Können laser-strukturierte Oberflächen die Biofilmbildung verhindern?
Quelle: BAM
Bakterielle Biofilme stellen in der Medizin und der Industrie ein ernstes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen ist die zunehmende Resistenz von Bakterien gegen Biozide und Antibiotika. Daher sind neue antibakterielle Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich. Zur Herstellung bakterienabweisender Oberflächen wird die berührungslose und aseptische großflächige Oberflächenbearbeitung durch Laser als besonders vielversprechend diskutiert. Unterschiedliche Prozessführungen ermöglichen dabei die Erzeugung maßgeschneiderter Oberflächenstrukturen in der Größenordnung von einigen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern, die die Biofilmbildung nachweislich beeinflussen.
Dieser Review-Artikel wurde auf Einladung der Fachzeitschrift Laser & Photonics Reviews verfasst und vereint die multidisziplinären Expertisen der BAM-Fachbereiche 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen und 6.2 Material– und Oberflächentechnologien. Es werden detailliert die Strategien der Laserprozessierung vorgestellt, die zur Erzeugung von Mikro-, Nano- und hierarchischen Mikro-Nano-Strukturen besonders relevant sind. Im Anschluss daran wird die bakterielle Biofilmbildung allgemein eingeführt, gefolgt von einem Überblick über spezifische bakterielle Eigenschaften, die für die Oberflächenadhäsion verantwortlich sind.
Effektiv bakterienabweisende Oberflächentopografien werden beispielhaft präsentiert und ihre Wirkungsweise diskutiert. Eine der besonders im Fokus stehenden Oberflächentopografien sind so genannte laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS), die mit gepulster Laserstrahlung auf nahezu jedem Material erzeugt werden können. Diese Nanostrukturen weisen räumliche Perioden in der Größenordnung von Bakterienzellen auf und konnten in vielen Studien die Adhäsion von Bakterien deutlich reduzieren.
Bakterienabweisende Mechanismen lassen sich jedoch nur schwer verallgemeinern. Bakterienstamm und Testbedingungen beeinflussen die Ergebnisse entscheidend und sollten deshalb stets im Hinblick auf den anvisierten Anwendungsbereich des Materials sorgfältig ausgewählt werden.
In diesem Review-Artikel werden Vor- und Nachteile von häufig verwendeten Test-Setups und Methoden zur Erfassung der Biofilmeigenschaften diskutiert. Der umfassende Literaturüberblick über die aktuelle Forschung zu bakterieller Adhäsion auf lasergenerierten Oberflächenstrukturen wird Physikern und Mikrobiologen gleichermaßen helfen, das Design und die Wirksamkeit von bakterienabweisenden Oberflächentopografien zu verbessern.
Laser-Textured Surfaces: A Way to Control Biofilm Formation?
Karin Schwibbert, Anja M. Richter, Jörg Krüger, Jörn Bonse
erschienen in Laser & Photonics Reviews, Volume18, January 2024, Issue 1, S. 1
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien
Fachbererich Material- und Oberflächentechnologien
Fachbereich Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen