Naše budoucnost patří antivirovým materiálům, říká fyzik Kratochvíl

Pandemie koronaviru zřejmě vyvolá novou technologickou revoluci, týkat se bude povrchu materiálů. Není totiž vyloučeno, že se projekty nových veřejných budov budou vedle energetické náročnosti posuzovat také podle toho, jak bezpečné jsou z hlediska přenosu infekce. Už dnes se na celém světě hledají materiály, na nichž se viry a bakterie udrží co možná nejkratší dobu. Jeden z takových materiálů se podařilo vyvinout i týmu Jiří Kratochvíla z Katedry fyziky Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity. „Pokud jsem někdy pochyboval, zda jsem si studiem fyziky tenkých vrstev zvolil perspektivní vědecký obor, pak mě koronavirová pandemie pochybností rychle zbavila,“ říká v rozhovoru pro INFO.CZ Jiří Kratochvíl.

Obecně se jako o „antivirových“ materiálech píše zejména o stříbru a mědi, které se využívají mimo jiné i jako součást některých roušek a respirátorů. V čem je vámi vynalezený materiál pro viry nebezpečnější než měď?

My jsme, laicky řečeno, vytvořili povlak založený na nanočásticích, tedy na ultra jemných částečkách hmoty, který si můžeme představit jako tenký koberec, na který, když se dostane virus nebo bakterie, dojde ve velmi krátké době k jejich zničení. Pravděpodobnost přenosu infekce je pak závislá na množství virionů (pozn. redakce: virion je virová částice schopná infikovat hostitele), které se dostanou do těla. Z hlediska infekční dávky se u běžné chřipky pohybujeme v řádu zhruba desetitisíců virionů, u střevní chřipky v desítkách, u koronaviru máme něco mezi tím.

V porovnání se samotnou mědí, která má také antivirové a antibakteriální účinky, je po určitém čase na námi připraveném povrchu několikrát méně životaschopných patogenních mikroorganismů, tudíž pravděpodobnost přenosu dostatečného množství virionů na člověka je daleko nižší. Jestliže tedy měď zlikviduje většinu virů na povrchu pod požadovanou úroveň třeba za hodinu, v našem případě to mohou být desítky minut. Právě doba, po kterou virus vydrží být na určitém povrchu aktivní, je pro možný přenos infekce dotykem rozhodující.

Vím, že na svůj materiál budete podávat žádost o patent, nechci tedy úplně detailní vysvětlení. Ale obecně: proč je vámi vyvinutá vrstva založená na nanočásticích pro viry nebezpečnější než třeba zmíněná měď?

Měď má antivirové účinky, jelikož po reakci s vodou uvolňuje měděné ionty, které virus inaktivují. Mimo chemického složení je rychlost reakce odvislá od plochy materiálu, na které může probíhat a nanočástice mají plochu obrovskou. Je to podobné tomu, že stejnou hmotnost polévkových nudlí uvaříte rychleji než tlusté špagety, akorát my nemáme těstoviny, ale nanočástice, které vyrábíme ve vysokém vakuu pomocí nízkoteplotního plazmatu.

Experimentální zařízení pro přípravu nanočástic pomocí tzv. plynné agregace, procesu, který je podobný tvorbě oblačnosti, v našem případě máme místo vodní páry, atomární páry kovů, které nám spontánně agregují do formy nanočástic, které poté ve formě svazku můžeme nanášet na jakýkoli objekt, který do tohoto svazku vložíme.

Patentové řízení ještě nezačalo. Máte už ale na váš vynález nějaké ohlasy ze zahraničí nebo přímo od výrobců materiálů?

