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Oberflächenbeschichtung Biomimetisches Verfahren verleiht erstaunliche Eigenschaften

| Autor/ Redakteur: Holger Mauelshagen / M.A. Frauke Finus

Jedes Jahr infizieren sich in Deutschland rund 1 Mio. Menschen mit krankheitserregenden Mikroorganismen. Die Erreger werden meist über die Oberfläche von zum Beispiel Türklinken weitergegeben. Durch eine gezielte Veränderung der Metalloberflächenstruktur kann aber das Anhaften der Mikroorganismen an der Materialoberfläche verhindert werden.

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Forscher um Prof. Wolfgang Maison haben ein Verfahren zur gezielte Veränderung der Oberflächenstruktur von Metallteilen entwickelt.
Forscher um Prof. Wolfgang Maison haben ein Verfahren zur gezielte Veränderung der Oberflächenstruktur von Metallteilen entwickelt.
(Bild: Universität Hamburg / Prof. Dr. Maison)

Fouling – klingt nicht sehr verlockend und nach einem sonderlich hygienischen Vorgang schon gar nicht. Für die Schiffsindustrie stellt die unerwünschte Ansiedlung von Organismen an Oberflächen in Form von Miesmuscheln und Seepocken mitunter sogar eine ernstzunehmende wirtschaftliche Belastung dar. Ausgerechnet hinter diesem etwas unappetitlichen Begriff des Foulings verbirgt sich jedoch ein Phänomen, das nicht zuletzt einen Schlüssel zur Bekämpfung eines der gravierendsten Hygieneprobleme unserer Gesellschaft liefern könnte.

Allein in Deutschland Jahr für Jahr mehr als 40.000 Todesfälle: das ist die Bilanz des sogenannten Krankenhauskeims. Die gegen Antibiotika weitgehend unempfindlichen multiresistenten Bakterien gelten damit nach Herz-Kreislauferkrankungen und Krebs als dritthäufigste Todesursache. Keimfreie Krankenzimmer, sterile Instrumente und saubere Hände sind keineswegs die Regel, die in Krankenhäusern erforderlichen hohen Hygienestandards werden oftmals nicht eingehalten. Jedes Jahr infizieren sich somit in Deutschland bis zu 1 Mio. Menschen mit krankheitserregenden Mikroorganismen, vor allem in Kliniken und der Gastronomie. Die Erreger werden meist über Oberflächen wie Türklinken oder Sanitärarmaturen weitergegeben.

Durch eine gezielte Veränderung der Oberflächenstruktur könnte aber das Anhaften der Mikroorganismen an der Materialoberfläche verhindert werden, sodass eine massenhafte Besiedelung mit Keimen gar nicht erst erfolgt. Genau darin liegt der Kern einer Erfindung von Forschern um Prof. Wolfgang Maison, die am Institut für Organische Chemie der JLU Gießen entwickelt und im Jahr 2012 im Rahmen eines bundesweiten Wettbewerbs von der gemeinsamen Standortinitiative der Bundesregierung und der deutschen Wirtschaft „Deutschland – Land der Ideen“ als Preisträger für das Projekt „Funktionelle Oberflächenmodifikation“ ausgezeichnet wurde. Prof. Wolfgang Maison forscht und lehrt heute am Fachbereich Chemie der Universität Hamburg.

Aufgrund der von den Gießener Wissenschaftlern synthetisierten Verbindungen zur Funktionalisierung von Metall- und Knochenoberflächen ist es möglich, eine dauerhafte und stabile Oberflächenbeschichtung zu erreichen. Zugleich erlaubt das Wirkstoffmolekül gegenüber herkömmlichen Oberflächenbindern eine deutlich höher definierte Oberflächenbeladung, die eine lückenlose Beschichtung des Materials in Form einer Monolage gestattet. Die Schichthöhe von Molekülen auf der Oberfläche beträgt dementsprechend lediglich ein Molekül. Die Funktionalisierung erfolgt schließlich durch die Hinzufügung funktioneller Gruppen auf die Oberfläche des Materials durch chemische Synthesemethoden. In dem von den Erfindern entwickelten Verfahren lässt sich die Beschichtung mittels einer einfachen Methode (dip and rinse) realisieren, indem die zu funktionalisierenden Oberflächen in eine Lösung der neu entworfenen Verbindungen getaucht werden. Dabei lassen sich nahezu beliebige Effektormoleküle wie Polymere, Farbstoffe, pharmazeutische Wirkstoffe wie etwa Antibiotika, Enzyme und andere Biomoleküle durch einfache chemische Reaktion („Click-Reaktion“) an das Naturstoffmolekül koppeln.

Anhaftungsfähigkeit von Muscheln als natürliches Vorbild

Als natürliches Vorbild für das biomimetische Design dieser Verbindungen diente den Forschern die unter anderem vom marinen Biofouling an Schiffsrümpfen bekannte einzigartige Anhaftungsfähigkeit von Muscheln. Die sogenannten Muscheladhäsionsproteine zählen zu den stabilsten Klebstoffen, die in der Natur überhaupt vorkommen. Grundsätzlich ist die Veränderung von Oberflächen, um gezielte Materialeigenschaften zu erhalten, für ein breites Spektrum von Anwendungen beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie, bei Wasserreinigungsanlagen, für Marine- und Industrieausrüstungen, als Biosensoren, bei Wirkstoffen in der Pharmazie, aber auch in der Implantologie von hoher Bedeutung. Die besonderen Vorzüge des hier vorgestellten biomimetischen Verfahrens kommen neben dem Einsatz bei Knochen und Zähnen insbesondere bei der Funktionalisierung von metallischen Oberflächen zur Geltung. Dies betrifft also etwa dauerhafte Beschichtungen von Metalloberflächen im Automobilbereich, industrielle Schutzbeschichtungen oder eben auch Anstriche von Schiffsrümpfen. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten bieten derart funktionalisierte Oberflächen darüber hinaus in Form von antimikrobiellen Beschichtungen im Gesundheitsbereich bei verschiedenen Medizinprodukten wie Nadeln, Spritzen, Katheter oder sterilen OP-Sets. Wo auch immer die besonderen Eigenschaften leistungsfähiger Metalloberflächenbinder unentbehrlich, zweckmäßig oder auch nur erwünscht sind, Verbindungen nach dem Vorbild der Muschel schaffen stabile Verhältnisse.

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