Ein am Georgia Tech entwickelter elektrochemischer Prozess könnte einen neuen Schutz gegen bakterielle Infektionen bieten, ohne zur wachsenden Antibiotikaresistenz beizutragen.
Der Ansatz nutzt die natürlichen antibakteriellen Eigenschaften von Kupfer und erzeugt unglaublich kleine nadelartige Strukturen auf der Oberfläche von Edelstahl, um schädliche Bakterien wie E. coli und Staphylococcus abzutöten. Es ist praktisch und kostengünstig und könnte den Bedarf an Chemikalien und Antibiotika in Krankenhäusern, Küchen und anderen Einrichtungen reduzieren, in denen Oberflächenkontaminationen zu schweren Erkrankungen führen können.
Es könnte auch Leben retten: Eine weltweite Studie zu arzneimittelresistenten Infektionen ergab, dass sie im Jahr 2019 direkt 1,27 Millionen Menschen töteten und zu fast 5 Millionen weiteren Todesfällen beitrugen – was diese Infektionen zu einer der häufigsten Todesursachen für jede Altersgruppe macht.
Forscher beschrieben den Kupfer-Edelstahl und seine Wirksamkeit am 20. Mai in der Zeitschrift Klein.
„Grampositive Bakterien ohne Chemikalien abzutöten ist vergleichsweise einfach, aber die Bekämpfung gramnegativer Bakterien stellt aufgrund ihrer dicken, vielschichtigen Zellmembran eine große Herausforderung dar. Und wenn diese Bakterien auf Oberflächen verbleiben, können sie schnell wachsen“, sagte Anuja Tripathi, die Hauptautor der Studie und Postdoktorand an der School of Chemical and Biomolecular Engineering. „Mein Ziel war es, eine antibiotikafreie bakterizide Oberfläche zu entwickeln, die gegen gramnegative und grampositive Bakterien wirksam ist.“
Tripathi und ihre Kollegen – William R. McLain Professorin Julie Champion und ehemalige Ph.D. Die Studenten Jaeyoung Park und Thomas Pho haben einen Doppelschlag erzielt, der diese Herausforderungen meistert und Bakterien nicht dabei hilft, Resistenzen gegen Medikamente zu entwickeln.
Das Team entwickelte zunächst eine elektrochemische Methode zum Ätzen der Oberfläche von Edelstahl und erzeugte nadelartige Strukturen in Nanogröße auf der Oberfläche, die die Zellmembranen von Bakterien durchstoßen können. Anschließend lagerten die Forscher mit einem zweiten elektrochemischen Prozess Kupferionen auf der Stahloberfläche ab.
Kupfer interagiert mit den Zellmembranen und schädigt diese letztendlich.
„Der nanotexturierte Edelstahl kann sowohl gramnegative als auch grampositive Bakterien abtöten, aber wir wollten die antibakterielle Aktivität für Oberflächen verbessern, die stark kontaminiert sein können“, sagte Tripathi. „Die Kupferbeschichtung auf dem nanotexturierten Edelstahl verlieh uns eine sehr hohe antibakterielle Aktivität.“
Trotz der bekannten antibakteriellen Eigenschaften von Kupfer wird es aufgrund seiner hohen Kosten nicht häufig zur Bekämpfung von Oberflächenverunreinigungen eingesetzt. Der Ansatz von Tripathi lagert nur eine dünne Schicht Kupferionen auf dem Edelstahl ab und ist daher kostengünstig, ohne die antibakterielle Aktivität des Materials zu beeinträchtigen.
Zusammengenommen führten die beiden Angriffe in der Studie der Gruppe zu einer Reduzierung gramnegativer E. coli um 97 % und einer Reduzierung grampositiver Staphylococcus epidermis-Bakterien um 99 %.
Tripathi sagte, der Edelstahl könne für gängige Werkzeuge in medizinischen Einrichtungen verwendet werden, die leicht verschmutzen, wie etwa Scheren oder Pinzetten. Es könnte für Türgriffe, Treppengeländer und vielleicht sogar Waschbecken verwendet werden – Orte, an denen Edelstahl häufig das Material der Wahl ist und Oberflächenbakterien häufig vorkommen, insbesondere in Krankenhäusern oder anderen Gemeinschaftseinrichtungen.
Der von ihr und ihren Kollegen entwickelte Prozess könnte auch im Gastronomiebereich nützlich sein. Tripathi sagte, der Ansatz könne relativ einfach in bestehende Industrieprozesse integriert werden, in denen bereits verschiedene elektrochemische Beschichtungsmethoden für Lebensmittelbehälter aus Edelstahl verwendet würden.
Tripathi sagte, dass zukünftige Arbeiten untersuchen werden, ob der kupferbeschichtete, nanotexturierte Edelstahl gegen andere Arten von Zellen wirksam ist, die für die menschliche Gesundheit schädlich sind. Sie interessiert sich auch für die Frage, ob der Stahl für medizinische Implantate zur Abwehr von Infektionen verwendet werden könnte.
Da es sich als wirksam gegen das lästige E. coli erwiesen hat, ist sie zuversichtlich.
„Als ich über einen kürzlichen E. coli-Ausbruch in Lebensmittelgeschäften in Calgary, Kanada, nachdachte, war ich bei meiner Forschung besonders motiviert und erkannte die dringende Relevanz und Bedeutung der Bekämpfung solch widerstandsfähiger Bakterien auf Oberflächen“, sagte Tripathi. „Es kann schwierig sein, sie zu beseitigen. Wenn wir also E. coli wirksam beseitigen können, haben wir gute Chancen, viele Bakterien auf Oberflächen auszurotten.“
Mehr Informationen:
Anuja Tripathi et al., Doppelte antibakterielle Eigenschaften von kupferbeschichtetem nanotexturiertem Edelstahl, Klein (2024). DOI: 10.1002/small.202311546