Vynález jsme zcela neprozradili, ale i tak máme ohlasů zajímající se o náš projekt dost. Výroba antibakteriálních a antivirových vrstev a materiálů dnes představuje vzhledem k pandemii koronaviru skutečně celosvětový trend. I kdybychom se zbavili Covidu-19, hrozba další virové pandemie tady zůstane. A já si skutečně dovedu třeba představit, že se po současných zkušenostech s koronavirem bude při schvalování stavby a rekonstrukcí různých budov, včetně třeba obchodních center, brát v úvahu i nebezpečí šíření infekce. A přednost budou dostávat materiály s co nejmenším potenciálem pro přenos bakterií či virů.

Co máte konkrétně na mysli? Kliky, dveře, dotykové panely, nákupní vozíky?

Ano, těch předmětů, s kterými člověk přichází do styku ve veřejných budovách, je celá řada. A všechny by v budoucnu mohli procházet určitou prověrkou na přenositelnost patogenů. Třeba takové kliky v nemocnicích. Když dnes přijdete do nemocnice a vezmete v ordinaci nebo na pokoji za kliku, bude většinou plastová. Záleží sice na tom, z jakého plastu, obecně se ale dá říci, že když byly v budovách ještě poměrně nedávno mosazné kliky, jejich antivirový a antibakteriální účinek byl mnohem vyšší.

Myslíte si, že nyní budou nemocnice investovat do mosazných klik?

Nevím, ale za úvahu by to určitě stálo. Ono nejde jen o ušetřené peníze za levnější plastové kliky v porovnání s těmi mosaznými. Podobně je třeba na místě i srovnání antivirovýchúčinků nerezu s mosazí. Nerezová klika sice déle vydrží a vypadá lépe než mosazná, jenže mosaz je proti virům a bakteriím účinná. Odvrácenou stránkou jejího antimikrobiálního účinku ale zůstává fakt, že takový materiál začne brzy černat, nevypadá tak hezky jako nerez či plast.

Teď je ale právě doba na to, abychom zvažovali, který z  materiálů přináší v porovnání výhod a nevýhod lidem větší bezpečí. Kromě materiálů založených na aktivním ničení mikroorganismů, můžeme uvažovat i o klikách z materiálů s nízkou povrchovou energií. Tedy například teflonu. Když bychom se takové kliky dotkli, mastnota s virovými částicemi zůstane na ruce a nebude přenesena na povrch kliky, podobně, jako je těžké přenést kapičku vody z prstu na okvětní list růže.

Teď jste mě přivedl na myšlenku, jak je to vlastně s životností vámi vyvinuté nanovrstvy a dalších podobných antivirových materiálů. Jestliže jejich ničivý účinek pro viry spočívá v postupném úbytku materiálu, přece logicky vrstvy za čas úplně zmizí. Nebo ne?

Přesně tak. Záleží proto na tloušťce této vrstvy. My jsme zjistili, že aby měla naše vrstva požadovaný antivirový účinek, může být i 1000 krát tenčí než lidský vlas. Spotřeba materiálu je proto zanedbatelná. Pokud ale budeme kalkulovat s požadovanou životností, čím déle by měl materiál vydržet, tím musí být silnější. Jedna věc je tedy laboratorní výzkum, včetně toho našeho, a druhá jeho přenesení do praxe a výroby. Tam totiž záleží na kalkulaci nákladů. Já si ale dovedu představit i možnost, že se v budoucnu předměty pokrývaly antimikrobiálními vrstvami opakovaně, v případě že by vrstva zestárla, nanesla by se jiná. Podobně jako v jiných případech by technologie při širším využití měla zlevňovat.

I v odborných časopisech ale vědci často polemizují o tom, zda deklarovaná hrozba přenosu infekce přes kontaminované předměty není přehnaná...

