Thema des Monats September 2011

 
 

Clean Touch: Keimfreie Kunststoffe

Sportverein, Straßenbahn, öffentliches WC: Wo Tag für Tag tausende Menschen ein- und ausgehen, lauern Infektionsgefahren. Auf Türklinken, Haltegriffen oder Armaturen entsteht durch wiederholten Hautkontakt ein schleimiger Belag („Biofilm“) mit teils pathogenen Bakterien und Pilzen, die sich munter vermehren. Ein Griff nur, schon sind sie übertragen; wird gründliches Händewaschen versäumt und gelangen die Erreger in den Organismus, sind insbesondere Personen mit verminderter immunologischer Fitness gefährdet – ihnen drohen schwere Erkrankungen von starkem Durchfall bis zur Hirnhautentzündung. Aber immer gleich zum Desinfektionsspray greifen? Einfacher geht’s, wenn die eingesetzten Materialien über eine integrierte antiseptische, sprich: keimtötende Funktion verfügen.

Hygiene ist ein ernst zunehmendes Problem, vor allem in Krankenhäusern, wo sich immer mehr hochgefährliche Keime tummeln, wie das multiresistente, Lunge- und Herzentzündungen auslösende Bakterium Staphylococcus aureus (MRSA), gegen die Antibiotika nichts mehr ausrichten. Von den rund drei Millionen Infektionen, die sich jährlich in europäischen Krankenhäusern ereignen, verlaufen laut Europäischem Zentrum für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten (ECDC) um die 50.000 tödlich.

Die Gefahr lauert überall. Ein unterschätztes Reservoir pathogener Keime verbirgt sich zum Beispiel in den U-Rohr-förmigen Geruchssperrverschlüssen (Siphons) der Waschbecken in den Patientenzimmern. Die im Siphon stehende Flüssigkeit enthält pro Milliliter bis zu zehn Milliarden Lebendkeime, warnt die Zeitschrift „Management & Krankenhaus“. Durch Aerosolbildung erfolge die Übertragung auf die Hände des Krankenhauspersonals; dort überleben Pseudomonas aeruginosa, Erreger von Harnwegsinfekten, Lungen- und Hirnhautentzündung, länger als eine Stunde. Genug Zeit, um bei Ausübung von Pflegetätigkeiten auf Patienten übertragen zu werden. Nosokomiale Infektionen (abgeleitet von den griechischen Wörtern „nosos“, „Krankheit“, und „komein“, „pflegen“) gehen auch auf das Konto kontaminierter Medizinprodukte, Arznei- und Nahrungsmittel.

Krankheitskeime abzutöten und Übertragungswege zu unterbrechen, ist folglich das A und O der Krankenhaushygiene. Kandidaten für physikalische und/oder chemische Desinfektionsmaßnahmen wie Erhitzen, Bestrahlen, Nass- und Trockenantiseptik, sind alle Gegenstände und Flächen, auf denen sich Biofilme bilden können, insbesondere auch solche aus Kunststoff, deren Oberfläche alles andere als glatt und Mikroorganismen gute Nistmöglichkeiten bieten. Den Befall auf herkömmliche Art zu bekämpfen, erweist sich als Problem. Chlorhaltige Desinfektionsmittel haben nämlich auf polymere Werk- und Baumaterialien, etwa Trinkwasserrohre, einen arg zusetzenden Einfluss: Die Materialoberfläche korrodiert, raut auf, weist Schmutz schlechter ab, und auf einem solchen Nährboden können Bakterien erst recht siedeln. Für das Multitalent Kunststoff, das aufgrund seiner Vielseitigkeit und Wirtschaftlichkeit sich nur sehr eingeschränkt durch andere Werkstoffe substituieren lässt, braucht es daher nicht selten alternative Verfahren, um für Keimfreiheit zu sorgen.

• Infrage kommen antimikrobielle Beschichtungen aus Metall. Auf Chromnickelverbindungen, sogenanntem Edelstahl, ist die Überlebensrate von zum Beispiel Escherichia coli (als EHEC Erreger von Durchfallerkrankungen), Pseudomonas aeruginosa (siehe oben), Staphylococcus aureus (siehe oben) und Candida albicans (Schleimhautinfektionen; Lungenentzündung) nur halb so hoch wie auf Kunststoff, hat das Hygiene-Institut der Universität Leipzig herausgefunden. Die Sterberate von Escherichia coli auf Edelstahl betrage nach zwei Stunden Antrocknungszeit über 99 Prozent. Andere Keime hingegen, das gefährliche MRSA etwa, überleben auf Edelstahl mehrere Tage. Ihnen bietet Kupfer besser Paroli; in Laborstudien wurde MRSA auf hochdichten Kupferbeschichtungen binnen zwei Stunden abgetötet. Die keimtötende Wirkung von Kupfer ist übrigens bereits seit der Antike bekannt. Griechen und Römer verwendeten kupferne Gefäße für Trinkwasser, um es zu desinfizieren und keimfrei zu halten.

• Sogenannte Sol-Gel-Beschichtungen lassen sich sogar aufsprühen oder durch Tauchbäder aufbringen. Auf diese Weise können auch geometrisch komplexe Gegenstände problemlos mit antimikrobiellen Oberflächen versehen werden.

