Bakterien, die sich auf Oberflächen vermehren, bereiten im Gesundheitswesen grosse Probleme, zum Beispiel wenn sie sich auf Implantaten oder in Kathetern festsetzen. Eine neue Waffe, die ohne Antibiotika oder giftige Metalle auskommt, sind metallorganische Gerüste. MOFs können Bakterien physisch aufspiessen, durchbohren und abtöten, noch bevor sie sich an der Oberfläche festsetzen.
Sobald sich Bakterien an einer Oberfläche festsetzen, beginnen sie sich zu vermehren und umgeben sich dabei mit einem Biofilm – einer zähflüssigen, schleimigen Schicht, die die Bakterien schützt und es schwierig macht, sie abzutöten. Biofilme gedeihen besonders gut in feuchten Umgebungen und stellen im Gesundheitswesen eine grosse Herausforderung dar. Beispielsweise können sich Bakterien an medizinischen Geräten wie Kathetern, Hüftprothesen und Zahnimplantaten festsetzen und zu nosokomialen Infektionen führen – ein weltweit verbreitetes Problem, das sowohl grosses Leid als auch hohe Gesundheitskosten verursacht und das Risiko von Antibiotikaresistenzen erhöht.
Biofilme können sich auch auf Schiffsrümpfen bilden, wo sie zu lästigem Algenbewuchs und Seepockenwachstum führen können, wodurch das Schiff langsamer wird und sein Kraftstoffverbrauch steigt. Zur Bekämpfung dieses Problems werden häufig Antifouling-Farben mit giftigen Bioziden aufgetragen, wodurch schädliche Substanzen in die Meeresumwelt gelangen. Auch Biofilme in industriellen Rohrleitungssystemen sind ein weit verbreitetes Problem, das beispielsweise zu Korrosion, Verstopfungen, Effizienzverlusten und erhöhtem Energieverbrauch führt.
Neue Verwendungsmöglichkeit für MOFs
Forschende der Chalmers University of Technology in Göteborg haben jetzt einen neuen Weg gefunden, Biofilme zu bekämpfen, indem sie Oberflächen mit Nanostrukturen – metallorganischen Gerüsten – beschichten, die Bakterien mechanisch abtöten. Die Studie wurde in Zusammenarbeit zwischen zwei Forschungsgruppen der Universität durchgeführt: dieser von Professor Ivan Mijakovic und jener von Professor Lars Öhrström. «Diese Nanostrukturen können wie winzige Stacheln wirken und die Bakterien physisch verletzen, indem sie sie durchstechen, sodass sie absterben. Das ist eine völlig neue Art, metallorganischen Gerüste zu nutzen», sagt Zhejian Cao, Hauptautor der Studie und Forscher an der Chalmers University.
Die Beschichtung ist so konstruiert, dass sie auf eine Vielzahl von Oberflächen aufgetragen und in andere Materialien integriert werden kann. Ein grosser Vorteil der Methode besteht darin, dass sie die Bildung von Biofilmen verhindert oder reduziert, ohne dass Antibiotika oder giftige Metalle eingesetzt werden müssen. «Sie bekämpft ein grosses globales Problem, da sie das Risiko ausschliesst, dass die Bekämpfung von Bakterien zu Antibiotikaresistenzen führt», sagt Zhejian Cao.
Richtigen Abstand zwischen Nanospitzen finden
Metallorganische Gerüste (MOFs) sind eine neue Klasse von Materialien mit aussergewöhnlichen Eigenschaften, bei denen Metallionen zu dreidimensionalen Strukturen mit grossen Hohlräumen und Kanälen im Material miteinander verbunden sind. Die Forschenden, die hinter der Entwicklung dieser Materialklasse stehen, wurden mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 ausgezeichnet. Die Hoffnung ist, dass diese Materialien für alles Mögliche verwendet werden können, von der Biogasspeicherung und Kohlenstoffabscheidung bis hin zur Katalyse und Wassergewinnung aus der Wüstenluft.
Völlig andere Funktion für MOFs
«Es gab bereits frühere Versuche, metallorganische Gerüste für antibakterielle Zwecke zu nutzen, aber in diesen Fällen wurden die Bakterien durch giftige Metallionen oder antimikrobielle Wirkstoffe abgetötet, die von den MOFs freigesetzt wurden. Stattdessen haben wir ein MOF auf ein anderes aufgewachsen, was zur Bildung scharfer Nanospitzen führt, die die Bakterien durchstechen und abtöten können, wenn sie sich nähern», sagt Zhejian Cao.
Die Nanospitzen wurden durch Steuerung des Kristallwachstums im Material erzeugt, wobei eine grosse Herausforderung darin bestand, den richtigen Abstand zwischen den Nanospitzen zu finden, um ihre Wirkung zu maximieren.
«Wenn der Abstand zwischen den Nanospitzen zu gross ist, können die Bakterien hindurchrutschen und sich an der Oberfläche festsetzen. Ist der Abstand jedoch zu klein, kann die mechanische Belastung, die die Nanospitzen auf die Zellkapsel der Bakterien ausüben, verringert werden, sodass die Bakterien überleben – nach dem gleichen Prinzip, das es Ihnen ermöglicht, sich auf ein Nagelbett zu legen, ohne sich zu verletzen», sagt Zhejian Cao.
Grossserienfertigung möglich
Lars Öhrström ist Mitautor der Studie und beschäftigt sich seit 30 Jahren mit metallorganischen Gerüsten. Er betont, dass die Verwendung von MOF-Beschichtungen zur Bekämpfung von Bakterien auf Oberflächen gegenüber anderen Lösungen zahlreiche praktische Vorteile bietet.
«Diese Beschichtungen können bei viel niedrigeren Temperaturen hergestellt werden als beispielsweise die zuvor an der Chalmers University entwickelten Graphen-Arrays. Dies erleichtert die Grossserienfertigung und ermöglicht die Anwendung der Beschichtungen auf temperaturempfindlichen Materialien wie den in medizinischen Implantaten verwendeten Kunststoffen. Darüber hinaus können die organischen Polymere in metallorganischen Gerüsten aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, was einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leisten kann», sagt Lars Öhrström.
Ulrika Ernström, Susanne Nilsson Lindh, Chalmers University of Technology
Übersetzung ins Deutsche: ChemieXtra
