Графитовые нанопластинки на медицинских устройствах убивают бактерии и предотвращают инфекции

Интеграция графитовых нанопластинок в пластиковые медицинские поверхности может предотвращать инфекции, убивая 99.99% бактерий, пытающихся закрепиться. Это потенциально дешёвое и жизнеспособное решение проблемы, которая затрагивает миллионы людей, требует огромных затрат времени и денег и ускоряет развитие антибиотикорезистентности. Об этом сообщают исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция) в журнале Small.

По данным Европейского центра по профилактике и контролю заболеваний (ECDC), ежегодно в Европе более 4 миллионов человек страдают от инфекций, полученных во время медицинских процедур. Многие из них — бактериальные инфекции, развивающиеся вокруг медицинских устройств и имплантатов в теле, таких как катетеры, протезы тазобедренных и коленных суставов или зубные имплантаты. В худших случаях имплантаты приходится удалять.

Такие инфекции причиняют пациентам страдания и обходятся системам здравоохранения очень дорого. Кроме того, для их лечения и профилактики используются большие объёмы антибиотиков, что увеличивает затраты и ускоряет развитие устойчивости бактерий.

Цель исследования — создание антибактериальных поверхностей, которые могут снизить количество инфекций и последующую потребность в антибиотиках, и к которым бактерии не смогут развить устойчивость. Учёные показали, что специально созданные поверхности из смеси полиэтилена и графитовых нанопластинок убивают 99.99% бактерий, пытающихся прикрепиться к поверхности.

Инфекции на имплантатах вызываются бактериями, которые перемещаются в жидкостях организма (например, в крови) в поисках поверхности для закрепления. Прикрепившись, они размножаются и формируют биоплёнку.

Ранее та же группа учёных показала, что вертикальные чешуйки графена на поверхности имплантата могут формировать защитное покрытие, не позволяющее бактериям закрепиться (по принципу "шипов", отпугивающих птиц от зданий). Графеновые чешуйки повреждают клеточную мембрану, убивая бактерии. Однако производство таких чешуек дорого и пока не масштабируемо.

Теперь аналогичного выдающегося антибактериального эффекта удалось достичь с использованием относительно недорогих графитовых нанопластинок, смешанных с универсальным полимером. Полимер изначально несовместим с нанопластинками, но с помощью стандартных технологий производства пластиков учёным удалось настроить микроструктуру материала с высокой степенью наполнения для достижения нужного эффекта. Теперь эта технология имеет большой потенциал для ряда биомедицинских применений.

Нанопластинки на поверхности имплантатов предотвращают бактериальную инфекцию, но, что критически важно, не повреждают здоровые клетки человека. Человеческие клетки примерно в 25 раз крупнее бактерий, поэтому, пока графитовые нанопластинки разрезают и убивают бактерии, они лишь слегка царапают человеческую клетку.

Такие имплантаты могут не только снизить страдания пациентов и потребность в антибиотиках, но и уменьшить необходимость в повторных операциях, поскольку смогут дольше оставаться в теле. Это исследование также может помочь сократить огромные затраты, которые подобные инфекции ежегодно наносят системам здравоохранения по всему миру.

В ходе исследования учёные экспериментировали с разными концентрациями графитовых нанопластинок и полимерного материала. Наибольший антибактериальный эффект показал состав с содержанием около 15–20% графитовых нанопластинок — при условии, что морфология материала высоко структурирована.

Решающим фактором, как и в предыдущем исследовании, является правильная ориентация и распределение графитовых нанопластинок. Они должны быть очень точно упорядочены для достижения максимального эффекта.