Supertwarde kompozyty na bazie nanorurek węglowych od lat święcą triumfy m.in. w motoryzacji, lotnictwie i wojskowości. Nie wszyscy jednak wiedzą, że nanorurki te mają także właściwości antybakteryjne i antystatyczne i – podobnie jak miedź i jony srebra – współtworzą szeroki i rosnący w siłę rynek nanomateriałów biobójczych.

Grupa nanomateriałów, czyli mikroskopijnych struktur składających się z cząsteczek o wielkości od 1,5 do 100 nm, jest bardzo zróżnicowana. Poza wspomnianymi nanorurkami węglowymi składają się na nie m.in. dwutlenek tytanu, organosilany, srebro, tlenek cynku, miedź, magnetyt, tlenek magnezu, złoto i gal – żeby wymienić tylko te z nich, które wykazują mniej lub bardziej silne właściwości antybakteryjne (patrz: tabela). I choć największym odkryciem ostatnich lat bez wątpienia jest pod tym względem srebro i miedź, trwająca wciąż pandemia koronawirusa sprawia, że rynek nanocząsteczkowych powłok ochronnych prężnie się rozwija, a liczba projektów mających na celu opracowanie jeszcze bardziej innowacyjnych formulacji skokowo rośnie, wspierana zarówno przez rządy, jak i instytucje prywatne.

Miedź – uniwersalny środek biobójczy

Biobójcze właściwości miedzi i jej stopów (m.in. mosiądzu, brązu, miedzioniklu) są znane od lat, ale na szerszą skalę zaczęto je wykorzystywać stosunkowo niedawno. Udowodniono bowiem, że miedź wykazuje wysoką skuteczność w walce z bakteriami, takimi jak E. coli czy gronkowiec: jej nadmiar w komórkach wywołuje stres oksydacyjny i stymuluje produkcję nadtlenku wodoru, co ostatecznie prowadzi do ich uszkodzenia, a także zwiększa przepuszczalność błon komórkowych, powodując wyciek składników odżywczych.

To jednak nie wszystko: jeszcze przed wybuchem pandemii Covid-19 dowiedziono, że miedź jest także świetnym neutralizatorem wirusów, m.in. wirusa grypy, adenowirusa oraz koronawirusa. Liczne badania wykazały, że po 1 godzinie od inkubacji jest ona w stanie zneutralizować ok. 75% wirusów grypy, a po 6 godzinach jej skuteczność sięga już 99,999%. Właściwość tę wykorzystano w wielu nowo opracowywanych produktach antywirusowych, np. powłoce Cooper Armour firmy Atacamalab czy dodatku Corning Guardiant firmy Corning Incorporated.

Jony srebra – bakterie tak, wirusy nie

Podobnie silnie oddziałują na komórki bakterii jony srebra. Reagują one z grupą tiolową w enzymach i deaktywują je, wywołując śmierć komórki. Mogą też oddziaływać bezpośrednio z DNA bakterii, hamując jego replikację. Aby jednak mogły efektywnie oddziaływać na komórkę, muszą być na tyle małe, aby przeniknąć do jej wnętrza przez błonę komórkową. Dlatego uznaje się, że najwyższe działanie bakteriobójcze wykazują cząsteczki o wielkości 1-10 nm. Jony srebra można co prawda także rozpuścić w roztworze (np. azotanu srebra), ale w postaci nanocząsteczek dłużej zachowują swoje biobójcze właściwości. Niezbyt dobrze radzą sobie natomiast w roli neutralizatora wirusów, zdecydowanie wyprzedzane pod tym względem zarówno przez miedź, jak i całkowicie nowe receptury.

