Von der Zikade abgeguckt

Nanosäulen spießen Bakterien auf

Eine antibakterielle Oberflächenbeschichtung soll künftig verhindern, dass sich Prothesen postoperativ infizieren. Bionisches Vorbild: eine australische Zikadenart.

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.

Nanosäulen als Bakterienkiller

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.

Mit Nanosäulchen beschichtete Materialprobe | Ruhr Uni Bochum, Damian Gorczany

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

Staphylokokken unbeeindruckt

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.

Silber-Tuning für die Nanosäulen

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.

Effektive Waffe gegen Krankenhauskeime

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.

"Race for the surface"

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.

Hintergrund

Im Jahr 2017 wurden in Deutschland laut Statistischem Bundesamt über 238.000 Hüft- und knapp 192.000 Knie-Endoprothesen transplantiert. In bis zu fünf Prozent der Fälle entzünden sich die Gelenke postoperativ. Oftmals besiedeln Bakterien dabei die Oberflächen der Implantate, da an Fremdkörpern das körpereigene Immunsystem weniger wirksam ist. Einmal angeheftet, bilden die Bakterien einen Biofilm, unter dem sie sich ungehindert von Imunzellen oder Antibiotika vermehren können.

In diesen Fällen muss die betroffene Endoprothese meistens wieder entfernt und der Patient intensiv mit Antibiotika behandelt werden. Erst dann kann in einer weiteren Operation ein neues Gelenk eingesetzt werden. Hier greift die Oberflächenmodifikation der Bochumer Wissenschafler, die das Anheften der Keime an das Implantat mechanisch verhindert. Bislang schrieb man vor allem chemischen Prozessen die Fähigkeit zu, Bakterien in der Natur effektiv zu eliminieren.

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 im Wissenschaftsmagazin Rubin.

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