Νανοδομές–αιχμές από υλικό βραβευμένο με Νόμπελ ανοίγουν τον δρόμο για επιφάνειες που εξουδετερώνουν βακτήρια χωρίς χημικά, με εφαρμογές από την ιατρική μέχρι τη βιομηχανία τροφίμων
Μια καινοτόμος τεχνολογία που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας δείχνει να ανοίγει έναν νέο δρόμο στην καταπολέμηση των βακτηρίων που πολλαπλασιάζονται στις επιφάνειες και σχηματίζουν βιοφίλμ. Οι ερευνητές αξιοποίησαν ένα υλικό που φέτος τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας, τα metal-organic frameworks, εφαρμόζοντάς τα σε έναν εντελώς νέο ρόλο: να σκοτώνουν βακτήρια μέσω φυσικής, μηχανικής καταστροφής, χωρίς χρήση αντιβιοτικών ή τοξικών μετάλλων.
Η εικόνα που συνόδευσε τη δημοσίευση δείχνει τη στιγμή που τα μικρόβια τρυπιούνται κυριολεκτικά από τις νανοδομές που αναπτύσσονται πάνω στην επιφάνεια. Οι επιστήμονες περιγράφουν το φαινόμενο ως «μηχανικό θάνατο» των βακτηρίων, ένα αποτέλεσμα που επιτυγχάνεται όταν οι αιχμηρές δομές των metal-organic frameworks έρχονται σε επαφή με το κύτταρο και το διαπερνούν.
Το πρόβλημα των βιοφίλμ αποτελεί εδώ και χρόνια σημαντική απειλή για τη δημόσια υγεία. Όταν τα βακτήρια προσκολληθούν σε μια επιφάνεια, δημιουργούν μια κολλώδη μεμβράνη που τα προστατεύει και τα κάνει εξαιρετικά ανθεκτικά. Σε υγειονομικά περιβάλλοντα αυτό μπορεί να συμβεί πάνω σε καθετήρες, εμφυτεύσιμες συσκευές, ορθοπεδικά εμφυτεύματα ή οδοντιατρικό εξοπλισμό, οδηγώντας σε λοιμώξεις σχετιζόμενες με την περίθαλψη και αυξημένο κίνδυνο ανάπτυξης αντοχής στα αντιβιοτικά.
Βιοφίλμ σχηματίζονται όμως και σε εντελώς διαφορετικούς τομείς, όπως στα συστήματα σωληνώσεων, στα τοιχώματα βιομηχανικών εγκαταστάσεων, αλλά και στις γάστρες των πλοίων, όπου δημιουργούν απώλειες απόδοσης και αυξημένη κατανάλωση καυσίμων. Στις βιομηχανίες τροφίμων, ο σχηματισμός βιοφίλμ σε μηχανήματα παραγωγής, δεξαμενές αποθήκευσης ή επιφάνειες επεξεργασίας αποτελεί σοβαρό ζήτημα ασφάλειας και καθαριότητας, με υψηλό κόστος για τις επιχειρήσεις.
Οι ερευνητές του Chalmers κατάφεραν να αναπτύξουν μια επικάλυψη metal-organic frameworks που μπορεί να ενσωματωθεί σε διαφορετικά υλικά και να τοποθετηθεί πάνω σε πολλές επιφάνειες. Η δράση της βασίζεται σε αιχμηρές νανοαιχμές που σχηματίζονται όταν ένα MOF αναπτύσσεται πάνω σε ένα άλλο. Οι αιχμές αυτές λειτουργούν ως μικροσκοπικές λόγχες που τρυπούν τα βακτήρια πριν αυτά προλάβουν να δημιουργήσουν βιοφίλμ. Η καινοτομία βρίσκεται στο γεγονός ότι η καταστροφή των βακτηρίων επιτυγχάνεται χωρίς καμία χημική ουσία, χωρίς ιόντα μετάλλων και χωρίς αντιμικροβιακά πρόσθετα, αλλά μόνο με φυσικό τρόπο.
Η απόσταση μεταξύ των νανοαιχμών αποδείχθηκε κρίσιμη. Αν είναι μεγάλη, τα βακτήρια μπορούν να περάσουν ανάμεσα και να προσκολληθούν. Αν είναι πολύ μικρή, η πίεση που ασκείται μειώνεται, επιτρέποντας στα μικρόβια να επιβιώσουν. Η ομάδα έπρεπε να βρει την ακριβή γεωμετρία που θα μεγιστοποιεί το μηχανικό αποτέλεσμα.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας είναι η δυνατότητα παραγωγής των επικάλυψεων σε χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι που επιτρέπει τη χρήση τους σε θερμοευαίσθητα υλικά, όπως τα πλαστικά ιατρικών συσκευών ή εμφυτευμάτων. Παράλληλα, οι οργανικοί πολυμερείς που χρησιμοποιούνται στα MOFs μπορούν να προέρχονται από ανακυκλωμένα υλικά, προσφέροντας προοπτική κυκλικής οικονομίας.
Η δημοσιευμένη μελέτη στο περιοδικό Advanced Science ανοίγει τον δρόμο για εφαρμογές σε πολλούς τομείς πέρα από την υγειονομική περίθαλψη. Οι ίδιες μηχανικά βακτηριοκτόνες επιφάνειες μπορούν να αξιοποιηθούν και στη βιομηχανία τροφίμων, όπου τα βιοφίλμ σε σωληνώσεις, δεξαμενές και εξοπλισμό παραγωγής αποτελούν σοβαρή πηγή επιμόλυνσης και αλλοίωσης προϊόντων. Μια επικάλυψη που αποτρέπει την προσκόλληση και την ανάπτυξη βακτηρίων χωρίς χημικά θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τους κινδύνους και να ενισχύσει την ασφάλεια παραγωγής. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Knut and Alice Wallenberg, το NordForsk, το Novo Nordisk Foundation, το Independent Research Fund Denmark, το Swedish Research Council και τα ερευνητικά προγράμματα του Chalmers.
