Der rasante Aufstieg antibakterieller & antimikrobieller Materialien: Die Zukunft von Gesundheit & Sicherheit gestalten

Das Auftreten neuer Infektionserreger ist zu einer erheblichen Sorge geworden – jetzt mehr denn je, da die Welt gesundheitliche und wirtschaftliche Folgen einer globalen Pandemie bewältigt. Die Entwicklung und Nutzung antimikrobieller Materialien wird voraussichtlich weiter zunehmen, da wir strengere Maßnahmen zur Kontrolle unserer Umwelt und Verhinderung künftiger Ausbrüche ergreifen.

Getrieben durch das wachsende Bewusstsein für Sicherheit und Gesundheitserhalt, erwartet die globale antimikrobielle Beschichtungsindustrie einen starken Nachfrageanstieg, wie von Global Market Insights berichtet.

Der Markt für antibakterielle Materialien und Beschichtungen wurde 2017 auf über 3 Milliarden Dollar geschätzt. Er wird voraussichtlich eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von rund 12,5 % im Zeitraum 2018–2024 verzeichnen und bis Ende 2024 7 Milliarden Dollar erreichen.

Die Entwicklung und Nutzung antimikrobieller Materialien wird voraussichtlich steigen, da wir strengere Maßnahmen zur Kontrolle unserer Umwelt und Verhinderung künftiger Ausbrüche ergreifen.

Infektionserreger werden meist durch luftgetragene Tröpfchen verbreitet, die durch Niesen oder Husten entstehen. Diese Körperflüssigkeiten können auf Oberflächen absetzen, und eine Person-zu-Person-Übertragung ist möglich, wenn jemand diese Atemwegströpfchen berührt.

In einer Studie von Neely und Maley wurden Erreger wie Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistente Enterokokken gefunden, die einen Tag auf Materialien in Krankenhäusern überleben.

Viren bleiben generell länger auf Edelstahl, Kunststoff und ähnlichen harten Oberflächen aktiv als auf Stoff und anderen weichen Oberflächen.

Einige Mikroben lebten sogar länger als 90 Tage. Diese Mikroorganismen sind in Intensivstationen (ICU) endemisch und mit erhöhter Wahrscheinlichkeit von Krankheit und Tod assoziiert. Desinfektionsmittel wie Wasserstoffperoxid sind nicht ideal aufgrund ihrer begrenzten Restwirkung und Umwelttoxizitätsprobleme.

Diese aktuelle Situation erfordert die Erforschung von Materialien, die antimikrobielle Aktivität bieten, um das Auftreten möglicher Ausbrüche zu reduzieren.

Das ideale antibakterielle Material

Antibakterielle Materialien enthalten antimikrobielle Wirkstoffe, die in der Lage sind, Mikroben auf ihrer Oberfläche oder in ihrer Umgebung zu hemmen oder abzutöten. Sie können antimikrobielle Polymere, antibakterielle Kunststoffe, antimikrobile Nanomaterialien oder antimikrobielle Keramiken sein.

Ein ideales antimikrobielles Material weist folgende Merkmale auf:

• sicher in der Anwendung;
• günstig und einfach zu synthetisieren;
• deckt ein breites Spektrum antimikrobieller Aktivität ab;
• hoch stabil über lange Zeiträume;
• wasserunlöslich (wenn für Wasserdesinfektion verwendet);
• nicht anfällig für Zersetzung;
• sollte keine toxischen Produkte freisetzen.

Arten antimikrobieller Materialien und Beschichtungen

1. Antimikrobielle Polymere

Die vielseitigen makromolekularen Eigenschaften eines Polymers machen es zu einer günstigen Option gegen mikrobielle Kontamination, besonders im biomedizinischen Bereich. Auch als polymere Biozide bekannt, können antimikrobielle Polymere das Wachstum krankheitserregender Mikroorganismen hemmen.

Allgemeine Prinzipien antimikrobieller Oberflächen [1].

Materialien, die ohne Veredelung antimikrobielle Wirkung zeigen und inhärente selbstdesinfizierende Eigenschaften besitzen, werden als intrinsisch antimikrobielle Materialien bezeichnet. Natürliche Polymere, Polymere mit Guanidinen, Polymere mit quartären Stickstoffatomen, Polymere mit Halogenen und Polymere, die natürliche Peptide nachahmen, sind einige der vielen polymeren Materialien mit intrinsischer antimikrobieller Aktivität.

