Kontrollierte Bakterieninteraktion zur Erhöhung der antimikrobiellen Effizienz von Kupferoberflächen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Karin Jacobs; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich; Professor Dr. Rolf Müller
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415956642

Die Verwendung von antimikrobiell wirksamen Kupferlegierungen kann die Keimbelastung auf Kontaktflächen, u.a. in Krankenhäusern und öffentlichen Einrichtungen, deutlich vermindern und damit die Ausbreitung von Infektionskrankheiten, insbesondere durch antibiotikaresistente Erreger, reduzieren. Die antimikrobielle Effizienz von Kupfer(-haltigen) Oberflächen steht dabei im komplexen Zusammenhang mit deren Oberflächeneigenschaften, welche sich hemmend oder förderlich auf die Keimtötung auswirken können.Ein Ziel dieses Projektes ist es, den Einfluss der topografischen und chemischen Eigenschaften der Substratoberfläche auf die antimikrobielle Effizienz von Kupfer und seinen Legierungen zu quantifizieren. Hierzu muss geklärt werden, weshalb und wie die Bakterien an modifizierten Kupferoberflächen haften und wie dies mit deren antimikrobieller Wirkung in Zusammenhang steht. Eine lasergestützte Oberflächenbearbeitung ermöglicht die gezielte Modulation von sowohl Topografie also auch Oberflächenchemie. Das rein elektrochemische Abtötungsverhalten kupferbasierter Metalloberflächen wird so um topografisch induzierte kontaktmechanische Einflüsse ergänzt. Hierzu werden Strukturen im Größenordnungsbereich der Bakterien durch Direct Laser Interference Patterning (DLIP) erzeugt, wobei die Kontaktfläche der Bakterien zum Substrat über die Strukturparameter gezielt vergrößert oder verkleinert werden soll. Die Verwendung verschiedener Laserpulsdauern (10^-9 bis 10^-15 s) ermöglicht es aufgrund unterschiedlicher Laser-Materialwechselwirkung (Ablation oder Aufschmelzen) die Oberflächenchemie bei ähnlicher Topografie gezielt zu variieren. Dieser Prozess sowie dessen Einfluss auf die Benetzbarkeit der Oberflächen werden quantitativ mittels hochaufgelöster mikrostruktureller und chemischer Charakterisierungsmethoden analysiert und mit dem Abtötungsverhalten der Oberflächen korreliert. Zum tiefergehenden Verständnis der Bakterien/Substrat-Interaktion wird die Adhäsion der Keime auf den unterschiedlichen modifizierten Oberflächen durch die Aufnahme von Kraft/Distanzkurven mit Einzelzell-Sonden im AFM-Verfahren untersucht. Ein weiteres Ziel ist die Risikobewertung der Resistenzausbildungen von Bakterien in Kontakt mit modifizierten Kupferoberflächen. Bakterienstämme, die in den Experimenten eine Resistenz entwickeln konnten, werden hierzu auf Veränderungen in ihren charakteristischen pathogenen Eigenschaften wie der Viabilität, dem Proliferationsverhalten und der Virulenz getestet. Hierbei werden, neben der Untersuchung der Kultivierbarkeit und der Veränderung der MHK-Werte resistenter Keime, die Kupfer-Resistenzmechanismen isolierter mutierter Stämme durch Genom- und Transkriptomstudien ermittelt.Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse zum Zusammenhang der Oberflächeneigenschaften von Kupferwerkstoffen und deren antimikrobieller Effizienz sollen zukünftig eine gezieltere, effiziente Konzeption und Anwendung für deren antimikrobiellen Einsatz ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen