Patogenní bakterie na povrchu materiálů představují velký problém ve zdravotnictví, především pokud jde o implantáty, katétry nebo podobné věci. Švédští vědci nabízejí novou zbraň proti těmto líhním patogenů, která se obejde bez antibiotik i toxických kovů.
Snímek povrchu, kde byly s pomocí MOF vytvořeny ostré nanohroty ničící bakterie (snímek byl pořízen rastrovací elektronovou mikroskopií v čisté místnosti společnosti Myfab v Chalmers, jeho části byly vybarveny) © Zhejian Cao / Chalmers University of Technology
Zbrusu nové využití kovovo-organických struktur (MOF — metal-organic frameworks) objevili vědečtí pracovníci švédské Technické univerzity Chalmers. Pokud mají vhodný design, mohou tyto materiály nově příchozí bakterie doslova nabodnout, propíchnout a zlikvidovat předtím, než se přichytí k povrchu. Jakmile se totiž bakterie na povrchu úspěšně uchytí, začnou se množit a v mnoha případech zároveň vytvářejí biofilm, biomechanickou vrstvu slizu, která je chrání a velmi komplikuje jejich likvidaci.
Patogenní bakterie se mohou usazovat na povrchu medicínských materiálů a zařízení, jako jsou katétry, kyčelní náhrady nebo zubní implantáty, a vyvolávat nemocniční infekce, které představují celosvětově problém spojený s utrpením pacientů, značnými finančními náklady a rizikem rozvoje antibiotické rezistence. Biofilmy přitom způsobují problémy i technické povahy, například v lodní dopravě nebo v infrastruktuře.
Badatelé z Chalmers vyvinuli MOF nanostruktury, které bakterie ničí mechanickou cestou. Navrhli je tak, aby je bylo možné nanášet na rozmanité povrchy a integrovat do různých materiálů. Jejich velkou předností je, že zabraňují vzniku biofilmů nebo jejich tvorbu výrazně omezují, aniž je nutné používat antibiotika či toxické kovy. Brání tím rozvoji rezistence a současně šetří životní prostředí.
Metal-organické struktury jsou novou třídou materiálů s výjimečnými vlastnostmi, kde jsou kovové ionty propojeny do trojrozměrných struktur s velkými dutinami a kanály v materiálu. Vědci, kteří stáli za vývojem této třídy materiálů, získali Nobelovu cenu za chemii za rok 2025 a doufají, že tyto materiály budou moci být použity pro cokoli od skladování bioplynu a zachycování uhlíku až po katalýzu a extrakci vody z pouštního vzduchu. Výzkumníci z Chalmers však ve své studii zkoumali zcela odlišnou funkci MOF.
„Už dříve proběhly pokusy o použití metal-organických struktur pro antibakteriální účely, ale v těchto případech byly bakterie usmrcovány toxickými kovovými ionty nebo antimikrobiálními látkami uvolňovanými MOF. My místo toho pěstovali jeden MOF na druhém, což vedlo k tvorbě ostrých nanošpiček, které mohou bakterie propíchnout a zabít, když se k nim přiblíží,“ říká Zhejian Cao, vedoucí projektu.
Nanohroty byly vytvořeny řízením růstu krystalů v materiálu a hlavní výzvou bylo nalezení správné vzdálenosti mezi nimi pro maximalizaci jejich účinku.
„Pokud je vzdálenost mezi nanohroty příliš velká, bakterie mohou proklouznout a přichytit se k povrchu. Pokud je však vzdálenost příliš malá, může se snížit mechanické namáhání vyvíjené nanohroty na bakteriální buněčnou kapsli, takže bakterie přežijí — stejný princip, který vám umožňuje ležet na lůžku z hřebíků, aniž byste se zranili,“ říká Zhejian Cao.
Lars Öhrström, který je spoluautorem studie a s metal-organickými strukturami pracuje již 30 let, zdůrazňuje, že využití MOF povlaků pro kontrolu bakterií na površích má ve srovnání s jinými řešeními řadu praktických výhod.
„Tyto povlaky lze vyrábět za mnohem nižších teplot než například grafenová pole dříve vyvinutá v Chalmers. To usnadňuje velkovýrobu a umožňuje nanášet povlaky na teplotně citlivé materiály, jako jsou plasty používané v lékařských implantátech. Kromě toho lze organické polymery v metal-organických rámech vytvářet z recyklovaných plastů, což má potenciál přispět k oběhovému hospodářství,“ říká Lars Öhrström.