Neue Biomaterialien erschweren Biofilmbildung

Mit Spinnenfäden gegen den mikrobiellen Befall

Bei Wundeinlagen führt der auf der Oberfläche entstandene Biofilm oft zu Entzündungen. Bei Materialien aus der Natur lagern sich dagegen oft keine Bakterien an – Beispiel Spinnenseide. Warum ist das so?

Die Spinne produziert ihre Fäden mithilfe bestimmter Proteine. Diese weisen Strukturmerkmale im Nanobereich auf, die die Grundlage der mikrobenabweisenden Oberfläche bilden. Adobe Stock_

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen den entscheidenden Unterschied. Links: Auf Oberflächen von Polycaprolacton, einem biologisch abbaubaren und in der Medizin häufig angewendeten Kunststoff, bildet sich ein Biofilm. Rechts: Spinnenseide lässt die Entstehung eines Biofilms nicht zu. Gregor Lang

Bei vielen in der Medizin und Zahnmedizin verwendeten Instrumenten und Materialien wie zum Beispiel Wundauf- oder -einlagen sowie Fäden für den Wundverschluss entsteht nach kurzer Zeit ein bakterieller Biofilm auf der Oberfläche. Dies kann zu Entzündungen und Wundheilungsstörungen führen. Bei einigen Materialien aus der Natur lagern sich dagegen keine oder kaum Bakterien an, zum Beispiel bei der Spinnenseide.

Mikrobenabweisend statt antimikrobiell: Bayreuther Forscher haben neuartige Materialien für Wundverschlüsse und Geweberegeneration entwickelt. Nanostrukturen basierend auf Spinnenseide verhindern dabei eine Anhaftung von Bakterien.

Die Spinne produziert ihre Fäden mithilfe bestimmter Proteine. Diese weisen Strukturmerkmale im Nanobereich auf, die die Grundlage der mikrobenabweisenden Oberfläche bilden. Ein Forscherteam des Instituts für Biomaterialien der Universität Bayreuth hat nun gezielt Spinnenseidenproteine biotechnologisch hergestellt und mit unterschiedlichen Nanostrukturen ausgestattet, um die biomedizinisch relevanten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen zu optimieren.

Grafik: Gregor Lang

Krankheitserregende Bakterien – sogar multiresistente Streptokokken (MRSA) – werden daran gehindert, sich an den Oberflächen anzulagern. Die Forscher entwickelten dazu folienartige Beschichtungen von nur wenigen Nanometern Dicke. Solche Beschichtungen könnten in Zukunft Biofilme auf medizinischen Instrumenten, Implantaten, Kontaktlinsen und Prothesen verhindern helfen.

 

Mikrobenabweisend heißt nicht zelltötend

„Die mikrobenabweisenden Eigenschaften der von uns entwickelten Biomaterialien basieren nicht auf toxischen, also nicht auf zelltötenden Wirkungen. Entscheidend sind vielmehr Strukturen im Nanometerbereich, welche die Spinnenseidenoberflächen mikrobenabweisend machen. Krankheitserregern ist es dadurch unmöglich, sich auf diesen Oberflächen festzusetzen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Scheibel, Lehrstuhl für Biomaterialien Universität Bayreuth.

Wichtig für Hautersatz oder die Osseointegration von Implantaten

Mehr noch: Die neuentwickelten Materialien weisen nicht nur Mikroben ab, sie fördern gleichzeitig noch die Anhaftung und Vermehrung menschlicher Zellen. Die Forscher entwickelten neben einer Beschichtung auch ein Hydrogel mit der Struktur eines dreidimensionalen Netzwerks. Dies kann als Gerüst für neu wachsendes Gewebe dienen und könnte einmal beim Hautersatz oder der Osseointegration von Implantaten wichtig werden.

Der Leiter der Forschungsgruppe Biopolymerverarbeitung an der Universität Bayreuth und einer der Erstautoren der Studie, Prof. Dr.-Ing. Gregor Lang, sieht die Reproduktion dieser Eigenschaften auf biotechnologischem Weg als „bahnbrechend“ an. „Faszinierend an diesen Forschungsergebnissen ist auch, dass sich die Natur wieder einmal als ideales Vorbild für extrem anspruchsvolle Materialkonzepte erwiesen hat. Natürliche Spinnenseide ist hochgradig resistent gegen den mikrobiellen Befall.“

Sushma Kumari, Gregor Lang, Elise DeSimone, Christian Spengler, Vanessa Trossmann, Susanne Lücker, Martina Hudel, Karin Jacobs, Norbert Krämer, Thomas Scheibel: Engineered spider silk-based 2D and 3D materials prevent microbial infestation. Materials Today (2020), DOI: dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2020.06.009

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