Spetsar av Nobelprisbelönat material dödar bakterier

https://mb.cision.com/Public/5569/4272497/88992c0cc499ce3b_800x800ar.jpg

Bakterier som förökar sig på ytor kan orsaka stora problem inom bland annat sjukvården, till exempel när de får fäste på implantat eller katetrar. Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola hittat ett nytt vapen mot bakteriehärdarna, som inte kräver antibiotika eller giftiga metaller. Nyckeln är ett helt nytt användningsområde för årets Nobelprisbelönade material: metallorganiska ramverk. De gör det möjligt att spetsa och döda bakterierna – innan de hinner fästa på ytan.

När bakterier fastnar på olika ytor kan de börja växa och samtidigt kapsla in sig i en så kallad biofilm: ett segt, slemmigt hölje som skyddar bakterierna och gör dem svåra att bekämpa. Biofilmer trivs extra bra i fuktiga miljöer, och kan ställa till med mycket besvär inom sjukvården. Till exempel kan bakterier fästa vid olika medicintekniska produkter, som katetrar, höftproteser eller tandimplantat, och leda till sjukvårdsrelaterade infektioner – ett utbrett problem över världen som orsakar stort lidande, höga vårdkostnader och ökad risk för utveckling av antibiotikaresistens.

Biofilmer kan också bildas på fartygsskrov, där de kan leda till besvärliga påväxter av alger och havstulpaner som orsakar lägre fartygshastigheter och ökad bränsleförbrukning. Dessutom används ofta biocidfärger, som innehåller giftiga bekämpningsmedel, i kampen mot skrovets påväxter, vilket skapar risk för att skadliga ämnen läcker ut i vattnet. Även biofilm i industriella rörsystem är ett utbrett problem, som bland annat kan orsaka korrosion, igensatta system, minskad effektivitet och ökad energiförbrukning.

Nytt sätt att använda metallorganiska ramverk

Nu har forskare på Chalmers hittat ett nytt sätt att angripa biofilm, genom att skapa en beläggning med en sorts nanostrukturer – metallorganiska ramverk – som dödar bakterier mekaniskt. Den nyligen publicerade studien har genomförts i ett samarbete mellan två forskarlag vid universitetet: professor Ivan Mijakovics samt professor Lars Öhrströms forskargrupper.

– Vår studie visar att de här strukturerna kan fungera som en form av spetsar som fysiskt skadar bakterierna, och helt enkelt punkterar dem så att de dör. Det är ett helt nytt sätt att använda metallorganiska ramverk, säger studiens försteförfattare Zhejian Cao, doktor i materialteknik och forskare vid Chalmers.

Beläggningen är uppbyggd på ett sätt som gör att den kan appliceras på en mängd olika ytor, och också integreras med andra material. En stor fördel är att metoden förhindrar eller minskar biofilmbildning utan att antibiotika eller giftiga metaller behöver användas.

– Det motverkar ett stort globalt problem, eftersom det eliminerar risken för att bakteriebekämpningen orsakar antibiotikaresistens, säger Zhejian Cao.

Rätt avstånd mellan nanospetsarna krävs

Metallorganiska ramverk (MOF) är en ny materialklass med exceptionella egenskaper, där metalljoner kopplas samman till tredimensionella nätverk med stora håligheter och kanaler i materialet. Forskarna bakom utvecklingen av materialklassen tilldelades 2025 års Nobelpris i kemi, och förhoppningen är att materialen kan användas till allt ifrån biogaslagring och koldioxidinfångning till katalys och vattenutvinning ur ökenluft.

Chalmersforskarna har nu utforskat en helt annan funktion i sin studie.

– Det har gjorts tidigare försök att använda metallorganiska ramverk för antibakteriella ändamål, men då har bakterierna dödats av giftiga metalljoner eller antimikrobiella medel som strukturerna har släppt ut. Vi har i stället odlat en MOF-struktur ovanpå en annan, vilket gör att det bildas vassa nanospetsar som tränger igenom och dödar bakterierna när de närmar sig, säger Zhejian Cao.

Nanospetsarna skapades genom att kontrollera kristalltillväxten i materialet, och en stor utmaning var att hitta rätt avstånd mellan dem för att maximera effekten.

– Om avståndet mellan spetsarna är för stort kan bakterier slinka igenom och fästa på ytan. Om avståndet i stället är för litet kan spetsarnas mekaniska belastning på bakteriehöljet minska så att bakterierna klarar sig undan – samma mekanism som gör att man kan ligga på en spikmatta utan att skada sig, säger Zhejian Cao.

Teknik som går att skala upp

Lars Öhrström är medförfattare till studien och har arbetat med metallorganiska ramverk i 30 år. Han framhåller att det finns flera praktiska fördelar med att använda MOF-beläggningar för bakteriebekämpning på ytor, jämfört med andra lösningar.

– De här beläggningarna kan produceras vid mycket lägre temperaturer än till exempel de spikar av grafen som tidigare har tagits fram på Chalmers. Det underlättar för storskalig produktion och gör det möjligt att applicera beläggningarna på temperaturkänsliga material, till exempel de plaster som används i medicinska implantat. Dessutom kan de organiska polymererna i metallorganiska ramverk skapas från återvunnen plast, vilket potentiellt kan bidra till en cirkulär ekonomi, säger Lars Öhrström.

Mer om forskningen

Artikeln Mechano-Bactericidal Surfaces Achieved by Epitaxial Growth of Metal-Organic Frameworks har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Science. Författarna är Zhejian Cao, Santosh Pandit, Françoise M. Amombo Noa, Jian Zhang, Wengeng Gao, Shadi Rahimi, Lars Öhrström och Ivan Mijakovic, samtliga verksamma vid Chalmers tekniska högskola.

Studien har genomförts i professor Lars Öhrströms forskargrupp vid institutionen för kemi och kemiteknik, samt i professor Ivan Mijakovics grupp vid institutionen för life sciences.

Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse inom ramen för Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE), NordForsk, Novo Nordisk Fonden, Oberoende Forskningsfonden Danmark, Vetenskapsrådet samt Chalmers styrkeområden Nano, Material och Hälsa.

Bildtext till fotot överst på sidan: Dödsögonblicket för bakterien. Fotot är taget med svepelektronmikroskopi i Myfabs renrum på Chalmers, och visar MOF-strukturen när den punkterar en bakterie. Delar av fotot har färglagts.
Foto: Chalmers | Zhejian Cao  

För mer information, kontakta:

Lars Öhrström, professor vid institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola, ohrstrom@chalmers.se, 031 772 28 71
Lars Öhrström talar svenska, engelska och franska.

Zhejian Cao, postdoktor vid institutionen för life sciences, Chalmers tekniska högskola, zhejian@chalmers.se
Zhejian Cao talar engelska och kinesiska.