• Das sogenannte Compounding geht einen Schritt weiter: Durch Beimischung von Additiven schon bei der Herstellung der Kunststoffe nehmen diese selbst antimikrobielle Eigenschaften an. Keimtötende Substanzen werden zu diesem Zweck z. B. in Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid eingearbeitet und entfalten dann durch kontinuierliche Freisetzung von Ionen ihre desinfizierende Wirkung. Neben Zinkoxid findet hier vor allem Silber Verwendung, aus dem die Chinesen schon vor Jahrtausenden sterile Akupunkturnadeln fertigten. Neben Silbergeschirr und -gefäßen wurden Silbermünzen bis ins 19. Jahrhundert als Desinfektionsmittel geschätzt, indem man sie in Wasser oder Milch legte. Moderne Verfahren beruhen auf sterilisierenden Silberionen, die aus der Materialmatrix an die Oberfläche diffundieren und dort ihre antimikrobielle Wirkung entfalten: Die Zellmembran wird destabilisiert, gleichzeitig werden Stoffwechsel und Vermehrung gestört, sodass die Mikrobenpopulation zugrunde geht.

Zu unterscheiden sind zwei Wirkmechanismen:
1. Kontakt-Sterilisation: Beim Kontakt mit dem antimikrobiellen Additiv an der Oberfläche des Kunststoffobjekts sterben die Mikroorganismen ab. Eine Freisetzung der Substanz findet nicht statt, sie bleibt fest an die Oberfläche gebunden.
2. Release-Sterilisation: Die antimikrobielle Substanz wird an der Oberfläche freigesetzt und migriert als Nanopartikel in die unmittelbare Umgebung.

Da sich pro Kilo Kunststoff höchstens einige hundert Milligramm Silber im Material befinden, bleibt die Anreicherung durch die Edelmetallkomponente kostengünstig.

Ohne derlei Additive kommen Polymere aus, denen von vornherein selbst antimikrobielle Eigenschaften zukommen, beispielsweise Polyammoniumsalze oder Polyethylenglycol. Mit ihnen lassen sich angenehm weiche Beschichtungen für Metalle, Glas und Keramik herstellen, die UV-beständig sind und sogar vor Korrosion schützen können. Da sich zwischen hochglänzender, matter, glatter oder strukturierter Oberfläche wählen lässt und das Material zudem beliebig färbbar ist, kommt auch der dekorative Aspekt nicht zu kurz.

Einen innovativen Weg haben Forscher der Universität von Massachusetts beschritten: Sie entwickelten Polymere, die antimikrobielle Naturstoffe (Peptide) nachahmen, jene Verbindungen nämlich, die bei Mensch und Tier die erste Verteidigungslinie gegen Infektionen bilden. Anstatt die Peptide chemisch nachzubauen, kopierten die Wissenschaftler trickreich nur deren Oberflächenstruktur. Sobald nun eine Mikrobe an den Kunststoff andockt, durchlöchert dieser deren Zellmembran, und der Keim geht ein. Das Anwendungspotenzial reicht von antiseptischen Küchentischen bis zur Einrichtung von Operationssälen.

Antimikrobiell aufgerüstet werden mittlerweile Gebrauchsgegenstände aus nahezu sämtlichen Materialien und Lebensbereichen. Maßnahmen zur Keimfreiheit in der Nahrungsmittelindustrie, etwa Innenbeschichtungen von Getränkedosen, verlängern die Haltbarkeit und helfen Konservierungsmittel einsparen, die Allergien auslösen können. Socken, Schuheinlagen, Matratzen oder Polstermöbel keimfrei zu machen, beugt unangenehmer Geruchsbildung vor, für die Bakterien verantwortlich sind, die den Körperschweiß zersetzen.

In Sachen antimikrobiellen Kunststoffs ist die Nachfrage in der Medizin wohl am größten. Wundverbände enthalten Silberzusätze, die ähnlich auch im Plastikbehälter zur Aufbewahrung von Kontaktlinsen vorkommen. Katheter mit Silbersulfadiazin-Beschichtung können klinischen Studien zufolge die Rate von Veneninfektionen um knapp den Faktor 5 reduzieren. In der Orthopädietechnik fungiert Silber seit Kurzem als antibakterielle Substanz in Prothesenschäften aus Kunststoff, um Geruchsbildung und Entzündungen entgegenzuwirken. Die Technologie reduziert die Besiedlung mit den Bakterienstämmen Staphylococcus aureus und Escherichia coli laut Herstellerangaben um 99,9 Prozent.

Last but not least: Zur Unterbindung der Keimübertragung in Krankenhäusern eignet sich eine selbstdesinfizierende Folie zum Bekleben etwa von Türklinken und Sanitärinstallationen. Entwickelt wurde sie am Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. Die Folie ist mit Silber und Calciumphosphat beschichtet; die Kombination beider Stoffe ist nach Angaben der ETH für Escherichia coli bis zu 1000-mal tödlicher als herkömmliche Silberpräparate. Hintergrund: Für die Bakterien stellt das Calciumphosphat ein willkommenes Nahrungsangebot dar, das sie begierig aufnehmen. Durch Zersetzung des Trägerstoffs werden die integrierten Silberpartikel frei; diese aber sind für die Bakterien Gift, sodass sie sich an der Calciumnahrung zuverlässig zu Tode fressen. Der Clou des Verfahrens ist mit anderen Worten, dass die Bakterien die keimtötende Wirkung selbst hervorrufen und sogar dosieren, denn das Silber wird nur in dem Maße freigesetzt, wie Bakterien vorhanden sind, das Calciumphosphat zu verzehren.

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