Forskning

Smarta material i kampen mot antibiotikaresistenta bakterier

Ken Welch och doktorand Oscar Jansson belyser titanytor med UV-ljus på Ångströmlaboratoriet

Varje gång vi får ett implantat inopererat i kroppen löper vi risk att drabbas av en infektion. Bakterier vi normalt lever i symbios med kan plötsligt utgöra ett hot mot vår hälsa. För att lösa problemen med infektioner och antibiotikaresistenta bakterier använder sig nyblivne professorn Ken Welch av nanoteknologi och funktionella material.

I Sverige opereras tiotusentals implantat in i människor varje år. För det mesta fungerar implantaten väl. Men i 1 procent av höft- eller knäimplantat och, upp till 10 procent av dentalimplantaten, uppstår komplikationer. Orsaken är bakterier – däribland sådana som är resistenta mot antibiotika. Siffran låter kanske inte så dramatisk men den stiger i takt med att behoven av implantat ökar, säger Ken Welch vid institutionen för teknikvetenskaper. Han leder en forskargrupp som arbetar med att utveckla nya, effektiva strategier för att bekämpa infektionerna. 

– Hela tiden tillverkas det fler implantat och nya varianter på alltifrån knä- och höftledsproteser till lins- och tandimplantat, katetrar och pacemakers. Men fler implantat leder till fler infektioner. De innebär inte bara ett stort lidande för den enskilde individen utan också en väldigt stor kostnad för samhället, säger Ken Welch.

Dessutom kan vissa bakterier bara behandlas med en eller två slags antibiotika. Därför undviker läkarna i det längsta att använda dessa medel: skulle bakterierna utveckla resistens mot de sista formerna av antibiotika har man ingenting kvar, enligt Ken Welch.

– Den kanske största utmaningen är att hitta tekniker som kan bekämpa de här antibiotikaresistenta bakterierna. Vi måste dessutom utveckla nya antibiotika och smartare sätt att administrera dem.

Antibiotika direkt vid implantatet

Ett av dessa smarta sätt som Ken Welch forskar på handlar om att utveckla beläggningar för biomaterial så att implantatytan kan laddas med antibiotika. När antibiotika läggs direkt vid implantatet går det åt betydligt mindre mängder antibiotika och koncentrationen är högre där den bäst behövs. Nackdelen är att effekten är tidsbegränsad - när antibiotikan väl släpper från ytan går det inte att sätta in mer antibiotika, förklarar han.

– Dessutom är risken för bakteriekontaminering stor precis vid inoperering av implantat. Det är väldigt svårt att göra området så pass sterilt att man inte får med några bakterier alls. Bara i och omkring vår kropp har vi tio gånger så många bakterier som vi har celler i vår kropp. De flesta lever vi i symbios med. Men om bakterierna hamnar på främmande ställen där de inte ska vara som proteser och implantat, då blir det problem, säger Ken Welch. 

Ett annat av hans forskningsfokus är en teknik där silver läggs in i ytbeläggningen på ett implantat. På så sätt frigörs silverjoner, kända för sina antibakteriella egenskaper. Silver finns till exempel i vissa plåster och även som hälsotillskott i form av koloidosilver. Men på grund av de hälsorisker som är kopplade till användningen av silver kommer det enligt Ken Welch att krävas mer ingående studier av metallens toxiska egenskaper innan tekniken kan komma att användas på patienter.

Fotokatalys slår ut bakterier

När titanoxidbeläggningen belyses, triggas en
kemisk reaktion. FOTO: MATS KAMSTEN

Hans forskargrupp arbetar även på en tredje teknik som går ut på att belägga implantat med en så kallad fotokatalytisk yta. Ett material som ofta används för implantat är titan, ett grundämne som ben lätt kan binda till. Ken Welch och hans kollegor har tagit fram en titandioxidbeläggning med en kristallartad struktur. När den blir belyst, triggas en kemisk reaktion.

– Då bildas små reaktiva syreföreningar som oxiderar organiskt material, det vill säga bränner bort kluster av bakterier, säger Ken Welch. Den här fotokatalystekniken kan användas för att komma åt infektioner vid implantat som vi har möjlighet att lysa på, exempelvis hudpenetrerande implantat.

Vid avdelningen för nanoteknologi och funktionella material, liksom på övriga Ångströmlaboratoriet, finns de instrument och verktyg forskargruppen behöver för att framställa sina material. Men trots många samarbeten över campusområdena skulle han gärna se ännu bredare kontaktnät.

– När man jobbar med kroppen är det otroligt viktigt att vi som jobbar med material kan förstå problematiken från andra sidan, säger Ken Welch. Han tillägger:

– Mitt nästa mål är att ta ett stort kliv närmare den kliniska användningen av någon av dessa antibakteriella tekniker i samband med implantat. Det tänker jag göra genom att knyta ännu fler kontakter och starta samarbeten med till exempel infektionsläkare på Akademiska sjukhuset. De förstår vad behovet är, kan ge feedback och hjälpa oss att utveckla rätt typ av tekniker.

---

Utforska vidare:

Film: Ken Welchs installationsföreläsning

Uppsala universitets forskning inom nanoteknologi och funktionella material

Kontakta Ken Welch

2017-02-02