Maßgeschneiderte Herstellung antiviraler Beschichtungen und Zellkulturoberflächen

Spezielle Polymerbeschichtungen können Oberflächen funktionelle Eigenschaften verleihen, beispielsweise antivirales Verhalten. Ein Team des Fachbereichs Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat nun erstmals verschiedene biomedizinische Beschichtungen umfassend verglichen und untersucht, was passiert, wenn sie mit der Haut, mit Zellen oder mit Viren interagieren.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Materialschnittstellen und in einem ersten Industrieprojekt mit antiviralem Glas angewendet.

In Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Schleswig-Holstein in Kiel (UKSH), dem Nanotechnology Research Center Egypt und dem National Cancer Institute der Universität Kairo haben Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel sechs Beschichtungsmaterialien für biomedizinische Anwendungen umfassend verglichen. Das Team untersuchte die Bioschnittstellenleistung der Materialoberflächen gegenüber Atemwegsviren, Krebszellen und Fibroblasten.

„Wir haben zum Beispiel untersucht, wo Schlüsselproteine, wie das Spike-Protein des Coronavirus, an Materialoberflächen andocken und antivirales Verhalten zeigen“, sagt Materialwissenschaftler Torge Hartig, Erstautor der Studie. Für antivirale Beschichtungen gegen Coronaviren konnte das Team zeigen, dass solche Wechselwirkungen auch berechnet werden können, um die Anzahl potenzieller Materialien einzugrenzen.

Produktionsmethode ermöglicht Vergleich

Diese detaillierte Untersuchung ist nur aufgrund der Methode möglich, mit der das Kieler Team die Beschichtungen herstellt. Seit vielen Jahren beschäftigen sie sich am Lehrstuhl für Mehrkomponentenmaterialien von Professor Franz Faupel mit der initiierten chemischen Gasphasenabscheidung (iCVD).

„Damit können wir transparente Schichten herstellen und deren Dicke hochpräzise zwischen 10 Nanometern und 10 Mikrometern einstellen. Ihre Oberfläche ist ultraglatt, äußerst gleichmäßig und weist keine störenden Defekte auf“, sagt Hartig.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da beim Kontakt mit Beschichtungen typischerweise viele Faktoren eine Rolle spielen. Bei herkömmlichen Polymerbeschichtungen können beispielsweise die Oberflächentopographie, chemische Prozesse, Lösungsmittelrückstände oder Materialdefekte Interaktionen mit Viren oder Zellen beeinflussen.

„Mit unserer Technologie stellen wir Beschichtungen her, die so rein sind, dass alle anderen Faktoren außer chemischen Prozessen ausgeschlossen werden können und wir die tatsächlichen Wechselwirkungen zwischen der Beschichtung und Viren oder Zellen grundlegend analysieren können“, fährt Hartig fort, der zum Thema promoviert biomedizinische iCVD-Beschichtungen.

Vom Krankenwagen bis zur Supermarktkasse: Mit Fensterherstellern getestete Beschichtungen

Die Materialwissenschaftler können ihren Produktionsprozess sehr gut steuern und so die funktionellen Eigenschaften ihrer Beschichtungen gezielt vorhersagen und definieren – beispielsweise um die hohen Anforderungen im biomedizinischen Umfeld zu erfüllen.

„Wir können Produkte für die Zellkultur so beschichten, dass die Zellen besser haften und leichter zu kultivieren sind“, sagt Dr. Stefan Schröder, Leiter der iCVD-Aktivitäten am Lehrstuhl. Da ihr Verfahren ohne Lösungsmittel und nur wenige Chemikalien auskommt, ist es zudem deutlich umweltfreundlicher als herkömmliche nasschemische Beschichtungsverfahren.

Gemeinsam mit einem Fensterhersteller aus Süddeutschland haben die Kieler Materialwissenschaftler ihre Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt. „Wir haben mehrere antivirale Beschichtungen verglichen und die beste auf Fensterglas aufgetragen“, sagt Schröder.

Große Glasfassaden können noch nicht beschichtet werden, „jedoch kleine Flächen, die viel Kontakt ausgesetzt sind, etwa Touch-Displays in Krankenhäusern und Krankenwagen, Filter in Atemschutzmasken oder Kassen an Supermarktkassen“, sagt Schröder, der auch seine Doktorarbeit geschrieben hat Diplomarbeit über den iCVD-Prozess.

Ein Team des Lehrstuhls will nun die iCVD-Forschung der letzten Jahre im industriellen Maßstab anwenden und bereitet derzeit eine Ausgründung vor. „Unser Ziel ist es, besonders hochwertige Beschichtungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für Medizin und Industrie herzustellen“, sagt Hartig, der sich noch während seiner Promotion „konform“ der Start-up-Initiative angeschlossen hat. Neben antiviralen Eigenschaften können diese Beschichtungen beispielsweise auch wasserabweisend oder isolierend sein – oder sogar eine Kombination aus beidem.