Dwutlenek tytanu – samoczyszczące powierzchnie

O ile powłoki na bazie nanocząsteczek miedzi i srebra neutralizują bakterie i wirusy przez zmianę ich struktury, o tyle preparaty na bazie dwutlenku tytanu działają na zupełnie innej zasadzie. TiO₂ pełni w tym przypadku funkcję katalizatora: pod wpływem oddziaływania światła inicjuje reakcję powstawania wolnych rodników, czyli atomów lub cząsteczek zawierających niesparowane elektrony. Wolne rodniki utleniają i tym samym rozkładają materiał organiczny powłoki, co powoduje charakterystyczne „łuszczenie się” warstwy wierzchniej. Oddzielone płatki zabierają ze sobą rozwijające się na nich mikroorganizmy, odsłaniając „czystą” warstwę podłoża.

Samoczyszczące właściwości tlenku i dwutlenku tytanu stanowią obecnie przedmiot intensywnych badań mających na celu opracowanie powłoki łączącej w sobie funkcje autoczyszczenia oraz neutralizacji bakterii i wirusów. Pierwszy krok na tej drodze uczynili już greccy naukowcy: w ramach projektu AMSCOPPER połączyli oni stop miedzi i nanocząsteczki tlenku tytanu, uzyskując antybakteryjną strukturę z efektem „złuszczania się” pozwalającym usunąć pozostałości uśmierconych kolonii. Produkt uzyskał w testach 100-proc. skuteczność w zwalczaniu typowych infekcji szpitalnych, w tym gronkowca złocistego i pałeczki ropy błękitnej. Znajdzie zastosowanie m.in. w placówkach opieki zdrowotnej (poręcze łóżek, uchwyty, klamki), ale także w produkcji urządzeń klimatyzacyjnych i AGD, w hotelach, środkach transportu publicznego i szkołach.

Prace badawcze idą pełną parą

Innym bardzo popularnym kierunkiem badań są powłoki nanocząsteczkowe, które nie tyle stopniowo uwalniają środek aktywny, co wykazują stałe właściwości biobójcze w kontakcie z drobnoustrojami. U źródeł tego nurtu leży dążenie do znalezienia takiej receptury, która nie będzie uwalniała substancji chemicznych do środowiska. Spore zasługi w tym zakresie ma także Polska: już wiosną ubiegłego roku Politechnika Łódzka, Uniwersytet Techniczny w Libercu i koszalińska firma TERMEX ogłosiły, że wspólnie pracują nad nową powłoką antybakteryjną na bazie nanocząsteczek węgla, która jednocześnie będzie się wykazywała wysoką skutecznością w zwalczaniu bakterii i będzie przyjazna dla środowiska. Projekt bazuje na opatentowanej czeskiej technologii osadzania powłok zol-żel, a jego efekty będziemy mogli podziwiać już za dwa lata. Powłoka ma zwalczać nie tylko bakterie, ale także wirusy i grzyby, a tym samym może znaleźć zastosowanie m.in. w środkach transportu publicznego, supermarketach, toaletach i ośrodkach opieki medycznej.

Przykładów tego typu nowatorskich formulacji można by mnożyć bez liku: oprócz najpopularniejszych w ostatnim czasie powłok antybakteryjnych na bazie nanocząsteczek coraz częściej tworzone są także preparaty antykorozyjne, antyporostowe (nakładane na kadłuby statków) czy antystatyczne. Coraz częściej nowe powłoki łączą w sobie także kilka różnorodnych właściwości, np. ochronę przed korozją i rozwojem bakterii. A ich producenci z pewnością nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa.

Porównanie właściwości wybranych nanomateriałów antybakteryjnych

+ + +

Źródło: Redakcja Portal Przemysłowy.pl

Zdjęcia:

(1) Skuteczna powłoka antybakteryjna to taka, która neutralizuje do 99,99% drobnoustrojów.

Źródło: Clevis Research

(2) Nanotechnologia coraz śmielej wkracza na rynek farb i lakierów. Wzbogacone o nanocząsteczki powłoki oferują nowe funkcje, nieosiągalne przy zastosowaniu tradycyjnych formulacji

Źródło: Pixabay