Un importante vantaggio di questo metodo è che previene o riduce la formazione di biofilm senza dover ricorrere ad antibiotici o metalli tossici; può essere applicato anche in ambiti diversi da quello sanitario, dallo stoccaggio del biogas alla cattura del carbonio, dalla catalisi all’estrazione di acqua dall’aria del deserto.
I batteri che si moltiplicano sulle superfici rappresentano un grosso problema in ambito sanitario quando si insediano, ad esempio, in impianti o cateteri.
I ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia hanno scoperto una nuova arma per combattere questi focolai di crescita batterica, che non si basa su antibiotici o metalli tossici.
La chiave sta in un’applicazione completamente nuova del materiale vincitore del Premio Nobel di quest’anno: le strutture metallo-organiche. Questi materiali possono fisicamente infilzare, perforare e uccidere i batteri prima che abbiano il tempo di attaccarsi alla superficie. Perché una volta che i batteri si attaccano a una superficie, iniziano a moltiplicarsi avvolgendosi in quello che è noto come biofilm, un rivestimento viscoso e viscido che li protegge e ne rende difficile l’eliminazione.
I biofilm prosperano particolarmente bene in ambienti umidi e possono rappresentare una seria sfida in ambito sanitario. Ad esempio, i batteri possono attaccarsi a dispositivi medici come cateteri, protesi d’anca e impianti dentali e causare infezioni nosocomiali, un problema diffuso in tutto il mondo che causa grande sofferenza e costi sanitari elevati, oltre a un aumento del rischio di sviluppo di resistenza agli antibiotici.
I biofilm possono formarsi anche sugli scafi delle navi, dove possono causare un fastidioso biofouling algale e la crescita di cirripedi, rallentando la nave e aumentandone il consumo di carburante. Inoltre, per contrastare questo problema, sugli scafi delle navi vengono spesso utilizzate vernici antivegetative contenenti biocidi tossici, con il rischio associato di rilascio di sostanze nocive nell’ambiente marino. Anche i biofilm nei sistemi di tubazioni industriali rappresentano un problema diffuso che può causare corrosione, intasare i sistemi, ridurne l’efficienza e aumentare il consumo energetico, ad esempio.
Un nuovo modo di utilizzare le strutture metallo-organiche – I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno ora scoperto un nuovo modo per attaccare i biofilm rivestendo le superfici con nanostrutture – strutture metallo-organiche – che uccidono meccanicamente i batteri. L’articolo “Mechano-Bactericidal Surfaces Achieved by Epitaxial Growth of Metal-Organic Frameworks” è stato pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Science. Lo studio è stato condotto dal gruppo di ricerca del professor Lars Öhrström presso il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica e dal gruppo del professor Ivan Mijakovic presso il Dipartimento di Scienze della Vita.
“Il nostro studio dimostra che queste nanostrutture possono agire come minuscole punte che danneggiano fisicamente i batteri, semplicemente perforandoli e provocandone la morte. Si tratta di un modo completamente nuovo di utilizzare queste strutture metallo-organiche”, afferma l’autore principale dello studio, Zhejian Cao, dottore di ricerca in Ingegneria dei Materiali e ricercatore presso Chalmers.
Il rivestimento è strutturato in modo da poter essere applicato su una varietà di superfici e integrato in altri materiali. Un importante vantaggio di questo metodo è che previene o riduce la formazione di biofilm senza dover ricorrere ad antibiotici o metalli tossici. “Combatte un grave problema globale, poiché elimina il rischio che il controllo dei batteri porti alla resistenza agli antibiotici“, afferma Zhejian Cao.
Una sfida per trovare la giusta distanza tra le nanopunte – I framework metallo-organici (MOF) sono una nuova classe di materiali con proprietà eccezionali in cui gli ioni metallici sono interconnessi in strutture tridimensionali con ampie cavità e canali. I ricercatori che hanno sviluppato questa classe di materiali hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2025 e la speranza è che questi materiali possano essere utilizzati per diversi scopi, dallo stoccaggio del biogas alla cattura del carbonio, dalla catalisi all’estrazione di acqua dall’aria del deserto. Nel loro studio, i ricercatori di Chalmers hanno esplorato una funzione completamente diversa per i MOF.
“Ci sono stati precedenti tentativi di utilizzare strutture metallo-organiche per scopi antibatterici, ma in quei casi i batteri venivano uccisi da ioni metallici tossici o agenti antimicrobici rilasciati dai MOF. Invece, abbiamo coltivato un MOF sopra l’altro, il che si traduce nella formazione di nanopunte affilate in grado di perforare e uccidere i batteri quando si avvicinano”, afferma Zhejian Cao.
Le nanopunte sono state create controllando la crescita cristallina nel materiale e una delle sfide più grandi è stata trovare la giusta distanza tra le nanopunte per massimizzarne l’effetto. “Se la distanza tra le nanopunte è troppo grande, i batteri possono scivolare attraverso e attaccarsi alla superficie. Se la distanza è troppo piccola, tuttavia, lo stress meccanico esercitato dalle nanopunte sulla capsula cellulare batterica può essere ridotto, consentendo ai batteri di sopravvivere – lo stesso principio che permette di sdraiarsi su un letto di chiodi senza farsi male”, afferma Zhejian Cao.
Possibilità di realizzare una produzione su larga scala – Lars Öhrström è coautore dello studio e lavora con strutture metallo-organiche da 30 anni. Sottolinea che l’utilizzo di rivestimenti MOF per il controllo dei batteri sulle superfici offre numerosi vantaggi pratici rispetto ad altre soluzioni.
“Questi rivestimenti possono essere prodotti a temperature molto più basse rispetto, ad esempio, ai sistemi di grafene precedentemente sviluppati presso Chalmers. Ciò facilita la produzione su larga scala e consente di applicare i rivestimenti a materiali sensibili alla temperatura, come le materie plastiche utilizzate negli impianti medicali. Inoltre, i polimeri organici nelle strutture metallo-organiche possono essere creati da materie plastiche riciclate, con il potenziale di contribuire a un’economia circolare”, afferma Lars Öhrström.
La ricerca è stata finanziata dalla Knut and Alice Wallenberg Foundation nell’ambito della Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE), e da NordForsk, dalla Novo Nordisk Foundation, dall’Independent Research Fund Denmark, dallo Swedish Research Council e dalle aree di avanzamento Nano, Materials, and Health di Chalmers.
foto: immagine al microscopio elettronico a scansione della superficie MOF-on-MOF con nanopunte affilate che uccidono i batteri. L’immagine è stata scattata nella camera bianca di Myfab presso la Chalmers University of Technology. Alcune parti dell’immagine sono state colorate. Crediti: Chalmers University of Technology | Zhejian Cao
