Les flocons verticaux de graphène forment une surface protectrice qui empêche les bactéries de se fixer. Au lieu, les bactéries sont coupées en morceaux par les flocons de graphène tranchants et tuées. Le volume des cellules humaines est généralement de 15, 000 fois plus grand. Donc, ce qui constitue une attaque mortelle au couteau pour une bactérie, n'est donc qu'une infime égratignure pour une cellule humaine. Enduire les implants d'une couche de flocons de graphène peut donc aider à protéger le patient contre l'infection, éliminer le besoin d'un traitement antibiotique, et réduire le risque de rejet d'implant. L'ostéointégration - le processus par lequel la structure osseuse se développe pour attacher l'implant - n'est pas perturbée. En réalité, il a été démontré que le graphène est bénéfique pour les cellules osseuses. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Une minuscule couche de flocons de graphène sur une surface tue les bactéries, arrêter les infections lors de procédures telles que la chirurgie implantaire. C'est la conclusion d'une nouvelle recherche de l'Université de technologie Chalmers, Suède, récemment publié dans Interfaces de matériaux avancées .
Opérations pour implants chirurgicaux, comme les arthroplasties de la hanche et du genou ou les implants dentaires, ont augmenté ces dernières années. Cependant, dans de telles procédures, il y a toujours un risque d'infection bactérienne. Dans le pire des cas, cela peut empêcher l'implant de se fixer au squelette, ce qui signifie qu'il doit être supprimé.
Les bactéries voyagent dans des fluides tels que le sang, cherchant à se fixer sur une surface appropriée. Une fois en place, ils commencent à grandir et à se propager, formant une couche protectrice connue sous le nom de biofilm. Une équipe de recherche de Chalmers a maintenant montré qu'une couche de flocons verticaux de graphène forme une surface protectrice qui empêche les bactéries de se fixer. Au lieu, les bactéries sont coupées en morceaux par les flocons de graphène tranchants et tuées. Enduire les implants d'une couche de flocons de graphène peut donc protéger le patient contre l'infection, éliminer le besoin d'un traitement antibiotique, et réduire le risque de rejet d'implant. L'ostéointégration - le processus par lequel la structure osseuse se développe pour attacher l'implant - n'est pas perturbée. En réalité, il a été démontré que le graphène est bénéfique pour les cellules osseuses.
L'Université Chalmers est un chef de file dans le domaine de la recherche sur le graphène, mais les applications biologiques n'ont commencé à se matérialiser qu'il y a quelques années. Les chercheurs ont vu des résultats contradictoires dans des études antérieures. Certains ont montré que le graphène endommageait les bactéries, d'autres qu'ils n'ont pas été touchés.
Les flocons verticaux de graphène ne sont pas une invention nouvelle. Mais les équipes de recherche de Chalmers sont les premières à utiliser le graphène vertical pour tuer les bactéries. La prochaine étape consistera à tester davantage les flocons de graphène, en revêtant les surfaces des implants et en étudiant l'effet sur les cellules animales. Crédit :Johan Bodell/Université de technologie de Chalmers
"Nous avons découvert que le paramètre clé est d'orienter le graphène verticalement. S'il est horizontal, les bactéries ne sont pas blessées, " dit Ivan Mijakovic, Professeur au Département de biologie et de génie biologique.
Les flocons pointus n'endommagent pas les cellules humaines car une bactérie fait un micromètre de diamètre, tandis qu'une cellule humaine mesure 25 micromètres. Ce qui constitue une attaque mortelle au couteau pour une bactérie n'est donc qu'une infime éraflure pour une cellule humaine.
"Le graphène a un potentiel élevé pour les applications en santé. Mais des recherches supplémentaires sont nécessaires avant de pouvoir prétendre qu'il est entièrement sûr. Entre autres choses, nous savons que le graphène ne se dégrade pas facilement, " dit Jie Sun, professeur agrégé au Département de microtechnologie et nanosciences.
L'Université Chalmers est un chef de file dans le domaine de la recherche sur le graphène, mais n'a commencé à étudier les applications biologiques qu'il y a quelques années. Maintenant, les chercheurs pensent que le graphène présente un grand potentiel pour différentes applications de soins de santé. " Quelque chose d'autre qui devient grand, et je pense que ça va être très important à l'avenir, est ce qu'on appelle la « biodétection ». Le graphène conduit l'électricité, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour détecter des problèmes dans le corps, tels que les problèmes bactériens, cancer, ou des niveaux élevés de glucose. Cela nous donne une toute nouvelle façon de prévenir les problèmes de santé, " déclare le professeur Chalmers Ivan Mijakovic. Crédit :Johan Bodell/Chalmers University of Technology
Les bonnes bactéries sont également tuées par le graphène. Mais ce n'est pas un problème, car l'effet est localisé et l'équilibre de la microflore dans le corps reste intact. "Nous voulons empêcher les bactéries de créer une infection. Sinon, vous pourriez avoir besoin d'antibiotiques, ce qui pourrait perturber l'équilibre des bactéries normales et également augmenter le risque de résistance aux antimicrobiens par les agents pathogènes, " dit Santosh Pandit, post-doctorat en biologie et génie biologique.
Les flocons verticaux de graphène ne sont pas une invention nouvelle, existe depuis quelques années. Mais les équipes de recherche Chalmers sont les premières à utiliser le graphène vertical de cette manière. La prochaine étape pour l'équipe de recherche consistera à tester davantage les flocons de graphène en recouvrant les surfaces des implants et en étudiant l'effet sur les cellules animales.
La fabrication du graphène vertical
Le graphène est composé d'atomes de carbone. Ce n'est qu'une seule couche atomique d'épaisseur, et donc le matériau le plus fin au monde. Le graphène est fabriqué en flocons ou en films. Il est 200 fois plus résistant que l'acier, et possède une très bonne conductivité grâce à sa mobilité électronique rapide. Le graphène est également extrêmement sensible aux molécules, ce qui lui permet d'être utilisé dans des capteurs.
Le graphène peut être fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La méthode est utilisée pour créer un revêtement de surface mince sur un échantillon. L'échantillon est placé dans une chambre à vide et chauffé à haute température. Simultanément, trois gaz, généralement de l'hydrogène, méthane et argon, sont libérés dans la chambre. La chaleur élevée fait réagir les molécules de gaz les unes avec les autres, et une fine couche d'atomes de carbone est créée.
Pour produire des formes verticales de graphène, les chercheurs utilisent un procédé connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Puis, un plasma est appliqué sur l'échantillon, ce qui provoque l'ionisation du gaz près de la surface. Avec le plasma, la couche de carbone se développe verticalement depuis la surface, au lieu de horizontalement comme avec CVD.
