Výsledky unikátnej spolupráce mikrobiológov a expertov na laserové technológie bude možné využiť hneď v niekoľkých odboroch.
Rez biofilmovou kolóniou kvasiniek. Zdroj: AV ČR
Vedci vyvíjajú špeciálne povrchy, ktoré zabraňujú priľnutiu mikroorganizmov. Ich povrchové spoločenstvá, nazývané biofilmy, totiž často kontaminujú zdravotnícke vybavenie alebo poškodzujú priemyselné zariadenia. Na výskume pracujú experti z Prírodovedeckej fakulty Univerzity Karlovej v centre BIOCEV a Fyzikálneho ústavu Akadémie vied ČR (AV ČR) v centre HiLASE v rámci projektu LasApp a vedecko-technologického klastra STAR. Výsledky unikátnej spolupráce mikrobiológov a expertov na laserové technológie bude možné využiť hneď v niekoľkých odboroch.
Čo je biofilm?
Biofilm je tenká vrstva spoločenstva mikroorganizmov, ktorá rastie na povrchu nejakej štruktúry a priľne na ňom. Biofilmy sú všade okolo nás a majú zásadný vplyv na život na Zemi. Môžu obsahovať baktérie, kvasinky či iné mikroorganizmy.
Biofilmy sú ale vážnym problémom v odboroch, ako je medicína alebo priemysel. Kontaminujú totiž zdravotnícke vybavenie, napríklad katétre a implantáty, čo môže viesť k chronickým infekciám. V priemysle zase spôsobujú koróziu a znečistenie zariadenia. Dokonca aj vo vesmíre môžu ohrozovať kľúčové prvky zariadenia, ako sú jednotky na úpravu vody alebo skafandre.
Petriho miska so vzorkami. Zdroj: iStockphoto.com
Ako predísť tvorbe biofilmov
Existujú dve hlavné stratégie, ako sa s biofilmami vysporiadať. „Prvou je už vytvorené biofilmy zlikvidovať. A vôbec najúčinnejším spôsobom, ako sa vyhnúť problémom s biofilmami, je zabrániť ich vzniku,“ hovorí vedúca výskumného tímu Zdena Palková z Prírodovedeckej fakulty Univerzity Karlovej v centre BIOCEV.
Nedovoliť mikroorganizmom, aby na povrch priľnuli, dokážu moderné metódy zahŕňajúce antimikrobiálne úpravy povrchov a nanotechnológie. Práve na ne sa zameriava tím Zdeny Palkovej v spolupráci s kolegami z laserového centra HiLASE na čele s Petrom Hauschwitzom z Fyzikálneho ústavu AV ČR.
Spoločným cieľom je navrhnúť a zaviesť pokročilé nanoštruktúrované úpravy povrchov materiálov, ktoré sa bežne používajú v medicíne a priemysle, tým výrazne obmedziť prichytávanie mikróbov alebo úplne zabrániť ich prichytávaniu, a tak potlačiť nežiaduci vznik biofilmov. Mechanické odstránenie biofilmov totiž často nie je možné, napríklad v prípade implantátov v tele pacienta.
„Aj napriek pokroku vo výskume stále nepoznáme všetky detaily o biofilmoch. Chýbajú nám informácie o ich vnútornej štruktúre a organizácii, čo je kľúčové pre efektívny boj proti nim. Preto je neoddeliteľnou súčasťou našej snahy i samotný základný výskum, bez ktorého nemôžeme odhaliť a pochopiť mechanizmy vzťahu medzi rôzne efektívnou priľnavosťou mikróbov a tvorbou komplexných biofilmov,” dodáva Zdena Palková.
Laserové lúče. Zdroj: MLCA
Pokročilé laserové technológie otvárajú nové možnosti
Výskumný program RWP3 (Research work package 3; Laser applications in biotechnology) v projekte LasApp sa preto zameriava na vývoj laserových technológií pre pokročilé povrchové úpravy vybraných materiálov zo zdravotníckeho a z priemyselného odvetvia, ktoré sú často práve biofilmami kontaminované.
„Cieľom je vytvoriť povrchy, ktoré vďaka špeciálnej štruktúre na mikroskopickej a nanometrovej úrovni bránia priľnutiu baktérií a ďalších mikroorganizmov,“ vysvetľuje Petr Hauschwitz z Fyzikálneho ústavu AV ČR, vedúci výskumného tímu laserového mikroobrábania centra HiLASE.
Laserové štruktúrovanie je moderná metóda, ktorá umožňuje precízne úpravy povrchov materiálov na mikro- a nanoúrovni. S využitím špičkových laserových technológií je možné vytvárať štruktúry s detailom rádovo stoviek nanometrov, ktoré sú menšie ako priemerný rozmer baktérie alebo mikróbu, čo výrazne znižuje pravdepodobnosť ich prichytenia na povrch.
Rýchlejšie a efektívnejšie mikro- a nanoštruktúry na boj s biofilmami
Popri samotnom vývoji funkčnej topografie sa tímy zameriavajú na zefektívnenie laserovej výroby s využitím pokročilých techník dynamického tvarovania laserového zväzku pomocou priestorového svetelného modulátora (SLM) a interferenčného obrábania.
Tieto metódy umožňujú rýchlejšiu a efektívnejšiu výrobu povrchov, ktoré je možné aplikovať aj na zložito tvarované predmety. To je veľmi dôležité tak pre priemysel, ako aj pre zdravotníctvo. Táto inovácia môže významne zlepšiť spôsoby, ako bojovať proti mikrobiálnej kontaminácii.
„Očakávame, že naše výsledky povedú k vývoju nových povrchových úprav, ktoré budú schopné eliminovať široké spektrum mikroorganizmov a predchádzať tvorbe nežiaducich biofilmov,“ dodáva Petr Hauschwitz.
Výsledky projektu znamenajú významný prínos k súčasným poznatkom o efektívnej výrobe funkčných nanoštruktúr a budú publikované v prestížnych odborných časopisoch.
Vedecká spolupráca prináša praktické výsledky
Interdisciplinárna spolupráca mikrobiológov z BIOCEV s laserovými špecialistami z HiLASE už prináša prvé hmatateľné výsledky. „Naše spoločné úsilie viedlo k vytvoreniu prvých typov povrchových úprav, ktoré znižujú riziko mikrobiálnej kontaminácie,“ hovorí Petr Hauschwitz. „Táto úspešná fáza nás utvrdzuje v tom, že ideme správnym smerom. Teraz sa zameriame na ďalší vývoj topografií, aby sme rozšírili účinnosť proti viacerým typom mikróbov,“ zdôrazňuje.
Tieto úpravy majú potenciál, aby zlepšili hygienické štandardy v zdravotníctve. Technológie využívajúce dynamické tvarovanie laserového zväzku a interferenčné obrábanie nielenže bránia priľnutiu mikroorganizmov a následnej tvorbe biofilmov, ale taktiež výrazne urýchľujú a zlacňujú výrobné procesy.
Zdroj: TS AV ČR
(JM)
