Tausende von Patienten müssen sich jedes Jahr Operationen und einer Antibiotikatherapie unterziehen, weil Keime ihr Implantat besiedelt haben. Ein Team aus Medizin und Materialforschung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat einen Weg gefunden, die Anheftung von Bakterien an Implantate wie künstliche Gelenke zu verhindern: Sie lassen nanometerkleine Säulen auf der Oberfläche wachsen, die wie ein Nagelbrett dazu führen, dass die Bakterien zerreißen. Keimen, die zu widerstandsfähig dafür sind, rücken sie mit Silberionen zuleibe.
Inspiriert von Zikaden
Inspiriert wurden die Forscherinnen und Forscher durch eine auf den Flügeln bestimmter Zikaden vorkommende Struktur mit antibakteriellen Eigenschaften: Die Flügel sind über und über mit winzigen Säulen aus wachsartigem Material besetzt, die nur rund 200 Nanometer klein sind und zur Beschädigung der Bakterienzellwand führen. „Bis dahin dachte man, Bakterien könnten in der Natur hauptsächlich über chemische Prozesse eliminiert werden“, erklärt Manfred Köller.
Ein Blick in die Beschichtungsanlage. Das Leuchten des Plasmas von zwei Materialquellen ist zu erkennen. Das Wachstum der Nanosäulen auf dem Trägermaterial resultiert daraus, dass die Atome aus dem Plasma unter einem flachen Winkel auf den Träger auftreffen.
Nadine Ziegler und Alfred Ludwig vor der Sputteranlage.
Eine Probe mit nanostrukturierter Oberfläche vorbereitet zur Untersuchung im Elektronenmikroskop.
Die Beschichtung von Oberflächen mit Nanostrukturen ist eine Spezialität des Lehrstuhls Materials Discovery and Interfaces von Prof. Dr. Alfred Ludwig. Hier steht eine sogenannte Sputteranlage, mit der es gelang, die Nanosäulenstruktur der Zikaden fast identisch aus Metall zu generieren.
Doktorandin Nadine Ziegler nutzt ein besonderes Sputter-Verfahren namens Glancing Angle Deposition, kurz GLAD. „Dabei werden einzelne Titanatome durch ein Plasma aus einem Stück reinen Titans herausgelöst und in Richtung des Trägermaterials beschleunigt. Sie treffen schräg von der Seite auf“, erklärt sie. So entsteht eine Landschaft charakteristischer Nanosäulen aus Titanatomen. Tests mit Escherichia-coli-Bakterien zeigten, dass die Erreger sich auf so beschichteten Oberflächen nicht vermehren konnten.
Silberionen helfen, eine Infektion zu verhindern
Andere Arten von Bakterien mit dickerer Zellwand wie Staphylokokken zeigten sich allerdings unbeeindruckt. Um sie an der Anheftung zu hindern, entwickelten die Forscherinnen und Forscher eine Beschichtung der Nanosäulen mit noch viel kleineren Nanoflecken aus Silber und Platin. Die Anwesenheit des edleren Platins sorgt dafür, dass das Silber vermehrt korrodiert, sodass Silberionen freigesetzt werden. Diese wiederum schaden den Bakterien. „Dadurch, dass das Silber durch die Korrosion binnen dreier Tage verschwindet, haben wir ein selbstlimitierendes System, das in der ersten heiklen Phase nach der Operation eine Infektion verhindern soll“, fasst Manfred Köller zusammen.
Einen ausführlichen Beitrag zu dem Thema mit Bildern zur Wirkungsweise der Oberflächen finden Sie im Wissenschaftsmagazin Rubin [https://news.rub.de/wissenschaft/2019-10-29-medizin-materialforschung-material-spiesst-bakterien-auf]
