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Oberflächenbeschichtung Mit antibakterieller Imprägnierung zu keimfreien Werkstoffen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Auf Lichtschaltern, in Wasserrohren oder auf medizinischen Geräten – Bakterien tummeln sich gern auf Bauteilen aus Kunststoff. Wie antimikrobielle Wirkstoffe oder ein Biofilm das Bakterienwachstum verhindern können, haben Forscher vom Fraunhofer Umsicht herausgefunden.

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Karen Fuchs im Hochdrucktechnikum bei Vorversuchen an einer 60mL-Hochdrucksichtzelle zur Imprägnierung von Mandeln.
Karen Fuchs im Hochdrucktechnikum bei Vorversuchen an einer 60mL-Hochdrucksichtzelle zur Imprägnierung von Mandeln.
(Bild: Fraunhofer Umsicht)

Um Werkstoffe bakterienfrei zu bekommen, wurden bisher keimtötende Werkstoffe wie Kupfer verwendet. Diese werden in die Kunststoffe eingearbeitet. Da Kupfer als Werkstoff sehr kostenintensiv ist, haben Forscher des Fraunhofer Umsicht Alternativen entwickelt: Seit zehn Jahren forscht das Fraunhofer Umsicht an der antibakteriellen Imprägnierung von Werkstoffen, insbesondere Kunststoffen. Durch Kooperationen mit der Industrie ist dabei ein breites Know-how entstanden, das die Forschenden nun in neuen Anwendungsbereichen testen. Ziel ist es u. a., umweltfreundliche Alternativen zu antibakteriell wirkenden, aber toxischen Wirkstoffen oder zu sehr kostenintensiven Werkstoffen wie Kupfer zu entwickeln.

Kunststoffe mit Hochdrucktechnik imprägnieren

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, um Kunststoffe mit speziellen Funktionen zu versehen:

  • 1. Die gewünschten Additive werden durch Compoundierung in das Produkt eingebracht, oder
  • 2. Die Wirkstoffe gelangen durch eine nachträgliche Beschichtung der Oberfläche auf dem Produkt.

Mit der nachträglichen Beschichtung entfaltet sich z. B. eine antibakterielle Wirkung genau dort, wo sie wirken soll: an der Oberfläche. Das Fraunhofer Umsicht hat dazu ein Verfahren entwickelt, dass polymere Oberflächen mithilfe von überkritischem Kohlendioxid imprägniert. Überkritisches Kohlendioxid eignet sich zur Imprägnierung, weil:

  • es einerseits ähnlich leicht wie Gas in eine Oberfläche eindringen kann
  • gleichzeitig die Dichte einer Flüssigkeit aufweist
  • Kohlendioxid weder brennbar
  • noch toxisch
  • gut verfügbar und
  • kostengünstig ist.

Bakterien innerhalb einer Stunde entfernt

Für Anwendungen im Consumer-Bereich wie z. B. für Lichtschalter werden während der Imprägnierung mit überkritischem Kohlendioxid nano- und mikroskalige Silberpartikel eingebracht. Hierdurch wird die Vermehrung von Bakterien gestoppt. Das überkritische Kohlendioxid öffnet die polymere Struktur und ermöglicht den Stofftransport an die Oberfläche.

„Tests zeigten, dass bereits nach einer Stunde alle Bakterien von der Oberfläche eines zuvor mikrobakteriell kontaminierten Lichtschalters entfernt worden sind“, erklärt Nils Mölders, Abteilungsleiter Materialsysteme und Hochdrucktechnik am Fraunhofer Umsicht. So genannte Auslaugtests waren ebenso positiv, da die Silberpartikel sich gemäß gängiger Normen (DIN-EN 71-3) nicht auswaschen.

Kommunikation zwischen den Bakterien verhindern

Ein weiteres Verfahren adressiert Oberflächen, auf denen sich Biofilme bilden können; hierzu zählen z. B. medizinische Geräte oder Wasserrohre. Hier kann die Kommunikation zwischen den Bakterien gezielt gestört werden, was die Bildung der Biofilme wirksam verhindert.

