Antimicrobial Copper - Functional Surfaces and Factors of Toxicity

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 247643033

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Konkret konnte in Projektabschnitt A nachgewiesen werden, dass der direkte Kontakt zwischen Bakterien und metallischen Oberflächen bei standardisierten Abtötungsversuchen berücksichtigt werden muss. Modelloberflächen, die diesen Kontaktzustand durch gezielte topographische Gestaltung variieren, wurden erzeugt und untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Topographie in diesem Fall bei vergleichbarer Ionenabgabe nicht den maßgeblichen Faktor darstellt. Weitere Untersuchungen hierzu sind geplant. In Projektabschnitt B wurde das vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung metallischer Oberflächenpattern mit minimaler Topographie erfolgreich umgesetzt. Hierbei wurden für zukünftige Arbeiten elementare Prozessparameter für die Laser-Interferenzlithographie identifiziert. Der Einfluss der so gestalteten, metallisch-strukturierten Oberflächen zeigte sich jedoch nicht wie erwartet als primär elektrochemischer Natur. Vielmehr wurde die relative, zur Verfügung stehende Kupferfläche als möglicher Hauptfaktor bewertet. Innerhalb von Projektabschnitt C konnte gezeigt werden, dass die Adhäsion von Bakterien durch eine gezielte Laser-Interferenzstrukturierung von Oberflächen gesteuert werden kann (Abnahme der Adhäsion um Faktor 5 bei strukturierten im Vergleich zu unstrukturierten Proben). Die genaue Interpretation des Struktureinflusses gestaltete sich hier allerdings als schwierig, da die eingesetzte optische Methode aufgrund eines starken Strukturkontrasts nicht auf allen Oberflächen eine klare Auswertung zuließ. Für zukünftige Untersuchungen wird die confocal laser scanning microscopy als vielversprechende Ausweichmethode angesehen. Somit wurden die konkreten Hauptziele des Projekts größtenteils erfolgreich umgesetzt. Abweichungen vom ursprünglichen Forschungsplan wurden begründet. Zukünftige Lösungsansätze für identifizierte Probleme wurden formuliert. Zusätzlich zum geplanten Projektumfang wurde eine Strukturaufklärung bei Bakterien während des contact killings mittels REM/FIB Methoden betrieben und eine optimiertes Präparationsverfahren für diese Art von Proben entwickelt.

Publications

• „Anisotropic wetting of copper alloys induced by one-step laser micro-patterning” Appl. Surf. Sci. 263, 416–422 (2012)
  M. Hans, F. Müller, S. Grandthyll, S. Hüfner, F. Mücklich
  
• “Role of copper oxides in contact killing of bacteria” Langmuir 29, 16160–66 (2013)
  M. Hans, A. Erbe, S. Mathews, Y. Chen, M. Solioz, F. Mücklich
  
• „Contact killing of bacteria on copper is suppressed if bacterial-metal contact is prevented and is induced on iron by copper ions” Appl. Environ. Microbiol. 79, 2605–11 (2013)
  S. Mathews, M. Hans, F. Mücklich, M. Solioz
  
• „Laser cladding of stainless steel with a copper-silver alloy to generate surfaces of high antimicrobial activity” Appl. Surf. Sci. 320, 195–199 (2014)
  M. Hans, J.C. Támara, S. Mathews, B. Bax, A. Hegetschweiler, R. Kautenburger, M. Solioz, F. Mücklich
  
• “Imaging structural damage of bacteria on antibacterial copper - A scanning electron microscopy study using FIB-cross sectioning” Pract. Metallogr. 4 (2015)
  M. Hans, A.L. Rojan, F. Mücklich
  
• „Massive Kupferwerkstoffe in der Hygiene und Infektionsprävention" Hyg Med 40,11 (2015): 458-463
  G. Grass, M. Hans, F. Mücklich, M. Solioz, C. Rensing