Nanosäulen spießen Bakterien auf

Wissenschaftler der Abteilung für Chirurgische Forschung am Klinikum Bergmannsheil der Ruhr-Uni Bochum entwickelten zusammen mit dem Lehrstuhl Materials Discovery and Interfaces eine nanostrukturierte Oberflächenbeschichtung, die antibakteriell auf Krankenhauskeime wie Staphylococcus aureus wirkt und so die Gefahr der postoperative Infektion von Endoprothesen minimieren kann.

Eine australische Forschergruppe fand auf der Oberfläche der Zikadenflügel (zum Beispiel Psaltoda claripennis) Strukturen mit antibakteriellen Eigenschaften. Bei näherer Untersuchung zeigten sich winzige Säulen aus einem wachsartigem Material. Diese etwa 200 Nanometer kleinen Gebilde können Bakterienzellwände beschädigen.

Die deutschen Forscher nahmen sich die Zikadenflügel zum Vorbild und stellten künstliche Nanosäulen in einer sogenannten Sputter-Anlage her: Beim GLAD (=Glancing Angle Deposition)-Verfahren werden durch ein Plasma einzelne Titanatome aus einer Titanplatte gelöst. Diese treffen schräg auf dem Trägermaterial auf, wo sie haften bleiben und Keime bilden. Im "Windschatten" der Keime lagern sich weitere Atome an, so dass schließlich spitze Säulchen aus Titan entstehen.

In anschließenden Tests kontaminierten die Forscher das Nanomaterial mit gram-negativen Escherichia-coli-Bakterien, von denen viele mechanisch zerstört wurden.

Andere Bakterienarten wie gram-positive Staphylokokken (vor allem Staphylococcus aureus), die bei Implantat-Infektionen eine große Rolle spielen, vermehrten sich im Gegensatz zu E.coli ungehemmt auf dem Nanomaterial. Als Ursachen dafür identifizierten die Wissenschaftler die deutlich stabileren Zellwände von Staphylokokken und die Kugelform, durch die die Bakterien weniger Kontakt zur Materialoberfläche haben.

Silberionen sind bekannt für ihre antibakteriellen Eigenschaften und erzeugen im Unterschied zu Antibiotika so gut wie keine Resistenzen. Um die spitze Säulenstruktur durch die zusatzlichen Silberatome nicht unbrauchbar zu machen, sputterten die Materialforscher nur winzige Nanoflecken auf.

Damit sich aus den Silberatomen die antibakteriell wirksamen Silberionen herauslösen, muss das Silber gezielt korrodieren. Dies geschieht, wenn beim Kontakt zweier Metalle das Metall mit dem niedrigeren elektrochemischen Potenzial Elektronen an das edlere Metall abgibt. Dieses Prinzip der Opfer-Anode ist in der Technik weit verbreitet - beispielsweise verhindern Zink-Elemente das Rosten von Wasserboilern - wurde in der medizinische Anwendung jedoch bislang nicht genutzt.

Als edleres Grundmaterial wählten die Forscher Platin, auf das sie die Silber-Nanoflecken aufsputterten. Mit dem so erzeugten Material konnten die Wissenschaftler schließlich auch Staphylokokken effektiv eliminieren. Den genauen Mechanismus wie die Platin-Silber-Säulchen wirken, können die Entwickler noch nicht genau erklären; sie vermuten die Bildung von nanoskaligen galvanischen Elementen.

Der Vorteil der kleinen Silberflecken ist, dass sie innerhalb von drei Tagen korrodieren. So kann in der ersten Phase nach der Operation eine Infektion verhindert werden. Laut der Wissenschaftler findet postoperativ ein sogenanntes "race for the surface" statt, bei dem Keime und körpereigene Zellen um die Oberfläche konkurrieren.

Hier greift das Nanomaterial ein und bevorteilt körpereigene Zellen, denen die Nanosäulen nicht schaden. Den Forschern zufolge zeigten erste Experimente, dass durch die Säulen bestimmte Blutzellen stimuliert werden, die den Heilungsprozess zusätzlich anregen.

Nadine Ziegler, Christina Sengstock, Viola Mai, Thomas A. Schildhauer, Manfred Köller, Alfred Ludwig: Glancing-Angle Deposition of Nanostructures on an Implant Material Surface. Published online 4 January 2019. DOI: 10.3390/nano9010060. Der wissenschaftliche Beitrag mit Bildern zur Wirkungsweise der Oberflächen erscheint imWissenschaftsmagazin Rubin.