Nanokompozyt B-STING dezynfekuje na żądanie – bez regeneracji i bez zużycia

Powierzchnia zdolna reagować na sygnały chemiczne generowane przez drobnoustroje i samoczynnie produkować substancje biobójcze – to nie futurystyczna wizja, lecz opis działania nanokompozytu krzemionkowego B-STING. Nowy materiał, opracowany w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, działa jak nanofabryka reaktywnych form tlenu, aktywująca się samoczynnie tylko wtedy, gdy jest to konieczne.

Czy szpital może leczyć? Pytanie wydaje się trywialne, dopóki nie sprecyzujemy: chodzi o sam budynek i jego standardowe wyposażenie, nie o instytucję, lekarzy czy aparaturę medyczną. Zatem: czy szpitalne okno mogłoby zabijać bakterie? Czy klamki, poręcze, włączniki światła – mogłyby dezynfekować się same? Odpowiedź brzmi: tak, jeśli zostaną pokryte cienką warstwą starannie zaprojektowanego nanokompozytu krzemionkowego, w którego mezoporach umieszczono molekularne fabryki reaktywnych form tlenu. Właśnie taki materiał, o nazwie B-STING (Biocidal Silica-Templated Immobilized Nano-Groups), zaprojektowali, wytworzyli i scharakteryzowali naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Inne podejście do walki z drobnoustrojami

– Gdy w celach biobójczych stosujemy np. nanocząstki złota lub srebra, muszą one bezpośrednio wejść w oddziaływanie z drobnoustrojami. Nasz materiał to efekt dekady prac nad radykalnie innym podejściem do zagadnienia. Sam nie jest substancją biologicznie czynną. Jest to jednak nanofabryka, produkująca zabójcze dla mikroorganizmów reaktywne formy tlenu, skutecznie przenikające przez błony komórkowe bakterii i grzybów – tłumaczy dr hab. Magdalena Laskowska z IFJ PAN, pierwsza autorka artykułu opublikowanego w uznanym czasopiśmie naukowym „Applied Surface Science”.

Strukturalnym fundamentem nowego materiału jest krzemionka z cylindrycznymi mezoporami o średnicy ośmiu nanometrów, przestrzennie uporządkowanymi w warstwę o heksagonalnej regularności, wyglądem przypominającą plaster miodu. Powierzchnia płaskiej próbki pokrytej warstwą grubości 100 nanometrów rośnie niemal 80-krotnie. Na rozbudowanej w ten sposób powierzchni, we wnętrzach porów, za pomocą mostków propylowych są w odpowiednich odległościach od siebie mocowane grupy funkcyjne zawierające pojedyncze atomy metalu, którym w przypadku omawianych próbek była miedź. W tak skonstruowanym materiale grupy funkcyjne są chronione przez ścianki mezoporów, co gwarantuje wysoką trwałość. Jednocześnie każdy atom miedzi ma możliwość efektywnego działania jako jednoatomowy katalizator.

Dlaczego jeden atom działa lepiej niż tysiące?

– Popularne obecnie w różnych zastosowaniach nanocząstki złota czy srebra to aglomeraty składające się z wielu tysięcy atomów. Większość z nich jest osłonięta przez swoich sąsiadów, a więc nie jest w stanie pełnić przewidzianej dla nich roli. Tymczasem precyzyjna architektura naszego materiału gwarantuje, że każdy atom metalu ma dostęp do otoczenia i może katalizować produkcję reaktywnych form tlenu z wody i tlenu zawartych w powietrzu przenikającym do mezoporów. W rezultacie B-STING nie potrzebuje żadnego zewnętrznego wyzwalacza, takiego jak światło czy ultradźwięki, może więc działać nawet w ciemności – zwraca uwagę dr hab. Łukasz Laskowski, prof. IFJ PAN.

Podkreślenia wymaga fakt, że w przeciwieństwie do wielu rodzajów nanocząstek, które zużywają się lub wymagają aktywacji, centra miedzi w nowym materiale katalizują cykle wytwarzania reaktywnych form tlenu bez konieczności trwałej przebudowy chemicznej. Innymi słowy: materiał nie potrzebuje regeneracji i działa tak długo, jak długo ma dostęp do tlenu i wody.

Dzięki współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Lublinie udało się szerzej przebadać biobójcze działanie próbek pokrytych nowym nanokompozytem. Okazało się, że wykonane z niego powłoki zabijają szereg bakterii chorobotwórczych, grzybów, a nawet wirusów. Jednocześnie testy zrealizowane na ludzkich fibroblastach dowiodły, że jest on dla nich bezpieczny, co dla badaczy było olbrzymim zaskoczeniem. W praktyce oznacza to, że substancje biobójcze są wytwarzane przez nowy materiał tylko wtedy, kiedy istnieje taka potrzeba. Materiał nie wykrywa bakterii bezpośrednio, lecz reaguje na zmiany środowiska przez nie wywoływane – takie jak spadek pH, obecność związków siarki (tioli) czy lokalne wahania dostępności tlenu – i dostosowuje do nich skład wytwarzanych reaktywnych form tlenu. Co nie mniej istotne, produkcja substancji dezynfekujących nie jest stała i gdy w pobliżu nie ma drobnoustrojów, zmienia się jej profil. Szczegółów zarysowanego mechanizmu na razie nie można ujawnić z uwagi na procedurę patentową.

Od powłok biobójczych do potencjalnych zastosowań medycznych

– Jeśli dalsze badania nie wykażą negatywnych skutków wprowadzania naszego materiału do organizmu, mógłby on w przyszłości stać się nawet składnikiem leków – jako środek przynajmniej potencjalnie mogący skuteczniej od antybiotyków zwalczać szeroką gamę drobnoustrojów – zapowiada prof. Laskowski.

Nim pojawią się terapie pozwalające na użycie leków z udziałem nanokompozytu krzemionkowego B-STING, niezbędne będą jeszcze lata badań. Tymczasem już teraz szerokie zastosowanie mogą znaleźć wykonanie z niego biobójcze powłoki. Są one bezpieczne, trwałe (pod względem mechanicznym przypominają szkło), odporne na zabrudzenia (drobiny brudu mają większe rozmiary od porów i nie blokują przepływu powietrza do centrów katalitycznych), a ponadto utrzymują stałą gotowość do produkcji na żądanie, uruchamiającej się automatycznie w reakcji na zmiany środowiska chemicznego. Powłoki te można nanosić na różne materiały – zwłaszcza polimery, metale i szkło – oraz na obiekty o złożonych kształtach. W dalszej perspektywie brak konieczności stosowania wyzwalacza i długotrwała praca pozwalają myśleć także o zastosowaniach wewnątrzustrojowych, w formie powłok na implantach czy wypełnieniach stomatologicznych.

Badacze z IFJ PAN podkreślają ponadto aspekty ekonomiczne związane z produkcją omawianych powłok. Efektywne działanie nawet bardzo cienkich warstw (po naniesieniu materiału na szybę nie widać znaczącej zmiany przezroczystości), niewielkie ilości cennych metali zużywanych przy produkcji, cena miedzi istotnie niższa od cen srebra czy złota oraz umiarkowany koszt związków niezbędnych do produkcji pozwalają przypuszczać, że wytwarzanie powłok z nowego nanokompozytu krzemionkowego będzie ekonomicznie opłacalne.

Źródło: Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk

Czytaj także: Innowacyjne materiały antybakteryjne – nowe podejście do zwalczania bakterii