Polymerer med exponerade grafenkanter: nya antibakteriella material för medicintekniska applikationer (avslutat)

Syfte och mål
Bakterier – som binder till och bildar biofilm – på medicintekniska produkter är mycket vanligt förekommande och kan både orsaka allvarliga medicinska komplikationer för patienterna och stora ekonomiska konsekvenser för vårdgivarna. Därför vore ett prisvärt nytt material som effektivt kan förhindra att bakterier sätter sig på det, samtidigt som det är säkert för både patienter och miljö, en stor konkurrensfördel för en mängd olika medicintekniska produkter.
I detta projekt vill vi kommersialisera vår nygjorda upptäckt att grafenkanter på en beläggning med vertikalt riktad grafen effektivt dödar bakterier. Hela projektet är strömlinjeformat för att ge kortast möjliga väg från den grundläggande upptäckten till en kommersiell produkt.

Planerat upplägg och genomförande
2Dfab kommer att ta fram grafen av rätt kvalitet, två forskargrupper på Chalmers kommer att dels utveckla tillverkningsprocesser för att inkorporera grafen i polymerer och dels utvärdera materialens antibakteriella egenskaper. Wellspect kommer slutligen att använda de nya antibakteriella polymermaterialen för att utveckla nya eller förbättrade medicintekniska produkter.

Resultat
Målet var att utveckla en kostnadseffektiv tillverkningsprocess för polymermaterial med en antibakteriell yta. Det har projektet uppnått. 2Dfab bidrog med grafenprover och kunskap om grafens egenskaper. Forskargrupperna på Chalmers bidrog med bearbetning av grafeninnehållande polymerer (Kádár-gruppen) och utvärdering av antibakteriella egenskaper på framtagna prover (Mijakovic-gruppen). Wellspect bidrog med perspektiv från användare och tillverkare och krav på medicintekniska produkter.

En relativt enkel tillverkningsprocess har utvecklats, innefattande extrudering med efterföljande kapning och etsning, som kan översättas till industriell skala. Effekterna av polymermatrisens egenskaper, extruderingsparametrar och grafeninnehåll undersöktes samt även steg för kapning och etsning av extruderade prover för att åstadkomma den önskade antibakteriella ytan. En grundläggande förståelse för den utvecklade tillverkningsprocessen har skapats och relevanta värden på faktorer har identifierats. Med enhetlig fördelning och orientering av grafenflingorna har grafeninnehållet stor inverkan på den antibakteriella effekten. Det är troligen direkt kopplat till avståndet mellan exponerade grafenkanter. Med den utvecklade tillverkningsprocessen kan en yta med mycket hög antibakteriell effekt (>99.9%) tillverkas.

Användning av det antibakteriella materialet i medicintekniska produkter beror på hur kostnadseffektiv en uppskalad tillverkningsprocess kan bli. För att komma vidare och kunna bedöma kostnaden för den antibakteriella ytan behövs arbete på uppskalning av processen.

Projektet har skickat två vetenskapliga artiklar för publicering och Wellspect har skickat in en patentansökan.

Abstract in English

The aim was to develop a cost-effective manufacturing process of polymer materials with an antibacterial surface. In conclusion this has been achieved. 2Dfab provided graphene samples and knowledge on graphene characteristics. The two Chalmers research groups provided processing of graphene containing polymers (Kádár group) and evaluation of the produced materials antibacterial properties (Mijakovic group). Wellspect provided user and manufacturer perspective and requirements for medical device products.

A relatively simple manufacturing process has been developed, comprising extrusion with subsequent cutting and etching, that can be translated to industrial scale. The effects of polymer matrix properties, extrusion parameters and graphene content were investigated as well as steps for cutting and etching of extruded samples to achieve the desired antibacterial surfaces.

A fundamental understanding of the developed manufacturing process has been acquired and relevant factor values have been identified. With uniform distribution and orientation of the graphene flakes the graphene content greatly effects the antibacterial efficiency. This is most likely directly linked to the spacing between the exposed graphene edges. Using the developed manufacturing process a surface with very high antibacterial effect (>99.9%) can be produced.

The use of the antibacterial material in medical devices depends on how cost-effective a scaled-up manufacturing process can become. Work on scale-up of the process to estimate the cost of the antibacterial surface is needed for further progress.

The project has submitted two scientific papers for publication and Wellspect has filed one patent application.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (1) 2017

Projektpartners: Dentsply IH/Astra Tech, Chalmers tekniska högskola, 2D fab

Projektledare: Magnus Svensson

E-mail: magnus.svensson@wellspect.com

Bidrag: 3 052 000 kr

Projektets löptid: 1 juli 2017- 30 juni 2019

Relaterade projekt:
Grafenlager för att förhindra kateterrelaterad urinvägsinfektion (avslutat)

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: