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Keime abtöten wie ein Zikadenflügel

Forscher produzieren antibakterielle Titan-Oberfläche

16.06.2014

Bild: V. Daum / Bergmannsheil

Prof. Dr. Manfred Köller und Dr. Christina Sengstock zeigen die mikroskopisch vergrößerte Seitenansicht der nanostrukturierten Titanoberfläche.

Bild: V. Daum / Bergmannsheil

Aufnahme der nanostrukturierten Oberfläche von oben aus dem Rasterelektronenmikroskop.

Bild: V. Daum / Bergmannsheil

Seitenansicht der nanostrukturierten Oberfläche aus dem Rasterelektronenmikroskop.

Von der Natur lernen: Nach diesem Prinzip verfolgen Wissenschaftler des Berufsgenossenschaftlichen Universitätsklinikums Bergmannsheil und der Ruhr-Universität Bochum einen neuen Ansatz, um antibakteriell wirkende Materialien für medizinische Implantate zu entwickeln. Vorbild ist die Zikade, ein Insekt, dessen Flügel aufgrund ihrer besonderen Struktur die Fähigkeit besitzen, Keime abzutöten. Den Wissenschaftlern unter Leitung von Prof. Dr. Manfred Köller (Chirurgische Forschung am Bergmannsheil) und Prof. Dr. Alfred Ludwig (RUB-Institut für Werkstoffe, Werkstoffe der Mikrotechnik) ist es jetzt erstmals gelungen, die spezifische, nur im Nanometerbereich sichtbare Säulenstruktur des Zikadenflügels mit dem Implantat-Metall Titan nachzubilden. In Versuchsreihen bestätigte sich die Vermutung der Forscher, dass diese spezifische Oberfläche des Implantat-Metalls den gewünschten, keimtötenden Effekt hervorruft. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in „Nanotechnology“.

Winzige Säulen zerstören Bakterien

Beim Einbringen von Prothesen und Implantaten in den menschlichen Körper kann es selbst unter höchsten hygienischen Vorkehrungen zu Infektionen kommen. Die daraus folgenden Probleme lassen sich oft nur mit erheblichem Aufwand z. B. mittels einer Revisionsoperation korrigieren. Deshalb arbeiten Wissenschaftler der Chirurgischen Forschung im Bergmannsheil an neuen, antibakteriellen Implantatoberflächen, die das Infektionsrisiko reduzieren. Zunutze machen sich die Forscher neuerdings eine Entdeckung australischer Wissenschaftler: Sie fanden heraus, dass die Flügel der Zikade eine antibakterielle Wirkung haben. Die Ursache für diesen in der Natur bisher einmaligen Prozess ist in der besonderen Struktur der Flügel begründet: Die Oberfläche der Zikaden-Flügel besteht aus einem regelmäßigen Muster von winzigen Säulen, die nur etwa 200 Nanometer hoch sind (1 Nanometer, nm = 1 millionstel Millimeter, mm). Anhaftende Keime „sinken“ auf diesen Nanosäulen ein. Dadurch entstehen mechanische Spannungen und die bakterielle Zellwand des Keims wird so beschädigt, dass er schließlich abstirbt.

Titanoberflächen mit spezieller Nanostruktur

In Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum (Prof. Dr. Alfred Ludwig, Institut für Werkstoffe, Werkstoffe der Mikrotechnik) gelang es, derartige Strukturen aus dem Implantat-Metall Titan nachzubilden. Dazu verwendeten die Werkstoffforscher ein spezielles Magnetron-Sputter-Verfahren (Glancing Angle Sputter Deposition, GLAD). Dies ermöglichte es, Titan-Nanosäulen mit einer Höhe von ca. 80 nm zu generieren. Anschließend prüften die Forscher im Bergmannsheil, inwieweit diese speziellen Oberflächen eine antimikrobielle Aktivität im Vergleich zu einer komplett glatten Titanoberfläche entfalteten. Dazu wurden Testplättchen jeweils mit zwei Bakterientypen besiedelt (Staphylococcus aureus und Escherichia coli). Anschließend prüften die Wissenschaftler mit Fluoreszenz-Farbstoffen das Anhaften und die Überlebensfähigkeit der Bakterien auf den verschiedenen Oberflächen.

Keimtötender Effekt bei Escherichia coli

Die Arbeitsgruppe konnte einen selektiven antibakteriellen Effekt auf gram-negative Escherichia coli, einem verbreiteten Darmbakterium, nachweisen. Die Anzahl der Bakterien nahm signifikant im Zeitverlauf ab. Im Raster-Elektronenmikroskop (REM) wurde sichtbar, dass verbliebene Keime eine irreguläre Morphologie und eine Zerstörung der bakteriellen Zellwand aufwiesen. „Derzeit arbeiten wir daran, diese nanostrukturierten Titanoberflächen weiter zu entwickeln, sodass auch andere Bakterientypen angegriffen und bekämpft werden“, so Prof. Dr. Manfred Köller. Im Fokus der Forscher stehen insbesondere grampositive Keime wie z. B. Staphylococcus aureus.

Originalveröffentlichung:

Christina Sengstock et al.; Structure-related antibacterial activity of a titanium nanostructured surface fabricated by glancing angle sputter deposition. In: Nanotechnology Vol. 25 (2014) Nr. 19.

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