Neue Kupferoberfläche eliminiert Bakterien in nur zwei Minuten
Vielversprechende Option zur Bekämpfung antibiotikaresistenter Superbakterien
Eine neue Kupferoberfläche, die Bakterien mehr als 100 Mal schneller und effektiver abtötet als herkömmliches Kupfer, könnte dazu beitragen, die wachsende Bedrohung durch antibiotikaresistente Superbakterien zu bekämpfen.
Die 120.000-fach vergrößerten Bilder unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigen Staphylokokken-Bakterienzellen nach zwei Minuten auf a) poliertem Edelstahl, b) poliertem Kupfer und in c) und d), der Mikro-Nano-Kupferoberfläche des Teams.
RMIT University
Das neue Kupferprodukt ist das Ergebnis eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit der RMIT University und der australischen Wissenschaftsbehörde CSIRO, dessen Ergebnisse in der Zeitschrift Biomaterials veröffentlicht wurden.
Kupfer wird seit langem zur Bekämpfung verschiedener Bakterienstämme eingesetzt, darunter auch der häufig vorkommenden Staphylococcus aureus, da die von der Oberfläche des Metalls freigesetzten Ionen für die Bakterienzellen giftig sind.
Wie Ma Qian, Distinguished Professor an der RMIT University, erläuterte, verläuft dieser Prozess bei der Verwendung von Standardkupfer jedoch nur langsam, und Forscher auf der ganzen Welt bemühen sich, ihn zu beschleunigen.
"Eine Standardkupferoberfläche tötet etwa 97% der Staphylokokken innerhalb von vier Stunden ab", sagte Qian.
"Unglaublich, als wir Staphylokokken auf unsere speziell entwickelte Kupferoberfläche brachten, zerstörte sie mehr als 99,99% der Zellen in nur zwei Minuten".
"Es ist also nicht nur effektiver, sondern auch 120 Mal schneller."
Wichtig ist, so Qian, dass diese Ergebnisse ohne die Hilfe von Medikamenten erzielt wurden.
"Unsere Kupferstruktur hat sich für ein so gewöhnliches Material als bemerkenswert wirksam erwiesen", sagte er.
Das Team ist der Ansicht, dass das neue Material nach seiner Weiterentwicklung eine Vielzahl von Anwendungen finden könnte, darunter antimikrobielle Türgriffe und andere Berührungsflächen in Schulen, Krankenhäusern, Wohnungen und öffentlichen Verkehrsmitteln sowie Filter in antimikrobiellen Atemschutzmasken oder Belüftungssystemen und in Gesichtsmasken.
Das Team will nun die Wirksamkeit des verbesserten Kupfers gegen SARS-COV-2, den Erreger von COVID-19, untersuchen und dabei auch 3D-gedruckte Proben bewerten.
Andere Studien deuten darauf hin, dass Kupfer hochwirksam gegen das Virus ist, was die US-Umweltschutzbehörde dazu veranlasste, Anfang dieses Jahres Kupferoberflächen offiziell für antivirale Anwendungen zuzulassen.
Einzigartige Struktur bringt mehr Kupfer für den Kampf
Der Hauptautor der Studie, Dr. Jackson Leigh Smith, sagte, die einzigartige poröse Struktur des Kupfers sei der Schlüssel zu seiner Wirksamkeit als schneller Bakterienkiller.
Zur Herstellung der Legierung wurde ein spezielles Kupferformgussverfahren verwendet, bei dem Kupfer- und Manganatome in bestimmten Formationen angeordnet wurden.
Die Manganatome wurden dann durch ein kostengünstiges und skalierbares chemisches Verfahren, das so genannte "Dealloying", aus der Legierung entfernt, so dass reines Kupfer mit winzigen Hohlräumen im Mikro- und Nanomaßstab in der Oberfläche zurückblieb.
"Unser Kupfer besteht aus kammartigen mikroskaligen Hohlräumen und innerhalb jedes Zahns dieser Kammstruktur befinden sich viel kleinere nanoskalige Hohlräume; es hat eine riesige aktive Oberfläche", sagte Smith.
"Das Muster macht die Oberfläche außerdem superhydrophil, d. h. wasserliebend, so dass das Wasser als flacher Film und nicht als Tröpfchen darauf liegt.
"Der hydrophile Effekt bedeutet, dass die Bakterienzellen Mühe haben, ihre Form zu halten, wenn sie von der Nanostruktur der Oberfläche gedehnt werden, während das poröse Muster eine schnellere Freisetzung von Kupferionen ermöglicht."
"Diese kombinierten Effekte führen nicht nur zu einer strukturellen Degradation der Bakterienzellen, wodurch sie anfälliger für die giftigen Kupferionen werden, sondern erleichtern auch die Aufnahme von Kupferionen in die Bakterienzellen", so Smith.
"Es ist diese Kombination von Effekten, die zu einer stark beschleunigten Beseitigung von Bakterien führt."
Dr. Daniel Liang von der CSIRO sagte, dass Forscher auf der ganzen Welt nach neuen medizinischen Materialien und Geräten suchen, die dazu beitragen könnten, die Zunahme von antibiotikaresistenten Superbakterien einzudämmen, indem sie den Bedarf an Antibiotika verringern.
"Medikamentenresistente Infektionen sind auf dem Vormarsch, und da nur begrenzt neue Antibiotika auf den Markt kommen, wird die Entwicklung von Materialien, die gegen Bakterien resistent sind, wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Lösung des Problems spielen", so Liang.
"Dieses neue Kupferprodukt bietet eine vielversprechende und erschwingliche Option zur Bekämpfung von Superbakterien und ist nur ein Beispiel für die Arbeit des CSIRO, die dazu beiträgt, das wachsende Risiko der Antibiotikaresistenz zu bekämpfen."
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