Bakterienzerkleinernde Insektenflügel inspirieren neue antibakterielle Verpackungen

Inspiriert von den bakterientötenden Flügeln von Insekten wie Zikaden haben Wissenschaftler eine natürliche antibakterielle Textur zur Verwendung auf Lebensmittelverpackungen entwickelt, um die Haltbarkeit zu verbessern und Abfall zu reduzieren. Die im Labor hergestellte Nanotextur eines australisch-japanischen Wissenschaftlerteams tötet bis zu 70 % der Bakterien und behält ihre Wirksamkeit, wenn sie auf Kunststoff übertragen wird.

Mehr als 30 % der für den menschlichen Verzehr produzierten Lebensmittel werden zu Abfall, wobei ganze Lieferungen zurückgewiesen werden, wenn Bakterienwachstum festgestellt wird. Die Forschung schafft die Voraussetzungen für eine deutliche Reduzierung von Abfall, insbesondere bei Fleisch- und Milchexporten, sowie für eine Verlängerung der Haltbarkeit und Verbesserung der Qualität, Sicherheit und Integrität verpackter Lebensmittel im industriellen Maßstab.

Die angesehene Professorin Elena Ivanova von der RMIT University sagte, das Forschungsteam habe erfolgreich ein natürliches Phänomen auf ein synthetisches Material – Kunststoff – angewendet. „Die Beseitigung der bakteriellen Kontamination ist ein großer Schritt zur Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln“, sagte sie.

„Wir wussten, dass die Flügel von Zikaden und Libellen hocheffiziente Bakterienkiller sind und zu einer Lösung beitragen könnten, aber die Nachahmung der Natur ist immer eine Herausforderung. Wir haben jetzt eine Nanotexturierung entwickelt, die die bakterienzerstörende Wirkung von Insektenflügeln nachahmt und ihre antibakterielle Wirkung behält Kraft, wenn sie auf Kunststoff gedruckt wird. Dies ist ein großer Schritt in Richtung einer natürlichen, nicht chemischen, antibakteriellen Verpackungslösung für die Lebensmittel- und Fertigungsindustrie.“

Die Studie, veröffentlicht in ACS Angewandte Nanomaterialien, ist eine Zusammenarbeit zwischen dem RMIT, der Tokyo Metropolitan University und dem The KAITEKI Institute von Mitsubishi Chemical. Im Jahr 2015 exportierte Australien Nahrungsmittel und landwirtschaftliche Produkte im Wert von 3,1 Milliarden US-Dollar nach Japan und ist damit der fünftgrößte Exporteur solcher Produkte in das Land.

Wie es funktioniert

Libellen- und Zikadenflügel sind von einer Vielzahl von Nanosäulen bedeckt – abgestumpften Spitzen von ähnlicher Größe wie Bakterienzellen. Wenn sich Bakterien auf einem Flügel ansiedeln, zieht das Muster der Nanosäulen die Zellen auseinander, reißt ihre Membranen auf und tötet sie ab. „Es ist, als würde man einen Latexhandschuh dehnen“, sagte Ivanova. „Wenn es sich langsam dehnt, wird der schwächste Punkt im Latex dünner und reißt schließlich.“

Das Team von Ivanova entwickelte seine Nanotextur, indem es die Nanosäulen von Insekten replizierte und eigene Nanomuster entwickelte. Um die antibakterielle Wirkung des Musters zu beurteilen, wurden Bakterienzellen in der erstklassigen Mikroskopie- und Mikroanalyseeinrichtung des RMIT überwacht. Die besten antibakteriellen Muster wurden mit dem japanischen Team geteilt, das eine Möglichkeit entwickelte, die Muster auf Kunststoffpolymer zu reproduzieren.

Zurück in Australien testete Ivanovas Team die Kunststoff-Nanomuster und fand dasjenige, das Insektenflügel am besten nachahmte, aber auch am einfachsten herzustellen und zu vergrößern war. Ivanova sagte, der Umgang mit Kunststoff sei aufgrund seiner Flexibilität schwieriger als mit anderen Materialien wie Silizium und Metallen. „Die in dieser Studie geschaffene Nanotexturierung hält sich, wenn sie in starrem Kunststoff verwendet wird. Unsere nächste Herausforderung besteht darin, sie für die Verwendung auf weicheren Kunststoffen anzupassen“, sagte sie.

Seit Ivanova und ihre Kollegen vor einem Jahrzehnt die bakterienabtötende Natur von Insektenflügeln entdeckten, haben sie daran gearbeitet, das optimale Nanomuster zu entwerfen, um die bakterienabtötenden Kräfte von Insekten zu nutzen und es auf einer Reihe von Materialien einzusetzen. Bis vor kurzem war es schwierig, eine geeignete Technologie zu finden, um diese Nanotexturierung in einem für die Herstellung geeigneten Maßstab zu reproduzieren.

Aber jetzt gibt es Technologien, um Verpackungen zu vergrößern und antibakterielle Eigenschaften anzuwenden, neben einer Reihe anderer potenzieller Anwendungen, wie z. B. persönlicher Schutzausrüstung.

Ihre neue Forschung baut auf einer Studie aus dem Jahr 2020 über die Verwendung von von Insekten inspirierten Nanomaterialien zur Bekämpfung von Superbugs auf. Das Team ist sehr daran interessiert, in der nächsten Phase der Forschung mit potenziellen Partnern zusammenzuarbeiten – die Hochskalierung der Technologie und die Ermittlung der besten Möglichkeiten zur Massenherstellung der antibakteriellen Verpackung.