دانشمندان سرانجام دلیل علمی عملکرد مسواکهای گرافنی را کشف کردهاند؛ محصولی که تاکنون بیش از ۱۰ میلیون نفر در سراسر جهان آن را خریداری کردهاند. پژوهشگران موفق شدهاند مولکول خاصی در غشای باکتریها را شناسایی کنند که باعث میشود مسواکهای حاوی اکسید گرافن بتوانند میکروبهای مضر را از بین ببرند، بدون آنکه به سلولهای انسانی اطراف آسیب بزنند.
این کشف، مسواکهای ضدباکتری محبوب را به نمونهای از نسل جدیدی از پارچهها، پانسمانها، تجهیزات پزشکی تبدیل میکند که میتوانند بدون اتکا به آنتیبیوتیکها با عفونت مقابله کنند.
هدف پنهان در غشای باکتریها
در بررسیهای انجامشده روی فیلمها، پودرها، الیاف مختلف، اکسید گرافن در تمامی اشکال خود توانست بهصورت انتخابی به غشای باکتریها متصل شود.
پروفسور «سانگ اوک کیم» از مؤسسه پیشرفته علم و فناوری کره (KAIST) نشان داد که گروههای اکسیژنی موجود در این ماده به مولکولی به نام POPG میچسبند. این مولکول نوعی چربی غشایی است که در باکتریها وجود دارد، اما در سلولهای انسانی دیده نمیشود.
همین تفاوت، دلیل اصلی توانایی ماده در حمله به میکروبها و در عین حال حفظ سلامت بافتهای انسانی است.
نقش اکسیژن در قدرت ضدباکتریایی گرافن
شیمیدانها سالهاست روی ساختار اکسید گرافن مطالعه میکنند، زیرا گروههای اکسیژنی به این ورقه کربنی کمک میکنند تا با آب ترکیب شود، واکنشپذیری بیشتری داشته باشد.
وقتی پژوهشگران میزان اکسیژن موجود روی ورقهها را افزایش دادند، اتصال به POPG بهتر شد و توانایی مهار رشد باکتریها به ۹۶ تا ۹۹ درصد رسید.
در مقابل، حذف اکسیژن یا افزودن نیتروژن باعث کاهش این اثر شد. این موضوع نشان داد که شیمی سطح ماده، از اندازه ورقهها مهمتر است.
در واقع، جزئیات سطحی تعیین میکنند که یک پوشش گرافنی واقعاً خاصیت ضدباکتریایی داشته باشد یا صرفاً نام گرافن را یدک بکشد.
باکتریها شکل خود را از دست دادند
تصاویر با وضوح بالا نشان دادند که باکتریهای تحت درمان، بهتدریج شکل صاف و طبیعی خود را از دست میدهند، زیرا غشای آنها شروع به تخریب میکند.
اسکن سلولهای زنده نیز نشت محتویات داخلی را ثبت کرد؛ نشانهای از اینکه سد خارجی دیگر قادر به حفظ فشار یا محافظت از سلول نیست.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی نیز مرحلهای دیگر را آشکار کرد: ابتدا سلولها چروکیده شدند، سپس با ناپایدار شدن سطح، از هم پاشیدند.
وقتی غشای سلولی آسیب میبیند، باکتری دیگر نمیتواند آب، نمکها، مواد مغذی را کنترل کند و عملاً فرصتی برای بازیابی ندارد.
ابرباکتریها هم در امان نماندند
باکتریهای مقاوم به دارو، یعنی میکروبهایی که در برابر داروهای درمانی دوام میآورند، در سال ۲۰۱۹ بهطور مستقیم عامل حدود ۱.۲۷ میلیون مرگ در جهان بودند.
اکسید گرافن توانست سویههایی را نیز مهار کند که ویژگیهای مقاومت دارویی داشتند؛ از جمله باکتریهایی که برخی از آخرین آنتیبیوتیکهای خط درمان را بیاثر میکنند.
این میکروبها همچنان مولکول POPG را در غشای خود دارند، بنابراین ماده به بخشی حمله میکند که آنتیبیوتیکها معمولاً نادیده میگیرند.
از آنجا که این هدف ساختاری است، این روش میتواند کنترل عفونت را تقویت کند، بدون آنکه همه فشار درمانی بر دوش یک دارو باشد.
ترمیم سریعتر زخمها با اکسید گرافن
در زخمهای عفونی حیوانات، ساختارهای حاوی اکسید گرافن باعث کاهش رشد باکتریها شدند و همزمان پوست سریعتر ترمیم شد.
