Forscher haben eine mit nanoskaligen Stacheln bedeckte Siliziumoberfläche entwickelt, die ein weit verbreitetes Virus, das insbesondere bei Säuglingen und Kleinkindern Atemwegserkrankungen verursacht, mit einer Effizienz von bis zu 96 % wirksam durchdringen und zerstören kann. Mit dieser Technologie können Forscher, medizinisches Personal und Patienten vor der Ausbreitung des Virus geschützt werden.

Unter den vier Stämmen des humanen Parainfluenzavirus (HPIV) ist HPIV-3 der virulenteste und kann bei Säuglingen und Kleinkindern Bronchitis, Tracheitis oder Lungenentzündung verursachen. Jedes Jahr kommt es zu saisonalen Ausbrüchen einer HPIV-3-Infektion, wobei das Virus über die Luft oder durch direkten oder indirekten Kontakt mit kontaminierten Oberflächen verbreitet wird.

Derzeit gibt es keine Impfstoffe oder antiviralen Medikamente zur Vorbeugung oder Behandlung einer HPIV-3-Infektion, daher hat die Aufrechterhaltung der allgemeinen Hygiene und Oberflächenhygiene oberste Priorität. Jetzt haben Forscher der Universität Rovira e Vergeli (URV) in Spanien und des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University) in Australien zusammengearbeitet, um eine mit Spikes versehene Siliziumoberfläche mit überraschenden virustötenden Eigenschaften zu entwickeln.

Inspiriert von Libellenflügeln haben Forscher der RMIT University die Wirksamkeit der „mechanischen Sterilisierung“ nanoskaliger Spikes aus Titan nachgewiesen, um antibiotische Superbakterien auf ihren Oberflächen abzutöten. Ebenso kannte Pauling Insekten mit antibakteriellen Flügeln. „Insekten wie Libellen oder Zikaden haben Flügel mit Nanostrukturen, die Bakterien und Pilze durchdringen können“, sagte er.

Aber Viren sind anders. Sie sind kleiner als Bakterien, daher müssen auch die Nanonägel, mit denen sie abgetötet werden, kleiner sein. Obwohl die antiviralen Eigenschaften von Schwermetallen und ihren Derivaten intensiv untersucht wurden, geht man davon aus, dass Viren aufgrund der Freisetzung von Metallionen und der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Membranen und Proteine ​​schädigen, inaktiviert werden. Daher entschieden sich die Forscher in der aktuellen Studie für die Verwendung von mit Bor dotierten Siliziumwafern.

Vladimir Paulin, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, sagte: „In diesem Fall haben wir Silizium verwendet, weil es technisch weniger komplex ist als andere Metalle.“

Um die scharfen Oberflächen zu erzeugen, verwendeten sie plasmareaktives Ionenätzen, ein Verfahren, bei dem ein chemisch reaktives Plasma verwendet wird, um auf dem Wafer abgelagertes Material zu entfernen, was es den Forschern ermöglicht, die Höhe und den Abstand der nanoskaligen Spitzen fein abzustimmen. Die resultierende Oberfläche ist mit 2 Nanometer dicken Stacheln bedeckt – 30.000 davon könnten in ein menschliches Haar passen – und ist nur 290 Nanometer hoch. Der Durchmesser von HPIV-3-Viruspartikeln liegt zwischen 100 Nanometern und 420 Nanometern.

Oberflächen, die 1, 3 und 6 Stunden lang mit HPIV-3 inkubiert wurden, wurden unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und zeigten, dass die Viruspartikel nach 6 Stunden Inkubation auf Siliziumoberflächen ohne zusätzliche Spikes ihre übliche Form beibehielten. Allerdings wurde auf der mit Spikes versehenen Oberfläche die Form der HPIV-3-Partikel beeinflusst; Nach 1 und 3 Stunden Inkubation drangen die scharfen Spitzen der Spikes in die Partikel ein und verformten sie. Nach sechs Stunden verlieren die Pellets ihre Luft. Zu jedem Zeitpunkt gab es einen signifikanten Rückgang infektiöser Viruspartikel auf der Nanonagel-Silikonoberfläche: 74 % nach einer Stunde, 85 % nach drei Stunden und 96 % nach sechs Stunden.

Bei Tests an Bakterien stellten die Forscher fest, dass die Nanospikes auch für diese tödlich waren. Sie waren in der Lage, Zellen von zwei häufigen Bakterien, die mit Krankenhausinfektionen in Verbindung gebracht werden, Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus („Staphylococcus aureus“), zu zerstören, wenn auch nicht so effektiv wie HPIV-3. Nach 18 Stunden Inkubation betrug der Anteil nicht lebensfähiger Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus 15 % bzw. 25 %.

Die Ergebnisse belegen die Wirksamkeit der Verwendung von Silizium-Nanonägeln als viruzide Wirkstoffe. Die Forscher gehen davon aus, dass diese Technologie in Labors und medizinischen Zentren eingesetzt wird, in denen potenziell gefährliche biologische Materialien gelagert werden, wodurch diese Umgebungen für Forscher, medizinisches Personal und Patienten sicherer werden.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift ACSNano veröffentlicht.