Host-guest Encapsulation of Photosensitizer to Construct Antibacterial Silicone Rubber: Enhanced Homogeneity and Dual-action

Siliconenrubber is een materiaal dat op veel plaatsen te vinden is waar mensen met de wereld in contact komen, van de afdichtingen op ramen tot de slangen die in ziekenhuizen worden gebruikt. Het wordt gewaardeerd omdat het sterk, flexibel en veilig is voor het lichaam, wat de reden is dat artsen het vaak gebruiken voor katheters en implantaten die langdurig in een persoon blijven zitten. Deze veiligheid brengt echter ook een verborgen probleem met zich mee. Omdat het oppervlak van siliconenrubber water afstoot, creëert het een perfecte omgeving voor bacteriën om aan te plakken, zich te vermenigvuldigen en slijmerige lagen, genaamd biofilms, te vormen. Zodra deze bacteriën zich hebben gevestigd, kunnen ze ernstige infecties veroorzaken die moeilijk te behandelen zijn, vooral omdat veel moderne bacteriën resistent zijn geworden tegen standaard antibiotica. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om dit materiaal te laten terugvechten tegen bacteriën zonder de nuttige eigenschappen te verliezen, maar het toevoegen van antibacteriële middelen leidt vaak tot nieuwe problemen, zoals het wegwassen van de middelen of het broos worden van het materiaal.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld om dit op te lossen door het rubber twee verschillende manieren te geven om bacteriën tegelijkertijd te doden. Ze creëerden een materiaal dat een chemisch "contact-moordenaar" combineert met een lichtgeactiveerd "fotodynamisch" wapen. De sleutel tot hun succes was een slimme truc waarbij gebruik werd gemaakt van piepkleine, sponsachtige structuren gemaakt van een speciaal type zout. Deze structuren fungeren als gastheren die een lichtgevoelige kleurstof kunnen grijpen en vasthouden, een kleurstof die normaal gesproken niet zou mengen met het rubber. Door de kleurstof in deze sponzen te vangen, konden de onderzoekers de kleurstof gelijkmatig over de rubbermatrix verspreiden, wat ervoor zorgt dat deze op zijn plaats blijft, zelfs wanneer het wordt gewassen. Dit stelde hen in staat om een materiaal te bouken dat bacteriën doodt simpelweg door ze aan te raken, en vervolgens een tweede, krachtige klap uitdeelt wanneer het aan licht wordt blootgesteld, waarbij een vorm van zuurstof wordt gegenereerd die de resterende bacteriën vernietigt.

De onderzoekers begonnen met het maken van deze piepkleine gastheerstructuren, die zij amphifiele vertakte kwartaire ammoniumzouten noemen. Stel je een complexe, vertakte molecuul voor met een waterminnende kern en een waterafstotende schil bestaande uit lange koolstofketens. Dit ontwerp zorgt ervoor dat de structuur als een nanocapsule kan fungeren. Het team gebruikte deze capsules vervolgens om Rose Bengal te vangen, een rode kleurstof die fungeert als een fotosensibilisator. Normaal gesproken is deze kleurstof incompatibel met siliconenrubber en zou deze samenklonteren of wegspoelen, maar wanneer deze in de gastheer-capsules werd verpakt, werd deze volledig compatibel. De onderzoekers mengden deze geladen capsules door het vloeibare siliconenrubber samen met een chemische linker die alles aan elkaar bond terwijl het rubber uithardde. Het resultaat was een solide, rood getinte rubberen plaat waarbij de antibacteriële middelen op hun plaats waren vergrendeld, klaar om te werken.

Om te testen hoe goed dit nieuwe materiaal werkte, stelde het team het bloot aan twee veelvoorkomende soorten bacteriën: E. coli, die vaak in de darmen wordt gevonden, en Staphylococcus aureus, een veelvoorkomende huidinfectie. Ze ontdekten dat het rubber met de gastheer-capsules ongeveer 94% van de E. coli en 96% van de S. aureus doodde door enkel contact, zonder licht. Dit contact-dodende vermogen verbeterde naarmate de onderzoekers het aantal actieve zoutgroepen in de capsules verhoogden. Toen ze de lichtgeactiveerde kleurstof toevoegden en een standaard LED-lamp op het materiaal richtten, nam de effectiviteit aanzienlijk toe. Na dertig minuten blootstelling aan licht doodde het materiaal 98% van de E. coli en 99% van de S. aureus. Het licht activeerde de kleurstof, die een zeer reactieve vorm van zuurstof vrijgaf die de interne structuren van de bacteriën aanviel, wat een krachtige tweede verdedigingslinie bood.

Naast het doden van bacteriën moest het materiaal sterk genoeg zijn om als medisch hulpmiddel te functioneren. De onderzoekers testten de fysieke eigenschappen van het rubber en ontdekten dat ze het materiaal veel taaier konden maken door siliciumdeeltjes en een specifiek uithardingsmiddel toe te voegen. Het eindproduct had een druksterkte van 25 megapascal en kon herhaaldelijk worden uitgerekt en in zijn oorspronkelijke vorm terugkeren zonder aan sterkte te verliezen. Deze duurzaamheid is cruciaal voor medische toepassingen waarbij het materiaal in het lichaam kan worden gebogen of samengedrukt. Bovendien ontdekten het team dat de chemische bindingen die de lange koolstofketens op het oppervlak vasthouden, kunnen worden verbroken door een milde alkalische oplossing. Deze functie maakte het mogelijk om dode bacteriën die zich op het oppervlak hadden opgehoopt weg te wassen, waardoor het vermogen van het materiaal om nieuwe bacteriën te doden effectief werd "vernieuwd", wat een aanzienlijk voordeel is voor langdurige implantaten.

De studie bevestigt dat het combineren van een contact-dodende strategie met een lichtgeactiveerde strategie een superieur antibacterieel oppervlak creëert. De onderzoekers toonden aan dat de gastheer-gast capsulemethode succesvol het probleem van het mengen van waterminnende kleurstoffen met waterafstotend rubber heeft opgelost, wat resulteerde in een uniform en wasbestendig materiaal. Hoewel het artikel niet beweert dat dit een definitieve oplossing is voor alle medische hulpmiddelen, demonstreert het een duidelijke en effectieve weg vooruit. Het materiaal bleek in staat om bijna alle geteste bacteriën onder licht te doden en behield zijn structurele integriteit door herhaald gebruik. Dit werk suggereert dat toekomstige medische implantaten veiliger en duurzamer kunnen worden gemaakt door vergelijkbare dual-action systemen te gebruiken om de infecties te voorkomen die momenteel de langdurige zorg compliceren.