Einige natürliche Polymere umfassen Chitosan, Heparin und ε-Polylysin. Chitosan-basierte Materialien zeigen vielversprechendes Potenzial aufgrund ihrer Biologischen Abbaubarkeit, Ungiftigkeit, Biokompatibilität und antimikrobiellen Aktivität.

Polymere antimikrobielle Lebensmittelverpackung setzt sich durch, da Unternehmen auf antibakterielle Verpackungen für sicherere Produkte und längere Haltbarkeit umsteigen.

Antimikrobielle Aktivität in Polymeren ist auch durch chemische Modifikationen möglich. Einige Modifikationen umfassen kovalente Einbindung niedermolekularer Antimikrobiaka, Kopplung antimikrobieller Peptide und Grafting natürlicher Polymere in synthetische Polymere.

Polymere antimikrobielle Lebensmittelverpackung gewinnt an Bedeutung, da Unternehmen auf antibakterielle Verpackungen für sicherere Produkte und längere Haltbarkeit umsteigen.

Weitere Anwendungen antimikrobieller Polymere finden sich in Schimmelpilzsanierung, Pulverbeschichtungen und der Bauindustrie.

2. Antibakterielle Kunststoffe

a) Antimikrobielle Kunststoffe

Ein antimikrobieller Kunststoff ist ein synthetisches Polymermaterial, das antimikrobielle Additive enthält, die es gegen mikrobielles Wachstum wirksam machen. Er zeigt antibakterielle Eigenschaften, indem er Zell-zu-Zell-Kommunikation durch Bildung antiadhäsiver Oberflächen stört und Bakterien abtötet.

Antimikrobielle Kunststoffe in kommerziellen Wasserfiltern.

Antimikrobielle Kunststoffe im kommerziellen Einsatz, wie Hochstühle, Wasserfilter und Lebensmittelbehälter, sind langlebiger als Kunststoffe ohne antimikrobielle Wirkstoffe. Die in thermoplastische und duroplastische Polymere eingemischten Additive wirken darauf hin, das Vorhandensein von Mikroorganismen zu minimieren, die den Kunststoff schneller abbauen, und verlängern so die funktionelle Lebensdauer eines Kunststoffs. Kompatible Kunststoffmaterialien umfassen Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS) und Polyethylen (PE/LDPE).

b) Antimikrobielle Bioplastics

Albumin, Soja- und Molkenprotein dienen als günstige Rohstoffe für die Herstellung von Bioplastics. Albumin-basierte Kunststoffe hemmen das Wachstum von E. coli und Bacillus subtilis auf ihrer Oberfläche, während Immunglobuline und Glycomakropeptide im Molkenprotein Toxine binden und mikrobielle Infektionen verhindern.

CuanTec, ein schottisches Blue-Biotech-Unternehmen, stellte eine antimikrobielle, heimkompostierbare Alternative für Kunststoff-Lebensmittelverpackungen vor, basierend auf Chitin, dem zweithäufigsten natürlichen Biopolymer der Welt. Das Unternehmen extrahiert dieses Chitin aus Abfallprodukten der Schalentierverarbeitung (Schalen, Köpfe, Scheren, Schwänze – die Teile, die Menschen nicht essen) und wandelt es in Chitosan um.

Es gibt auch Testmethoden, um zu bestimmen, ob Albumin- oder Molkenkunststoffe in Gesundheitssystemen eingesetzt werden können, z. B. in Medizinprodukteverpackung und Infektionstests für medizinische Anwendungen.

3. Antimikrobielle Keramiken

Eine antimikrobielle Keramik ist ein nicht-metallisches Festmaterial, das mit einem Additiv in seiner Glasur versehen ist, das es resistent gegen bakterielles Wachstum macht. In einer Studie von Drelich et al. wurde gezeigt, dass eine kupferdotierte Keramik als vielversprechendes antibakterielles Produkt für Wasserdesinfektion dienen könnte.

