NANOTECHNOLOGIE
LASEREM PROTI MIKROORGANISMŮM – VÝZKUM VĚDCŮ POMŮŽE VE ZDRAVOTNICTVÍ I PRŮMYSLU
Vědci vyvíjejí speciální povrchy, které zabraňují přilnutí mikroorganismů. Jejich povrchová společenstva, zvaná biofilmy, totiž často kon- taminují zdravotnické vybavení nebo poškozují průmyslová zařízení. Na výzkumu pracují experti z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v centru BIOCEV a Fyzikálního ústavu Akade- mie věd ČR v Centru HiLASE v rámci projektu LasApp a vědecko-technologického klastru STAR. Výsledky unikátní spolupráce mikro- biologů a expertů na laserové technologie bude možné využít hned v několika oborech. Biofilm je tenká vrstva společenstva mik- roorganismů, která roste na povrchu nějaké struktury a ulpívá na něm. Biofilmy jsou všude kolem nás a mají zásadní vliv na život na Zemi. Mohou obsahovat bakterie, kvasinky či jiné mikroorganismy. Biofilmy jsou ale vážným problémem v obo- rech, jako je medicína nebo průmysl. Kontami- nují totiž zdravotnické vybavení, například ka- tétry a implantáty, což může vést k chronickým infekcím. V průmyslu zase způsobují korozi a znečištění zařízení. Dokonce i ve vesmíru mohou ohrožovat klíčové prvky zařízení jako jednotky na úpravu vody či skafandry. Jak předejít tvorbě biofilmů Existují dvě hlavní strategie, jak se s biofilmy vypořádat. „ První je již vytvořené biofilmy zlik- vidovat. A vůbec nejúčinnějším způsobem, jak se vyhnout problémům s biofilmy, je zabránit jejich vzniku, “ říká vedoucí výzkumného týmu Zdena Palková z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v centru BIOCEV. Nedovolit mikroor- ganismům, aby na povrch přilnuly, dokážou mo- derní metody antimikrobiální úpravy povrchů a nanotechnologie. Právě na ně se zaměřuje tým Zdeny Palkové ve spolupráci s kolegy z laserového Centra HiLASE v čele s Petrem Hauschwitzem z Fyzikálního ústavu AV ČR. Společným cílem je navrhnout a zavést pokro- čilé nanostrukturové úpravy povrchů materiálů, které se běžně používají v medicíně a průmyslu, tím výrazně omezit nebo zcela zabránit přichy- távání mikrobů, a potlačit tak nežádoucí vznik biofilmů. Mechanické odstranění biofilmů totiž často není možné, například u implantátů. „ I přes pokroky ve výzkumu stále neznáme všechny detaily o biofilmech. Chybějí nám in- formace o jejich vnitřní struktuře a organizaci, což je klíčové pro efektivní boj proti nim. Proto je nedílnou součástí naší snahy i samotný zá- kladní výzkum, bez kterého nemůžeme odhalit a pochopit mechanismy vztahu mezi různě efek- tivní přilnavostí mikrobů a tvorbou komplexních
logy) v projektu LasApp se proto zaměřuje na vývoj laserových technologií pro pokročilé povrchové úpravy vybraných materiálů ze zdra- votnického a průmyslového odvětví, které jsou často právě biofilmy kontaminovány. „ Cílem je vytvořit povrchy, které díky speciální struktuře na mikroskopické a nanometrové úrovni brání přilnutí bakterií a dalších mikroorga- nismů, “ vysvětluje Petr Hauschwitz z Fyzikál- ního ústavu AV ČR, vedoucí výzkumného týmu laserového mikroobrábění Centra HiLASE. Laserové strukturování je moderní metoda, která umožňuje precizní úpravy povrchů ma- teriálů na mikro- a nano- úrovni. S využitím špičkových laserových technologií lze vytvářet struktury s detailem v řádu stovek nanometrů, které jsou menší než průměrný rozměr bakterie nebo mikrobu, což výrazně snižuje pravděpo- dobnost jejich přichycení na povrch. Rychlejší a efektivnější mikro- a nanostruktury pro boj s biofilmy Vedle samotného vývoje funkční topografie se týmy zaměřují na zefektivnění laserové výroby s využitím pokročilých technik dyna- mického tvarování laserového svazku pomocí prostorového světelného modulátoru (SLM) a interferenčního obrábění. Tyto metody umožňují rychlejší a efektivnější