Nanostrukturen gegen Bakterien – Im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes werden Oberflächen von Titan-Implantaten mit bakteriziden Eigenschaften ausgestattet

Zahnimplantate aus Titan sollen mit einer strukturierten Oberfläche ausgestattet werden. (Bild: Institut Straumann AG)

Im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes untersucht ein interdisziplinäres Team, wie mit einer Nanostruktur das Wachstum von Bakterien und die Bildung von Biofilmen auf Titanimplantaten verhindert werden kann. Forschende der Departemente Physik und Zahnmedizin der Universität Basel arbeiten dabei eng zusammen mit der Hochschule für Life Sciences der FHNW sowie dem Institut Straumann AG (Basel). Dr. Laurent Marot und Dr. Khaled Mukaddam (beide Universität Basel) leiten das Projekt.

Ausbildung von Biofilmen vermeiden
Bakterien sind überall – auch in und auf dem menschlichen Körper. Zu einem Grossteil sind diese Bakterien nützlich, in einigen Fällen bereiten sie jedoch Probleme – beispielsweise auf Implantaten. Bakterien können daran haften und Biofilme bilden. Es kommt zu Entzündungen, die zum Verlust des Implantats führen können.

Das Bakterienwachstum lässt sich teilweise durch Antibiotika eindämmen. Es kommt aber immer häufiger zur Ausbildung von Resistenzen und wenn sich erst einmal ein Biofilm gebildet hat, nützen selbst wirksame Antibiotika oft nichts mehr, da nur die äussere Bakterienschicht damit in Kontakt kommt. Es wäre also wünschenswert, eine Lösung zu finden, die gleich beim Einsetzen des Implantats die Besiedlung von Bakterien verhindert.

Mit unterschiedlich grossen und hohen Oberflächenstrukturen soll das Wachstum von Bakterien und die Bildung von Biofilmen verhindert werden. (Bild: Zahnmedizin/Nano Imaging Lab, Universität Basel)

Von der Natur lernen
In der Natur gibt es einige Beispiele wie Oberflächen ohne Antibiotika keimfrei bleiben können. So weist die Flügeloberfläche der Zikade eine Vielzahl von winzigen Säulchen auf und auch die Haut eines Geckos besitzt Nanostrukturen, die verhindern, dass sich Biofilme darauf bilden können. Es liegt nahe, auch die Oberflächen von Implantaten so zu strukturieren, dass Bakterien darauf nicht wachsen und Biofilmen bilden.

Im Fokus stehen im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes Oberflächen aus Titan und Titanlegierungen, die bereits für Implantate verwendet werden. Im Departement Physik der Universität Basel wurde ein Prozess entwickelt, mit dem die Oberflächen der Legierungen auf unterschiedliche Art und Weise strukturiert werden können.
Nun untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, welche Strukturen Bakterien verschiedener Grösse möglichst effektiv hemmen. Sie wenden dazu verschiedene mikroskopische Methoden an. Unter anderem wird mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht, welche Adhäsionskräfte zwischen Bakterium und den unterschiedlichen Oberflächen existieren.

Gute Basis für Gewebezellen
Die ideale Nanostruktur – insbesondere auf Zahn-implantat-Oberflächen – soll aber nicht nur das Wachstum von Bakterien verhindern, sondern auch ermöglichen, dass Zellen des umliegenden Gewebes besonders gut daran haften. Die Forschenden erwarten, dass auch dadurch die Besiedlung mit Bakterien in dem Raum zwischen Implantat und Gewebe reduziert werden kann und Entzündungen damit vermieden werden können.

«Wir freuen uns auf dieses Projekt, bei dem Partner mit ganz unterschiedlicher Expertise zusammenkommen. Wir planen die strukturierten Implantat-Oberflächen in vivo für die präklinische Evaluation zu testen, mit dem klaren Ziel, unseren Kunden die bestmöglichen Lösungen anbieten zu können.»

Dr. Raphael Wagner, Leiter Surfaces Research, Institut Straumann AG

Weitere Informationen:

Institut Straumann AG

Universität Basel

Hochschule für Life Sciences (FHNW)