Ano, riziko přenosu infekce vzduchem je určitě mnohem vyšší, o tom není třeba pochybovat. Ale zase záleží případ od případu. Něco jiného je, když se někdo infikovaný dotkne suchou rukou třeba nákupního košíku a něco jiného, když má tu ruku zpocenou nebo si do ní dokonce zakašle. Stačí si vzpomenout, jak se pomocí povrchů ochotně šíří taková střevní chřipka. Či si uvědomit kolikrát za hodinu se člověk dotkne úst buď rukou anebo předmětem, který zrovna držel v ruce. Každopádně vývoj tenkých vrstev a obecně materiálů není důležitý jen pro povrchy, kterých se lidé dotýkají. Podobné materiály se pochopitelně dají využít i jako antivirový prostředek v rouškách a dalších ochranných pomůckách, které brání přenosu viru vzduchem.

Měď a stříbro už se v rouškách využívají. Jsou k těmto účelům vhodné i podobné nanovrstvy, jakou jste vyvinuli?

Do budoucna určitě. Samozřejmě znovu opakuji, že záleží na dalším výzkumu a přenosu technologie do praxe. Obecně jsou ale nanočásticové povrchy s antivirovými účinky využitelné nejen pro pokrývání roušek, ale třeba i ve vzduchových filtrech v prostředích hromadné dopravy, klimatizacích a dalších zařízeních, v nichž cirkuluje vzduch. Vývoj technologií půjde určitě i tímto směrem.

Vysokovýkonné pulzní magnetronové naprašování tenké vrstvy v argonové atmosféře, kdy je nanášen materiál ve formě atomových par. Touto technologií lze pokrýt téměř jakýkoli objekt, který je vložen do nízkoteplotního nerovnovážného plazmatu (na obrázku výboj modré barvy).

Jestli vám každopádně dobře rozumím, pandemie koronaviru spustila novou technologickou revoluci, týkající se povrchů materiálů. Je to tak?

To zcela nepochybně. I v případě patentu, který se chystáme podat, jde o závod s časem, na podobném zadání pracují další stovky vědců na celém světě. Ukazuje se, že výhodu mají v tomto směru pracoviště jako právě Přírodovědecká fakulta Jihočeské univerzity, kde na jednom místě fungují jak laboratoře fyziky, chemie, tak biologických oborů. Myslím, že právě v téhle trojkombinaci biologie, chemie a fyziky, respektive techniky, spočívá budoucnost vývoje nových technologií.

Takže koronavirová pandemie podle vás může při všech tragédiích a problémech přinést pro vědu i pozitivní impulz?

Ano, o tom jsem přesvědčen. Po dlouhé době snižování zájmu veřejnosti o exaktní obory, kdy se ruší povinná maturita z matematiky, se znovu lidé začínají o vědu a výzkum aktivně zajímat, což je pro nás vědce pozitivní, jelikož můžeme veřejnosti dokázat, že výzkum má smysl a že je důležité ho financovat. Navíc nejde totiž jen o výzkum technologií a materiálů s antivirovými účinky. Když se na něco soustředí celosvětová pozornost, většinou to může přinést pokrok i v oblastech, které s původním cílem, což je v tomto případě boj s infekcí, třeba nemusí mít nic společného.

Nikdo dnes nedokáže odhadnout, jakých objevů v oblasti fyziky tenkých vrstev a nanomateriálového inženýrství se v souvislosti s pandemií můžeme ještě dočkat. Jak už jsem zmiňoval, ještě před pár lety jsem někdy trochu pochyboval o tom, zda jsem si jako fyzik zvolil obor, který má dostatečnou perspektivu. Dnes o tom vůbec nepochybuji.

Kdo je Jiří Kratochvíl?

Laureát ceny Česká Hlava v roce 2020. Cena Doctorandus za technické vědy - za výzkum nanomateriálů pro biolékařské aplikace. V roce 2018 získal oceněnění "Young Scientist Award" vydaného Evropskou společností pro materiálový výzkum a je držitelem i několika dalších mezinárodních ocenění pro mladé vědce. Díky svému výzkumu byl v roce 2019 vybrán jako vynikající mladý vědec na prestižní setkání s 39 laureáty Nobelovy ceny v německém Lindau. Pracuje na Katedře fyziky Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity.
SDÍLET
sinfin.digital