Antimikrobieller Effekt nano-rauer Titanoberflächen: Reduktion mikrobieller Adhäsion und Mechanismen der Reduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Axel Brakhage, Ph.D.; Professor Dr. Klaus D. Jandt
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277895617

Mit bis zu 600.000 Fällen in Deutschland pro Jahr, davon 40.000 Todesfälle, sind Krankenhausinfektionen (nosokomiale Infektionen) ein großes sozioökonomisches Problem. Implantate tragen mit bis zu 45% zu diesen Infektionen bei. Diese biomaterialassoziierten Infektionen (BAIs) sind häufig mit der Besiedelung der Biomaterialoberflächen durch Mikroorgansimen verbunden. So treten BAIs z. B. bei 2-6% der orthopädischen Implantate in der Unfallchirurgie auf. Die Osteosynthese (Ausrichtung und Fixierung von Knochenbrüchen) ist bei Patienten mit offenen Knochenbrüchen in bis zu 40% der Fälle mit einer Infektion verbunden. Auf dem Gebiet der Osteosynthese werden häufig Titan-Implantate eingesetzt.Die Möglichkeiten zur Infektionskontrolle wurden in den letzten Jahren aufgrund der Zunahme von antibiotikaresistenten Bakterienstämmen erschwert. Gleichzeitig ist die Zahl der Implantationen von Biomaterialien bei älteren Patienten, die aufgrund ihres allgemeinen Gesundheitszustands anfällig für Infektionen sind, stark angestiegen. Vor diesem Hintergrund ist der Bedarf an neuen, antibiotikafreien Ansätzen zur Bekämpfung von BAIs offensichtlich.Die meisten der aktuell verwendeten Implantate verfügen über keine Mechanismen zur Abwehr mikrobieller Besiedelung und können damit der Ausgangspunkt für lokale und systemische Infektionen sein. Derzeit diskutierte Lösungsansätze, wie Metalle (z. B. Silber oder Kupfer) oder antibiotikahaltige Implantatbeschichtungen sind mit Nachteilen verbunden (Zytotoxizität, ungünstige Wirkstoff-Freisetzungskinetik, begrenzte Wirkungsdauer, Förderung von Antibiotikaresistenzen, etc.) und haben, bis auf wenige Ausnahmen, keine befriedigenden Ergebnisse unter klinischen Bedingungen gezeigt.Ein neuer Ansatz, die Zahl von BAIs und die Anheftung von Mikroorganismen auf Biomaterialoberflächen zu reduzieren, ist die Verwendung von Biomaterialien mit nanorauen Oberflächen, z. B. bei Implantaten aus Titan. Erste Forschungsergebnisse unserer Gruppen sind ermutigend: auf Titanoberflächen mit Rauheiten im Bereich von 2 bis 6 nm wurde eine statistisch signifikant geringere mikrobielle Adhäsion im Vergleich zu den glatteren Kontroll-Oberflächen beobachtet. Wie die Nanorauigkeit von Titanoberflächen die Adhäsion pathogener Mikroben stört, ist allerdings noch unklar, und die zugrundeliegenden Mechanismen der Haftung auf nanorauen Oberflächen sind nicht aufgeklärt. Das Ziel dieses Projektes ist es deshalb, die kausale Beziehung zwischen Nanorauheit von Titan und mikrobieller Adhäsion aufzuklären. Ein Haupthindernis für den Erkenntnisgewinn und den wissenschaftlichen Fortschritt auf dem Gebiet nanorauer antimikrobieller Biomaterialien ist die bisher fehlende intensive Zusammenarbeit von Materialwissenschaftlern und Mikrobiologen. Dieses Projekt wird dazu beitragen, die Lücken im Verständnis der Mechanismen der mikrobiellen Adhäsion auf nanorauen Oberflächen zu schließen und die synergistische Zusammenarbeit zwischen beiden Disziplinen zu fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen