Die von Muscheln inspirierte antimikrobielle Beschichtung schützt Hygienetextilien vor Kontamination

Forscher der UAB und des ICN2 haben ein innovatives Material zur Bekämpfung der Ausbreitung von Krankheitserregern, Infektionen und Antibiotikaresistenzen entwickelt. Inspiriert von den Substanzen, die Muscheln absondern, um an Steinen zu haften, kann es als Beschichtung zum Schutz von Gesundheitsstoffen verwendet werden und stellt eine wirksame Alternative zu häufig verwendeten Materialien wie Papier, Baumwolle, chirurgischen Masken und handelsüblichen Pflastern dar.

Die Forschung ist veröffentlicht im Zeitschrift für Chemieingenieurwesen.

Der übermäßige Einsatz von Antibiotika hat zur Entwicklung antimikrobieller Resistenzen (AMR) geführt, die weltweit eine wachsende Bedrohung für die öffentliche Gesundheit darstellen. AMR tritt auf, wenn sich Bakterien im Laufe der Zeit verändern und nicht mehr auf Medikamente, Antibiotika und andere verwandte antimikrobielle Arzneimittel reagieren, was die Behandlung von Infektionen erschwert und das Risiko der Ausbreitung von Krankheitserregern, schwerer Erkrankungen und Todesfälle erhöht.

Tatsächlich haben die Weltgesundheitsorganisation (WHO) und die Vereinten Nationen (UN) berichtet, dass AMR eine große Bedrohung für die menschliche Gesundheit auf der ganzen Welt darstellt und bis 2050 wahrscheinlich Krebs als weltweit häufigste Todesursache überholen wird.

In diesem Szenario ist die Entwicklung neuartiger und effizienterer antibakterieller Materialien unerlässlich geworden, um die Ausbreitung von Krankheitserregern zu reduzieren und so Infektionen vorzubeugen. Von Bedeutung ist die Kontrolle von Bakterienpopulationen in Gesundheitsumgebungen wie Krankenhäusern und anderen Gesundheitseinrichtungen, um sogenannte nosokomiale Infektionen zu vermeiden, die hauptsächlich auf die bakterielle Besiedlung auf biomedizinischen Oberflächen zurückzuführen sind.

Heutzutage ist diese Art von Infektion die sechsthäufigste Todesursache in Industrieländern und weitaus häufiger in Entwicklungsländern. Besonders betroffen sind immungeschwächte und Intensivpatienten (z. B. Verbrennungen) sowie Patienten mit chronischen Erkrankungen wie Diabetes.

Unter den verschiedenen Materialien, die Bakterienpopulationen verbreiten können, stellen Stoffe einen integralen Bestandteil der Patientenversorgung dar: Von der Kleidung von Ärzten, Chirurgen und Krankenschwestern bis hin zu medizinischen Vorhängen, Bettlaken, Kissenbezügen, Masken, Handschuhen und Bandagen, die in direktem Kontakt stehen mit Nähten und Wunden. Aus all diesen Gründen sind antibakterielle Beschichtungen für medizinische Textilien zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet geworden.

Forscher der UAB-Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie, des UAB-Instituts für Neurowissenschaften (INc-UAB) und des katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (ICN2) haben eine Familie biokompatibler und bioinspirierter Beschichtungen entwickelt, die durch Copolymerisation von Catechol hergestellt werden Derivate und Amino-terminale Liganden.

Auf dieser Grundlage haben sie gezeigt, dass die Verwendung dieser von Muscheln inspirierten Beschichtungen als effiziente antimikrobielle Materialien auf ihrer Fähigkeit beruht, sich im Laufe der Zeit in Gegenwart von Luft und feuchten Atmosphären chemisch zu entwickeln, was die kontinuierliche Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) begünstigt. . Tatsächlich führt die Synthesemethode zusätzlich zur Bildung von ROS zu einem Überschuss an oberflächlichen freien Aminogruppen, die die Zerstörung der Membranen von Krankheitserregern bewirken.

„Einer der Hauptbestandteile der Beschichtungen (Brenzcatechin und Polyphenolderivate) befindet sich in den von Muscheln abgesonderten Strängen, die für ihre Haftung an Gesteinen unter extremen Bedingungen, unter Salzwasser, verantwortlich sind“, erklären UAB-Professor Victor Yuste und ICN2-Forscher Salvio Suárez. „Die Tatsache, dass die von uns entwickelten Beschichtungen von diesem Organismus inspiriert sind, ermöglicht es ihnen, auf praktisch jeder Art von Oberfläche zu haften und darüber hinaus eine hohe Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit oder der Anwesenheit von Flüssigkeiten zu zeigen.“

„Darüber hinaus tragen natürliche Verbindungen dazu bei, biologisch abbaubarere, biokompatiblere Materialien mit geringerer antimikrobieller Resistenz im Vergleich zu anderen bakteriziden Systemen zu erhalten, die letztendlich Resistenzen erzeugen und daher schnell an Wirksamkeit verlieren.“

Alle häufig verwendeten Hygieneartikel wie Papier, Baumwolle, chirurgische Masken und handelsübliche Pflaster zeigten eine intrinsische antibakterielle Mehrwegaktivität mit schneller Reaktion gegen ein breites Spektrum mikrobieller Arten. Dazu gehörten Mikroorganismen, die Resistenzen gegenüber extremen Umweltbedingungen entwickelt haben (wie B. subtilis), sowie Krankheitserreger, die als Hauptursache für viele aktuelle Infektionen gelten, insbesondere solche, die in Gesundheitseinrichtungen erworben werden.

Zu diesen Krankheitserregern zählen multiresistente Mikroorganismen sowohl gramnegativer (E. coli und P. aeruginosa) als auch grampositiver (S. aureus, Methicillin-resistenter S. aureus – MRSA und E. faecalis). Diese Materialien haben auch Wirksamkeit gegen Pilze wie C. albicans und C. auris gezeigt.

Darüber hinaus wurde seine effiziente Anwendung in feuchten Atmosphären nachgewiesen, wie sie im Gesundheitswesen vorkommen, wo Atemtröpfchen und/oder andere Bioflüssigkeiten vorhanden sind, wodurch das Risiko einer indirekten Kontaktübertragung verringert wird. Diese antimikrobielle Aktivität wurde auf einen Abtötungsprozess durch direkten Kontakt zurückgeführt, bei dem der Krankheitserreger zunächst durch Catecholmoleküle und andere Polyphenolderivate an die Beschichtung gebunden wird.

Anschließend wird eine antibakterielle Mehrwegewirkung aktiviert, die sich hauptsächlich auf die nachhaltige Erzeugung biologisch sicherer ROS-Werte und elektrostatische Wechselwirkungen mit protischen Aminogruppen konzentriert, die an der Oberfläche exponiert sind. Diese antibakteriellen Mechanismen führten zu einer schnellen (180 Minuten bei Bakterien und 24 Stunden bei Pilzen) und effizienten (mehr als 99 %) Reaktion gegen Krankheitserreger, was zu irreversiblen Schäden an den Mikroorganismen führte.

Diese innovativen Beschichtungen basieren auf einer einfachen, einstufigen und skalierbaren Synthese unter milden Bedingungen unter Verwendung erschwinglicher Materialien und auf grüner Chemie basierender Methoden. Darüber hinaus verbessern die polyphenolische Natur ihrer Zusammensetzungen und das Fehlen zusätzlicher externer antimikrobieller Wirkstoffe die Einfachheit der bioinspirierten Beschichtungen und verhindern die Induktion von AMR und deren zytotoxischen Wirkungen auf Wirtszellen und die Umwelt.

Erwähnenswert ist, dass verschiedene Parameter wie Farbe, Dicke und Haftung fein abgestimmt wurden und so eine anpassbare Lösung für die unterschiedlichen Anforderungen der endgültigen Materialanwendung bietet. Im Allgemeinen haben die entwickelten bioinspirierten Beschichtungen ein enormes Potenzial für die weitere Umsetzung in Kliniken gezeigt, da sie eine praktikable Alternative zu bestehenden antimikrobiellen Materialien darstellen.