Un minuscolo strato di scaglie di grafene su una superficie uccide i batteri, fermare le infezioni durante procedure come la chirurgia implantare. Questo è il risultato di una nuova ricerca della Chalmers University of Technology, Svezia, recentemente pubblicato in Interfacce materiali avanzati .

Interventi per impianti chirurgici, come protesi di anca e ginocchio o impianti dentali, sono aumentati negli ultimi anni. Però, in tali procedure, c'è sempre il rischio di infezione batterica. Nella peggiore delle ipotesi, questo può impedire all'impianto di attaccarsi allo scheletro, nel senso che deve essere rimosso.

I batteri viaggiano in fluidi come il sangue, cercando di attaccarsi a una superficie adatta. Una volta sul posto, iniziano a crescere e propagarsi, formando uno strato protettivo noto come biofilm. Un team di ricerca di Chalmers ha ora dimostrato che uno strato di scaglie verticali di grafene forma una superficie protettiva che rende impossibile l'adesione dei batteri. Anziché, i batteri vengono tagliati a pezzi dai fiocchi di grafene taglienti e uccisi. Rivestire gli impianti con uno strato di scaglie di grafene può quindi proteggere il paziente dalle infezioni, eliminare la necessità di un trattamento antibiotico, e ridurre il rischio di rigetto dell'impianto. L'osteointegrazione, il processo mediante il quale la struttura ossea cresce per attaccare l'impianto, non viene disturbata. Infatti, il grafene ha dimostrato di beneficiare le cellule ossee.

Chalmers University è leader nel campo della ricerca sul grafene, ma le applicazioni biologiche non hanno cominciato a concretizzarsi fino a pochi anni fa. I ricercatori hanno visto risultati contrastanti in studi precedenti. Alcuni hanno dimostrato che il grafene ha danneggiato i batteri, altri che non sono stati colpiti.

"Abbiamo scoperto che il parametro chiave è orientare il grafene verticalmente. Se è orizzontale, i batteri non sono danneggiati, "dice Ivan Mijakovic, Professore presso il Dipartimento di Biologia e Ingegneria Biologica.

I fiocchi taglienti non danneggiano le cellule umane perché un batterio ha un diametro di un micrometro, mentre una cellula umana è di 25 micrometri. Ciò che costituisce un attacco mortale con un coltello per un batterio è quindi solo un minuscolo graffio per una cellula umana.

"Il grafene ha un alto potenziale per applicazioni sanitarie. Ma sono necessarie ulteriori ricerche prima di poter affermare che è completamente sicuro. Tra le altre cose, sappiamo che il grafene non si degrada facilmente, "dice Jie Sun, professore associato presso il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze.

Anche i batteri buoni vengono uccisi dal grafene. Ma non è un problema, poiché l'effetto è localizzato e l'equilibrio della microflora nel corpo rimane indisturbato. "Vogliamo impedire ai batteri di creare un'infezione. Altrimenti, potresti aver bisogno di antibiotici, che potrebbe alterare l'equilibrio dei batteri normali e anche aumentare il rischio di resistenza antimicrobica da parte di agenti patogeni, "dice Santosh Pandit, postdoc presso Biologia e Ingegneria Biologica.

I fiocchi verticali di grafene non sono una nuova invenzione, essendo esistita per alcuni anni. Ma i gruppi di ricerca di Chalmers sono i primi a utilizzare il grafene verticale in questo modo. Il prossimo passo per il team di ricerca sarà testare ulteriormente i fiocchi di grafene rivestendo le superfici degli impianti e studiando l'effetto sulle cellule animali.

La creazione del grafene verticale

Il grafene è composto da atomi di carbonio. È solo un singolo strato atomico spesso, e quindi il materiale più sottile al mondo. Il grafene è prodotto in scaglie o film. È 200 volte più resistente dell'acciaio, e ha un'ottima conduttività grazie alla sua rapida mobilità degli elettroni. Il grafene è anche estremamente sensibile alle molecole, che ne consente l'utilizzo nei sensori.

Il grafene può essere prodotto mediante deposizione chimica in fase vapore (CVD). Il metodo viene utilizzato per creare un rivestimento superficiale sottile su un campione. Il campione viene posto in una camera a vuoto e riscaldato ad alta temperatura. Contemporaneamente, tre gas, solitamente idrogeno, metano e argon, vengono rilasciati nella camera. Il calore elevato fa sì che le molecole di gas reagiscano tra loro, e si crea un sottile strato di atomi di carbonio.

Per produrre forme verticali di grafene, i ricercatori utilizzano un processo noto come deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD). Quindi, un plasma viene applicato sul campione, che provoca la ionizzazione del gas vicino alla superficie. Con il plasma, lo strato di carbonio cresce verticalmente dalla superficie, invece che orizzontalmente come con CVD.