(a) Schema der drei Schritte bei der Herstellung antimikrobieller Keramiksteine; (b) Keramiksteine; (c) Röntgenbeugungsmuster des verwendeten Tons; (d) Rasterelektronenmikroskopie eines Keramiksteins zeigt Porosität [2].

Kupfer und Kupferverbindungen sollen eine Vielzahl von Mikroorganismen abtöten, darunter Bakterien (grampositiv und negativ), Pilze, Viren (umhüllt und nicht umhüllt), Hefen und Sporen.

Es kann 99,9 % schädlicher Bakterien innerhalb von zwei Stunden abtöten und über 99 % der Bakterien unabhängig von wiederholter Exposition gegenüber der Kupferoberfläche weiter abtöten, laut Copper Development Association (CDA). Populationen von Klebsiella pneumoniae und Staphylococcus aureus in kontaminiertem Wasser, ausgesetzt dem porösen kupferdotierten antimikrobiellen Keramikstein, wurden um >99,9 % in 3 Stunden reduziert.

Antibakterielle Keramikanwendungen finden sich in Waschbecken, Badewannen, Toiletten, Duschen und Küchengeräten.

4. Antimikrobielle Nanomaterialien

a) Organische und anorganische Nanopartikel

Organische Nanopartikel können Mikroben eliminieren, indem sie antimikrobielle Wirkstoffe freisetzen oder kontakt-abtötende kationische Oberflächen bilden. In einem Experiment von Jones et al. wurde Poly-ε-Caprolacton (PCL) mit Poly(N-Vinylpyrrolidon)-Iod gemischt, was den Biomaterialien antibakterielle Eigenschaften verlieh, ohne Änderungen der mechanischen oder rheologischen Eigenschaften. PCL-Abbau förderte auch die Anti-Adhärenz von Escherichia coli.

Schematische Darstellung verschiedener Nanopartikel (NP) unterteilt in organische, hybride und anorganische Kategorien [3].

Anorganische Nanopartikel sind stabiler bei höheren Temperaturen als ihre organischen Pendants, was ihnen erlaubt, raue Verarbeitungsbedingungen zu überstehen. Daher werden anorganische Nanopartikel oft als antimikrobielle Materialien verwendet.

b) Metalloxid-Nanopartikel

Metalloxid-Nanopartikel verursachen Zell-membranschäden durch elektrostatische Wechselwirkung. Protonenleck induziert die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies, die organische Biomoleküle wie Lipide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Proteine schädigen, wodurch mikrobieller Tod verursacht wird.

Aluminiumoxid zeigte Wachstumshemmung von Escherichia coli. Antimontrioxid ist auch toxisch für Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis. Andere Metalloxid-Nanopartikel wie Kobaltoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Titandioxid und Silbernanopartikel zeigten ebenfalls vielversprechende antimikrobielle Aktivität.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Metallnanopartikeln, besonders Silbernanopartikeln, in der Medizin ist deren Einsatz als antimikrobielle Wirkstoffe. Die letale Aktivität von Nanopartikeln gegen ein breites Spektrum grampositiver, gramnegativer Bakterien und Pilze wurde bestätigt.

Silbernanopartikel haben exzellente antibakterielle Eigenschaften im Vergleich zu anderen Metallen. Die starke Bindung von Silberionen an Thiolgruppen von Proteinen und zellulären Enzymen macht sie zu einem idealen Additiv in Gesundheitsgeweben wie Gesichtsmasken, Vorhängen, Verbänden, Wundauflagen, Bettlaken und anderen Textilien im Gesundheitswesen. 2015 machte der Einsatz von Silber in antimikrobiellen Pulverbeschichtungen 50 % des Gesamtumsatzes der Branche aus. Es wird erwartet, dass es bis 2024 2 Milliarden Dollar generiert.

Was kommt als Nächstes?

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis antibakterielle Materialien, besonders im Oberflächenbeschichtungsmarkt, mehr traction gewinnen als primärer Rohstoff, sollten Regierungen strengere Normen zur Durchsetzung von Selbstdesinfektionsmaßnahmen implementieren.

Zudem wird die Anwendung in vielen Branchen wie Bauwesen, Lebensmittelverpackung, Textilien, Schimmelpilzsanierung, Möbel, Küchengeräte und Automobil seine Position im globalen Markt weiter stärken.