موشهایی که با فیلمها، الیاف یا پودرهای گرافنی درمان شدند، پس از چند روز تعداد کمتری باکتری داشتند و التهاب بافتی آنها نیز کمتر بود.
زخمهای خوک آزمایش دشوارتری محسوب میشدند، زیرا پوست خوک در روند بهبود، شباهت بیشتری به پوست انسان دارد.
نتایج موفق در حیوانات بزرگتر، اعتبار این یافته را افزایش داد.
الیاف گرافنی برای کاربردهای واقعی
تبدیل اکسید گرافن به نانوالیاف، یعنی رشتههای فوقنازک مورد استفاده در مواد شبیه پارچه، شکل کاربردیتری به این فناوری داد.
الیاف نایلونی توانستند ورقهها را در موقعیتی نگه دارند که باکتریها با آن تماس پیدا کنند، در حالی که ویژگیهای شیمیایی سطح حفظ شود.
شستوشو با آب نیز خاصیت ضدباکتریایی را از بین نبرد؛ موضوعی که راه را برای ماسکهای قابل استفاده مجدد، یونیفرمها، پارچههای پزشکی هموار میکند.
البته دوام این فناوری در برابر تعریق، اصطکاک، شستوشوی مکرر خارج از محیط آزمایشگاه همچنان باید بررسی شود.
ایمنی؛ نکتهای که باید جدی گرفته شود
دادههای ایمنی از آزمایشهای سلولی، مدلهای زخم عفونی بهدست آمدهاند، نه از کارآزماییهای بالینی انسانی.
سلولهای پستانداران مشابه انسان پس از ۷۲ ساعت کمترین میزان سمیت را نشان دادند و بافتهای حیوانی نیز خونریزی و التهاب محدودی داشتند.
با این حال، عملکرد اکسید گرافن میتواند با توجه به اندازه ورقهها، دوز مصرف، خلوص ماده، نوع بستری که در آن قرار میگیرد تغییر کند.
بنابراین مادهای که در یک طراحی ایمن است، ممکن است در قالب مسواک، پانسمان یا دستگاهی دیگر نیازمند آزمایشهای جدید باشد.
۱۰ میلیون مسواک گرافنی در بازار جهانی
پیش از آنکه سازوکار این فناوری بهطور کامل روشن شود، یک مسواک گرافنی مبتنی بر پتنتهای مرتبط، بیش از ۱۰ میلیون واحد فروش داشت.
این رکورد فروش بهتنهایی اثبات علمی نبود، اما نشان داد که مصرفکنندگان مدتهاست در زندگی روزمره با این ماده در تماس هستند.
همچنین GrapheneTex، یک ماده نساجی مبتنی بر گرافن، در لباسهای ورزشی مرتبط با المپیک پاریس ۲۰۲۴ نیز مورد استفاده قرار گرفت.
گسترش تجاری این محصولات اهمیت بیشتری ایجاد میکند، زیرا چنین کالاهایی باید بر پایه شواهد علمی باشند، نه صرفاً ادعاهای بازاریابی ضدباکتریایی.
آینده مسواکهای گرافنی و تجهیزات پزشکی
صنایع پزشکی به موادی نیاز دارند که از استقرار میکروبها جلوگیری کنند، بدون آنکه به پوست یا بافت آسیب بزنند.
پزشکان میتوانند از این ویژگی در پانسمان زخم، پارچههای جراحی، حسگرهای پوشیدنی که مدت طولانی با بدن در تماس هستند استفاده کنند.
پروفسور کیم میگوید: «این مطالعه نمونهای از کشف علمی این موضوع است که چرا گرافن میتواند باکتریها را بهصورت انتخابی از بین ببرد، در حالی که برای بدن انسان ایمن باقی میماند.»
البته این توضیح به معنای جایگزینی کامل اکسید گرافن با همه آنتیبیوتیکها نیست.
یک مسواک، یک پارچه، یک زخم عفونی همگی یک پیام مشترک دارند: شیمی سطح مناسب میتواند عملکرد ضدباکتریایی را هدفمند و انتخابی کند.
تحقیقات آینده باید اندازه ورقهها، دوز مصرف، طراحی پارچه، استانداردهای ایمنی را بهینهسازی کند تا این فناوری برای استفاده گستردهتر در بیمارستانها یا تجهیزات روزمره آماده شود.
این مطالعه در نشریه علمی Advanced Functional Materials منتشر شده است.
برای آشنایی با جدیدترین فناوریهای سلامت و بهداشت، مقالات بعدی ما را دنبال کنید.
