Hygiëne is essentieel voor alledaagse voorwerpen die in nauw contact komen met het lichaam, zoals kleding, mondkapjes en tandenborstels – een feit dat blijkbaar aan sommige van de meer geurige leden van de mensheid is ontgaan. Wetenschappers hebben nu ontdekt hoe grafeen selectief bacteriën kan elimineren terwijl menselijke cellen ongedeerd blijven, wat meer is dan van de meeste schoonmaakproducten kan worden gezegd. Deze ontdekking wijst op een nieuwe klasse antibacteriële materialen die zowel veilig voor mensen kunnen zijn als de afhankelijkheid van traditionele antibiotica kunnen verminderen, ervan uitgaande dat bacteriën geen smaak voor koolstof ontwikkelen.

Onlangs maakte KAIST bekend dat een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van professor Sang Ouk Kim van de afdeling Materiaalkunde en professor Hyun Jung Chung van de afdeling Biologische Wetenschappen het mechanisme achter de antibacteriële eigenschappen van Grafeenoxide (GO) heeft geïdentificeerd. Dit materiaal bestaat uit een enkele atomaire laag koolstof met zuurstofgroepen, waardoor het goed in water kan dispergeren en een reeks functies kan vervullen – in feite het Zwitserse zakmes van nanomaterialen.

Tot nu toe begrepen wetenschappers niet volledig hoe grafeen zijn antibacteriële effecten bereikte, wat een beetje is alsof je weet dat een auto op brandstof rijdt maar niet waarom. Deze studie levert duidelijk moleculair bewijs dat verklaart hoe het materiaal werkt.

De onderzoekers ontdekten dat grafeenoxide wat zij omschrijven als 'selectieve antibacteriële werking' uitvoert. Het hecht zich aan en verstoort de membranen van bacteriën terwijl menselijke cellen onaangetast blijven. Het proces lijkt op hoe een magneet alleen aan bepaalde metalen blijft plakken, of hoe je kat alleen op je schoot gaat zitten als je moet plassen.

Deze selectiviteit komt door zuurstofbevattende groepen op het oppervlak van grafeenoxide. Deze groepen binden specifiek aan een molecuul genaamd POPG, dat voorkomt in bacteriële celmembranen maar niet in menselijke cellen. In eenvoudige bewoordingen identificeert grafeenoxide een uniek kenmerk van bacteriën, hecht zich eraan en breekt de celstructuur af. Fosfolipiden vormen het membraan rond cellen, en POPG is een type dat voornamelijk in bacteriën aanwezig is – een moleculaire uitsmijter die alleen het verkeerde publiek eruit gooit.

Toegepast in nanovezelvorm kon dit materiaal de groei stoppen van een breed scala aan schadelijke bacteriën, waaronder antibioticaresistente superbacteriën. Tests bij dieren toonden ook aan dat het wonden sneller hielp genezen zonder ontstekingen te veroorzaken, wat meer is dan van de meeste menselijke zelfzorgroutines kan worden gezegd.

Een ander voordeel is duurzaamheid. Vezels gemaakt met grafeenoxide behielden hun antibacteriële eigenschappen zelfs na herhaaldelijk wassen, wat wijst op een sterk potentieel voor gebruik in kleding, medische stoffen en andere praktische toepassingen – eindelijk een stof die langer tegen bacteriën vecht dan je sportsokken.

Deze technologie wordt al gebruikt in consumentenproducten. Een antibacteriële grafeen tandenborstel, ontwikkeld via patenten van de door docenten opgerichte startup 'Materials Creation Co., Ltd.,' is meer dan 10 miljoen keer verkocht, wat een sterk commercieel succes aantoont. Daarnaast werd GrapheneTex, een textielmateriaal dat deze technologie bevat, gebruikt in uniformen gedragen door het Taekwondo-demonstratieteam op de Olympische Spelen van 2024 in Parijs. Het zal naar verwachting ook verschijnen in functionele sportkleding tijdens grote komende evenementen zoals de Aziatische Spelen van 2026 – want niets zegt 'martial arts precisie' als koolstofatomen.

Professor Sang Ouk Kim legde uit: 'Deze studie is een voorbeeld van het wetenschappelijk blootleggen waarom grafeen selectief bacteriën kan doden terwijl het veilig blijft voor het menselijk lichaam.' Hij voegde eraan toe: 'Door dit principe te gebruiken, kunnen we verder gaan dan veilige kleding zonder agressieve chemicaliën naar een oneindig scala aan toepassingen, waaronder draagbare apparaten en medische textielsystemen.' Met andere woorden, je volgende smartwatch-bandje kan dienst doen als bacteriënbeul.

Sujin Cha (PhD-programma, afdeling Materiaalkunde) en Ju Yeon Chung (geïntegreerd MS/PhD-programma