Eine von Forschern der University of Toronto Engineering entwickelte ungiftige Beschichtung verhindert das Anhaften von Proteinen an Oberflächen – und bietet damit möglicherweise ein neues Instrument im Kampf gegen im Krankenhaus erworbene Infektionen.
„Derzeit ist die einfachste Methode, eine Oberfläche sauber und frei von krankheitserregenden Mikroben zu halten, sie mit Desinfektionsmitteln wie Bleichmittel abzuwaschen“, sagt Professor Kevin Golovin, der das Durable Repellent Engineered Advanced Materials (DREAM) Laboratory an der University of Toronto Engineering leitet.
„Aber natürlich ist es nicht gut für die Menschen, die in diesen Umgebungen arbeiten, ständig diesen giftigen Produkten ausgesetzt zu sein. Und jedes Mal, wenn man Chemikalien zur Abtötung von Krankheitserregern einsetzt, erhöht man die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Stamm Resistenzen dagegen entwickelt.“
Golovin und sein Team sind Experten für die Entwicklung von Oberflächenbeschichtungen, die bestimmte Substanzen gezielt abweisen. Ihre Arbeit findet vielfältige Anwendung, von der Enteisung von Flugzeugflügeln bis hin zur Entwicklung neuartiger Antihaft-Kochgeschirre .
Ihre neueste Arbeit, veröffentlicht im Chemical Engineering Journal , konzentriert sich darauf, die Ansiedlung infektiöser Bakterien zu verhindern.
„Viele Infektionskrankheiten werden durch Berührung übertragen“, sagt Golovin.
„Die Mikroben, die sie übertragen, setzen typischerweise eine klebrige Proteinschicht frei, die es ihnen ermöglicht, sich an Oberflächen anzuheften. Wenn man verhindern kann, dass diese Proteine anhaften, kann man die Ausbreitung der Krankheit stoppen.“
Eines der Moleküle, mit denen das Team intensiv gearbeitet hat, ist Polydimethylsiloxan (PDMS), ein flexibles, transparentes und vor allem biokompatibles Silikonpolymer. Es findet bereits breite Anwendung in der Medizin, von Kontaktlinsen bis hin zu Brustimplantaten.
Obwohl PDMS von Natur aus Bakterien bis zu einem gewissen Grad abwehrt, glaubte das Team, dass sie diese Fähigkeit durch eine Veränderung der Molekularstruktur enorm steigern könnten.
„Eine Möglichkeit, PDMS zu verwenden, besteht darin, die Polymerketten zu einem festen Massenmaterial zu vernetzen, das gemeinhin als Silikonkautschuk bekannt ist“, sagt Doktorand Mehdi Sadeghi, Hauptautor der neuen Studie.
„Unsere Oberfläche ist jedoch anders: Anstatt aus miteinander verbundenen, verfestigten Ketten zu bestehen, ist sie mit langen PDMS-Ketten bedeckt, die wie die Borsten einer Bürste von der Oberfläche abstehen.“
Anders als Bürstenborsten sind diese PDMS-Ketten jedoch nicht sehr steif: Sie können sich biegen und bewegen, wodurch eine Oberfläche entsteht, die das Team als „flüssigkeitsähnlich“ beschreibt. Dies erschwert es den von Bakterien abgesonderten klebrigen Proteinen, einen guten Halt zu finden.
Um ihre Oberfläche zu testen, verwendete das Team Rinderserumalbumin (BSA), ein aus Kuhblut gewonnenes Protein, das als Ersatz für bakterielle Proteine diente.
Sie platzierten Tropfen von in Salzwasser gelöstem BSA auf deren Oberfläche sowie auf Oberflächen, die mit anderen Antihaftbeschichtungen behandelt waren.
„Wenn der Tropfen verdunstet, sieht man normalerweise, dass sich das BSA an den Rand bewegt und etwas bildet, das wie ein Kaffeering aussieht – ein dunkler Ring, der auf der Oberfläche zurückbleibt, selbst nachdem das gesamte Wasser verschwunden ist“, sagt Sadeghi.
„Auf der flüssigkeitsähnlichen Oberfläche, die mit PDMS-Borsten bedeckt war, konnten wir das jedoch nicht beobachten. Stattdessen schrumpfte der Ring zusammen mit dem Tropfen, weil die Proteine einfach nicht haften konnten.“
„Am Ende bleibt nur ein kleiner Rückstandspunkt zurück, der sich schon bei der geringsten Berührung ablöst: Schon ein leichter Luftzug genügt, um ihn von der Oberfläche zu entfernen. Man kann ihn auch einfach mit Wasser abwaschen, anstatt aggressive Chemikalien wie Bleichmittel zu verwenden.“
In den Tests des Teams widerstanden die PDMS-Borsten der Proteinanhaftung sogar noch besser als polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), eine Gruppe von Chemikalien, zu der auch das bekanntermaßen antihaftbeschichtete Teflon gehört.
Da die Exposition gegenüber hohen Konzentrationen von PFAS-Chemikalien mit gesundheitlichen Auswirkungen wie Krebs in Verbindung gebracht wurde, könnten PDMS-Borsten eine sicherere Lösung darstellen.
Golovin sagt, dass die nächsten Schritte des Teams die Zusammenarbeit mit Forschern umfassen werden, die pathogene Bakterien untersuchen, um zu bestätigen, ob ihre Oberfläche in der Lage ist, echte Adhäsionsproteine genauso gut abzuwehren wie BSA.
Sie arbeiten außerdem mit Unternehmen zusammen, die medizinische Geräte herstellen und die Technologie möglicherweise lizenzieren oder kommerzialisieren möchten.
Die Forschungsarbeiten wurden teilweise von Meltech Innovation Canada Inc., einem Unternehmen der Medicom Group, finanziert. Das Unternehmen mit Sitz in Ste-Eustache, Québec, ist ein weltweit führender Hersteller von Produkten zur Infektionskontrolle.
„Diese Zusammenarbeit unterstreicht unser kontinuierliches Engagement für wissenschaftsbasierte Innovationen in der Infektionsprävention. Die Nutzung der anerkannten Expertise des DREAM-Labors von Dr. Golovin im Bereich Oberflächentechnik ermöglicht tiefere Einblicke in die Wechselwirkung von Kontaminanten mit Materialien. Durch die Förderung von Forschungsprojekten in der Frühphase tragen wir zur Entwicklung ausgefeilterer und widerstandsfähigerer Schutzlösungen bei, die Patienten und medizinisches Fachpersonal besser schützen“, so Dr. Nektaria Markoglou, Vizepräsidentin für wissenschaftliche Angelegenheiten und Leiterin der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Meltech Innovation Canada Inc.
„Das Beschichtungsverfahren ist skalierbar, und seine breitere Anwendung wird von der Optimierung der Fertigungsintegration abhängen“, sagt Golovin.
„Weitere Bewertungen sind erforderlich, um kosteneffiziente Wege zu finden, die mit der signifikanten Schutzwirkung dieser Technologie übereinstimmen und eine potenzielle Erweiterung sowohl auf hochwertige Geräte als auch auf Einwegprodukte unterstützen. Wir freuen uns sehr auf die zukünftigen Möglichkeiten.“
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