Winzige Goldstrahler braten Bakterien auf Implantaten
Im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen kann eine neue, an der Chalmers University of Technology entwickelte Technologie von großer Bedeutung sein, wenn beispielsweise Hüft- und Knieimplantate chirurgisch eingesetzt werden. Durch die Erhitzung kleiner Nanostäbchen aus Gold mit Nahinfrarotlicht (NIR) werden die Bakterien abgetötet, und die Oberfläche des Implantats wird steril. Die Forscher stellen nun eine neue Studie vor, die das Verständnis dafür erweitert, wie die Goldstäbchen durch Licht beeinflusst werden und wie die Temperatur in ihnen gemessen werden kann.
Die Abbildung zeigt, wie sich die Goldnanostäbchen bei der Beleuchtung mit NIR-Licht erhitzen. Bei Temperaturen über 120 Grad Celsius beginnen die Goldstäbchen ihre Form zu verändern, und ihre optischen Eigenschaften ändern sich.
Daniel Spacek, Neuron Collective, neuroncollective.com
Bei chirurgischen Eingriffen kann es zu Infektionen kommen, wobei sich das Risiko deutlich erhöht, wenn Fremdmaterialien, wie z. B. Knieprothesen, in den Körper implantiert werden. Das Vorhandensein des Materials schwächt das körpereigene Immunsystem, so dass in der Regel eine antibiotische Behandlung durchgeführt wird. Im Falle einer Infektion sind oft hohe Dosen von Antibiotika erforderlich, die über einen langen Zeitraum, manchmal lebenslang, eingenommen werden müssen. Dies birgt das Risiko einer zunehmenden Antibiotikaresistenz, die von der WHO als eine der größten Bedrohungen für die menschliche Gesundheit angesehen wird.
Hitze tötet die Bakterien auf der Implantatoberfläche ab
Die von den Chalmers-Forschern entwickelte Technologie ist eine Methode, bei der nanometergroße Goldstäbchen auf der Implantatoberfläche angebracht werden. Wenn Nahinfrarotlicht (NIR) auf die Oberfläche des Implantats trifft, erhitzen sich die Stäbchen und wirken wie winzige Heizelemente. Da die Heizelemente so klein sind, kommt es zu einer sehr lokalen Erwärmung, die alle Bakterien auf der Oberfläche des Implantats abtötet, ohne das umliegende Gewebe zu erwärmen.
"Die Goldstäbchen absorbieren das Licht, die Elektronen im Gold werden in Bewegung gesetzt, und schließlich geben die Nanostäbchen Wärme ab. Man könnte sagen, dass die Goldnanostäbchen wie kleine Bratpfannen funktionieren, die die Bakterien zu Tode braten", sagt Maja Uusitalo, Doktorandin an der Chalmers University und Hauptautorin der Studie, die in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht wurde.
NIR-Licht ist für das bloße Auge unsichtbar, hat aber die Fähigkeit, menschliches Gewebe zu durchdringen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Goldnanostäbchen auf der Oberfläche des Implantats im Körper zu erwärmen, indem die Haut beleuchtet wird. Die Goldstäbchen sind nur spärlich verteilt und bedecken nur etwa zehn Prozent der Oberfläche des Implantats. Dadurch bleiben die vorteilhaften Eigenschaften des Materials, wie zum Beispiel die Fähigkeit, sich mit dem Knochen zu verbinden, weitgehend erhalten.
"Der Trick ist, die Größe der Stäbchen anzupassen. Wenn man sie ein wenig kleiner oder größer macht, absorbieren sie Licht der falschen Wellenlängen. Wir wollen, dass das Licht, das absorbiert wird, Haut und Gewebe gut durchdringt. Denn wenn das Implantat erst einmal im Körper ist, muss das Licht auch die Oberfläche der Prothese erreichen können", sagt Martin Andersson, Professor und Forschungsleiter in Chalmers.
Präzise Messungen der Temperatur von Goldstäben
Um besser zu verstehen, wie die Technologie funktioniert und wie die NIR-erhitzten Goldnanostäbchen sowohl Bakterien als auch menschliche Zellen beeinflussen, mussten die Forscher die Temperatur der Stäbchen messen. Aufgrund ihrer winzigen Größe ist es unmöglich, die Temperatur mit einem normalen Thermometer zu messen. Stattdessen untersuchten die Forscher mit Röntgenstrahlen, wie sich die Goldatome bewegen. Die Methode ermöglicht es, die Temperatur der Goldstäbchen genau zu messen und zu sehen, wie die Temperatur durch die Intensität des NIR-Lichts reguliert werden kann.
" Die Temperatur darf 120 Grad Celsius nicht überschreiten, denn bei höheren Temperaturen verlieren die Nanostäbchen ihre Form und verwandeln sich in Kugeln. Dadurch verlieren sie ihre optischen Eigenschaften und können das NIR-Licht nicht mehr effektiv absorbieren, was eine Erwärmung der Stäbchen verhindert", sagt Maja Uusitalo.
Sie weist darauf hin, dass die Erwärmung sehr lokal ist und nur wenig Energie auf die Umgebung übertragen wird. Dies ist entscheidend, um eine Schädigung des umliegenden Gewebes zu vermeiden.
Die Forscher hoffen, dass die Methode auf viele verschiedene Implantatmaterialien wie Titan oder verschiedene Kunststoffe angewendet werden kann.
Goldstäbchen werden bei Aktivierung antibakteriell
Die Goldnanostäbchen selbst sind auf der Oberfläche völlig passiv, bevor sie durch das NIR-Licht erhitzt werden. Erst dann werden die Stäbchen aktiviert, werden heiß und lösen die antibakterielle Wirkung aus.
"Wir können steuern, wann die Oberfläche antibakteriell sein soll und wann nicht. Wenn wir das Licht ausschalten, ist die Oberfläche nicht mehr antibakteriell und kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Das ist ein Vorteil, denn viele antibakterielle Oberflächen haben normalerweise negative Auswirkungen auf die Heilung", sagt Martin Andersson.
Das Ziel ist es, diese Technologie schließlich im Gesundheitswesen einzusetzen.
"Wir glauben vor allem an die Verwendung von NIR-Licht zur Erwärmung kurz nach dem Einsetzen des Implantats und dem Nähen der Wunde. Indem wir die Goldnanostäbchen erhitzen, können wir alle Bakterien abtöten, die sich während der Operation auf der Prothese angesiedelt haben", sagt Martin Andersson.
Alle Bakterien sterben durch die Hitze der Goldnanostäbchen ab, aber auch normale Zellen können bei der Behandlung geschädigt werden.
"Wenn ein paar menschliche Zellen während des NIR-Erwärmungsprozesses zerstört werden, regeneriert der Körper schnell neue Zellen, so dass die Auswirkungen auf die Heilung minimal sind", sagt Martin Andersson.
Die Technologie mit NIR-erhitzten Goldnanostäbchen wurde bereits in der Krebsforschung untersucht, aber die Forschungsgruppe in Chalmers ist die erste, die diese Technologie einsetzt, um eine antibakterielle Oberfläche auf Implantaten mit hoher Präzision und Kontrolle zu schaffen.
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