výrobu povrchů, které lze aplikovat i na složitě tvarované předměty. To je velmi důležité jak pro průmysl, tak pro zdravotnictví. Tato inovace může významně zlepšit způsoby, jak bojovat proti mikrobiální kontaminaci. „ Očekáváme, že naše výsledky povedou k vývoji nových povrchových úprav, které budou schopné eliminovat široké spektrum mikroorganismů a předcházet tvorbě nežádoucích biofilmů, “ do- dává Petr Hauschwitz. Výsledky projektu znamenají významný pří- nos k současným poznatkům o efektivní výrobě funkčních nanostruktur a budou publikovány v prestižních odborných časopisech. Vědecká spolupráce přináší praktické výsledky Interdisciplinární spolupráce mezi mikro- biology z BIOCEV a laserovými specialisty z HiLASE již přináší první hmatatelné vý- sledky. „ Naše společné úsilí vedlo k vytvoření prvních typů povrchových úprav, které snižují riziko mikrobiální kontaminace, “ říká Petr Hauschwitz. „ Tato úspěšná fáze nás utvrzuje v tom, že jdeme správným směrem. Nyní se zamě- říme na další vývoj topografií, abychom rozšířili účinnost proti více typům mikrobů, “ zdůrazňuje. Tyto úpravy mají potenciál, aby zlepšily hy- gienické standardy ve zdravotnictví. Technolo- gie využívající dynamické tvarování laserového svazku a interferenční obrábění nejenže brání přilnutí mikroorganismů a následné tvorbě
biofilmů, ale také výrazně urychlují a zlevňují výrobní procesy. Středočeské Silicon Valley Obě vědecká centra, BIOCEV a HiLASE, jsou součástí vědecko-technologického klastru STAR (Science and Technology Advanced Region), který vznikl v roce 2015 nedaleko Prahy mezi obcemi Vestec, Zlatníky-Hod- kovice a Dolní Břežany. Na území o rozloze 23 km 2 působí více než 1000 vědců a studentů v oblasti biotechnologií, biomedicíny, laserů a laserových aplikací. Obr.: Budova Centra HiLASE v Dolních Bře- žanech (Fyzikální ústav AV ČR)
Výsledky bádání vědců z BIOCEV směřují k návrhům nových léků a léčebných metod, např. proti rakovině, neplodnosti nebo co- vid-19. Fyzici z Dolních Břežan vyvíjejí super- moderní lasery, které se uplatňují v průmyslo- vých aplikacích, medicíně, ve vesmíru i obraně. „ Naším cílem je maximálně využít vědeckého a technologického potenciálu, který představují výzkumné organizace a firmy ve STAR. Pořádáme networkingové a vzdělávací akce, kde společně diskutujeme o možnostech podpory vědců i mezi- oborové spolupráce. Právě takové jako mezi Zde- nou Palkovou a Petrem Hauschwitzem. Výsledky dalších vědeckých synergií napříč přírodními a technickými obory mohou být velkým přínosem pro společnost, “ říká Jana De Merlier, ředitelka STAR klastru. Spojení laserů s mikrobiologií Projekt LasApp rozvíjí centra vědecké exce- lence a kompetence v laserové technice se zaměřením na vláknové a tenkodiskové lasery a jejich potenciální aplikace pro chytrou vý- robu, vesmírné a biotechnologické aplikace. Spojuje excelentní laserová výzkumná centra Akademie věd České republiky s dalšími špič- kovými pracovišti. V tomto případě experti z projektu LasApp a klastru STAR v rámci silně interdisciplinárního přístupu kombinují špičkové laserové technologie s unikátním know-how v oblasti biofilmů. Výzkumníci se mohou opřít o robustní zázemí pro práci s daty, automatizaci, robotizaci a využití umělé inteligence. Součástí projektu je také vývoj technologií pro výrobu speciální a ultra přesné optiky a pokročilých diagnostických metod. Petr SOLIL, petr.solil@biocev.eu, www.lasapp.cz
biofilmů, ” dodává Zdena Palková. Pokročilé laserové technologie otevírají nové možnosti
Výzkumný program RWP3 (Research work package 3; Laser applications in biotechno-
53
CHEMAGAZÍN • 5 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook - professional solution for displaying marketing and sales documents online