Entwicklung und Validierung von antibakteriellen Plasmananofilmen mittels mikrosystembasierten thermischen Sensorsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine antibakterielle AMP-haltige Beschichtung mittels Atmosphärendruckplasma auf Titanproben realisiert. Dabei sind drei Bakterienstämme E. faecalis T9, S. aureus ATCC29213 und E. coli ATCC25922 zum Einsatz gekommen. In einem Vergleich der Beschichtungsstoffe Octanol, Isopropanol und Ethanol hat sich Octanol als vielversprechender Beschichtungsstoff herausgestellt. Jedoch ist die Reduktion der Keimlast bei diesem auf einem ähnlichen Niveau wie das der unbeschichteten Proben und somit allein in diesem Versuchsaufbau nicht beitragend zum Ziel. Ein weiterer Test mit verschiedenen Lösetechniken hat ein gleiches Bild gezeichnet, wie das mit der Standardlösetechnik von dreimaligem Tauchen in DI-Wasser. Da Octanol als Alkohol eine desinfizierende Wirkung besitzt, kann sich diese vermutlich durch die Plasmabeschichtung an die Oberfläche nicht entfalten oder das Octanol hat keine Langzeitwirkung über 24 Stunden. Mehrfache Octanolbeschichtungen erzeugen eine stärkere antibakterielle Oberfläche, doch ist bei der maximal durchgeführten Abscheidung von vier Schichten Octanol noch keine Reduktion des Bakterienwachstums unterhalb der unbehandelten Titanoberfläche zu sehen. So sind auf der vierfachbeschichteten Oberfläche 21 % mehr Bakterien. Zur Validierung der Ergebnisse wurde anhand des Versuchsaufbaus vorrausgegangener Versuche mittels DC-Signalerzeugung die Qualität des in dieser Arbeit verwendeten AC-Signals überprüft. So ist bei gleichem Beschichtungsstoff mit der AC-Signalerzeugung eine Reduktion der Keimlast um 37 % im Vergleich zum DC-Signal. Der Versuchsaufbau mit der AC-Schaltung ist somit bereits ein deutlicher Vorteil in der Hemmung des Bakterienwachstums. Bei Versuchen mit den AMPs BMAP-27, Protamin und OH-CATH 30 bei 24-stündigem Aufwachsen der Bakterien, ist der keimlastreduzierende Faktor nicht ersichtlich. Vereinzelt haben die AMPs das Bakterienwachstum hemmen können, jedoch dann nur zu kleinen Anteilen. Als Ursache dahinter wird vermutet, dass wie bei den Beschichtungen mit Octanol der nachlassende wirkende Effekt nach 24 Stunden eintritt. Zusätzlich wird vermutet, dass abgetötete Bakterienzellen sich auf den AMPs absetzen und so bei ausreichend vorhandenen toten Zellen, die noch lebenden direkt an den Toten adhärieren. Beim Aufwachsen der Bakterien über zwei Stunden konnte bei der Oberflächenbehandlung mit Octanol bei den Bakterienstämmen E. faecalis T9 und S. aureus ATCC29213 eine Reduktion von jeweils 1-1,5 log-Stufen erreicht werden. Im Vergleich zu der unbehandelten Platte entspricht dies einer Keimreduktion von 98 %, respektive 90 % und erfüllt damit das nach der KRINKO definierten Keimreduktion zur Klassifizierung als Desinfektion. Ebenso konnte bei S. aureus ATCC29213 mit einer Plasmabeschichtung von einer NHS/EDC-Lösung mit BMAP-27, sowie mit der Auftragung einer gleichen Lösung auf eine silanisierte Titanplatte eine Desinfektion der Oberfläche erzielt werden. Hier konnten 87 %, respektive 88 % Keimreduktion festgestellt werden. Eine desinfizierende, plasmaabgeschiedene Adhäsion von AMPs auf Titanoberflächen ist somit möglich und vielversprechend. In weiterführenden Versuchen ist eine schrittweise Erhöhung der Zeiten, in denen die Bakterien aufwachsen sinnvoll, um so die Zeitspanne der Effektivität der abgeschiedenen antibakteriellen Beschichtungen zu ermitteln. Weiter sind Beschichtungen die Octanol oder BMAP-27 enthalten bisher am effektivsten in der Reduktion der Keimlast und sollten bei weiteren Testreihen mindestens als Referenz zum Einsatz kommen. Auf zwei Punkte muss noch eingegangen werden. Zum einen spielt die Sedimentation, die in er Probenkammer stattfindet, eine wichtige Rolle, da die Konzentration auf der Oberfläche des Sensors höher ist. So werden die AMPs, die an die Oberfläche gebunden sind, nicht mehr die gewünschte Funktionalität aufweisen, da diese von extrazellulären Bestandteilen und lysierten Zellen bedeckt ist. Zum anderen sind auf der Oberfläche der Membran weniger AMPs gebunden, wie das zum Beispiel bei den Versuchen in Bakteriensuspension der Fall ist. Zwar wird eine deutlich höhere Konzentration (100 µg/ml) verwendet, aber ein Großteil wird nicht durch die Plasmadüse abgegeben. Bei den Versuchen in der Arbeit von Wieland et. al. 2021 werden Konzentrationen von 16-128 µg/ml bei Bakterienkonzentrationen verwendet. Hier ist die antibakterielle Wirkung größer, was mit der vollständigen Lösung und Verteilung der AMPs in der Suspension einhergeht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analysis of the Effects of Disinfectants and Plasma Treatment on Biofilm Growth by a Thermal Flow Sensor for Real-Time Measurements. Plasma Medicine, 12(2), 37-51.
Wieland, Tobias; Kotthaus, Krishan; Bürkin, Elena I.; Engesser, Florian; Altenburger, Markus J.; Ledernez, Loïc; Urban, Gerald A. & Bergmann, Michael E.