Für sensible Anwendungen wie Trinkwasserrohre setzen die Fraunhofer-Forschenden auf Imprägnierung mit Naturstoffen, die die Entstehung eines Bakterien-Biofilms verhindern.
Für sensible Anwendungen wie Trinkwasserrohre setzen die Fraunhofer-Forschenden auf Imprägnierung mit Naturstoffen, die die Entstehung eines Bakterien-Biofilms verhindern.
(Bild: Fraunhofer Umsicht)

Für sensible Anwendungsbereiche wie die Medizintechnik oder Trinkwasser-Installationen setzen die Fraunhofer-Forschenden auf „Quorum Quenching-Naturstoffe“, um Nanopartikel und Silbersalze zu vermeiden. Hierbei geht es nicht darum, bereits entstandene Bakterien abzutöten, sondern die Kommunikation zwischen den Bakterien im Voraus so zu verhindern, dass sich erst gar kein Bakterien-Biofilm bildet.

„Wir verwenden verschiedene Naturstoffe, die die Eigenschaft besitzen, die Rezeptoren der Bakterien zu belegen und dadurch die Kommunikation zu verhindern und somit ihre schädliche Wirkung“, erklärt Karen Fuchs vom Fraunhofer Umsicht. Die Stoffe sind umweltverträglich und nicht gefährlich für Mensch oder Tier. Daher eignen sie sich auch für den Schiffsbau, wo derzeit noch biozide Lacke gegen das Antifouling zum Einsatz kommen.

Die Naturstoffe werden zur Immobilisierung mikroverkapselt oder mithilfe der Hochdruckimprägnierung in die gewünschten Materialoberflächen eingebracht, beispielsweise in Lackformulierungen oder Trinkwasserrohre. Erste erfolgreiche Tests sind im Labormaßstab beim Fraunhofer Umsicht durchgeführt worden, Feldversuche für Bootslacke sind in der Vorbereitung. Die Identifizierung und Validierung der Quorum-Quenching-aktiven Substanzen wird in Zusammenarbeit mit der Goethe-Universität Frankfurt, der Gutenberg-Universität Mainz und den Industriepartnern Brill & Partner sowie Kebos durchgeführt

Kontamination auf Lebensmitteln verhindern

Einige Lebensmittel sind anfällig für Keime, sodass sich im Verarbeitungsprozess auf ihnen schädliche Mikroorganismen wie z. B. Salmonellen ansiedeln können.

In den vergangenen Jahren waren insbesondere Lebensmittel mit geringer Wasseraktivität vermehrt von Rückrufen aufgrund einer Kontamination betroffen. Zu diesen Nahrungsmitteln gehören:

  • Mandeln
  • Erdnüsse
  • Nusspasteten
  • Trockenfrüchte und -gemüse
  • Trockenfleisch
  • Milchprodukte (z. B. Milchpulver) sowie
  • getrocknete Tees
  • Kräuter
  • Gewürze

Komprimiertes Kohlendioxid soll Bakterien abtöten

Für die Lebensmittelindustrie ergibt sich aus dieser globalen Entwicklung der dringende Bedarf an Dekontaminationstechnologien, die international einsetzbar sind und neben der Lebensmittelsicherheit eine hohe Lebensmittelqualität garantieren. Das Fraunhofer Umsicht entwickelt zusammen mit Partnern der Universität in Alberta (Kanada) ein Verfahren, um pathogene Mikroorganismen auf Lebensmitteln durch den Einsatz von komprimiertem Kohlendioxid abzutöten.

Antimikrobielle Wirkstoffe aus der Natur

Den Forschenden ist es bereits gelungen, mithilfe von antimikrobiellen Ölen und unter Einsatz von überkritischem Kohlendioxid Mandeln im Labormaßstab zu dekontaminieren. Gleichzeitig sind die Mandeln durch die Imprägnierung keimresistent und ihre Qualität ist nicht beeinträchtigt. „Die verwendeten Öle sind ausschließlich pflanzliche Extrakte und CO2 extrahiert, sodass sich das Öl beim Imprägnierprozess wieder in das komprimierte CO2 einlöst und in die zu imprägnierende Oberfläche eindringt und seine Wirkung erzielt“, erklärt Karen Fuchs. Durch die Verwendung von CO2 können Mandeln rückstandsfrei abgetrennt und nach dem Prozess recycelt werden. Nächstes Ziel ist es, das Verfahren auf andere Lebensmittel zu übertragen.

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