effektiv in den Biofilm diffundieren und die eingebetteten, gegen Antibiotika resistenten Bakterien abtöten. Und da die Nanostrukturen magnetisch sind, können Biofilmrückstände selbst aus den schwer zugänglichen Mikrokanälen herausgekratzt werden.

"Dieses neu entwickelte MTex zeigt eine hohe katalytische Aktivität, die sich von der stabilen glatten Oberfläche der herkömmlichen Spinellformen unterscheidet", erklärt Dr. Amit Kumar, einer der korrespondierenden Autoren der Arbeit. "Diese Eigenschaft ist sehr nützlich bei der Infiltration von Biofilmen auch in kleinen Räumen und ist effektiv bei der Abtötung der Bakterien und der Entfernung von Biofilmen."

"Diese Forschung erlaubt es, die Nanotexturierung der Oberfläche zu regulieren, was Möglichkeiten eröffnet, die Exposition der aktiven Stellen zu erhöhen und zu kontrollieren", bemerkte Professor In Su Lee, der die Forschung leitete. "Wir gehen davon aus, dass die nanotexturierten Oberflächen wesentlich zur Entwicklung einer breiten Palette neuer enzymähnlicher Eigenschaften an der Nano-Bio-Grenzfläche beitragen werden."

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