Praxisnahes Prüfverfahren für Biofilme

Ausgangssituation

Bild 1: In einer wasserdurchströmten Rohrleitung hat sich ein typischer Biofilm gebildet.

Biofilme sind weit verbreitet und treten an natürlichen Materialien sowie an technischen Oberflächen, in Rohrleitungen (Bild 1), Produktionsanlagen oder medizinischen Geräten und Produkten auf. Grund dafür ist, dass die Mehrzahl der Bakterien eine oberflächenassoziierte Lebensweise bevorzugt. Mikrobielle Biofilme (Bild 2) entwickeln sich, sobald sich Mikroorganismen nach einem ersten Adhäsionsschritt irreversibel an eine Oberfläche gebunden haben und extrazelluläre Polymere bilden, die die Adhäsion begünstigen (Bild 3). Der Biofilm selber hat eine von Flüssigkeit durchströmte Struktur. In nährstoffarmer Umgebung erfolgt eine Aufkonzentrierung von Substraten. Die Polymermatrix bietet den im Biofilm organisierten Mikroorganismen auch Schutz vor inaktivierenden Umgebungsbedingungen. Dadurch wird die Eliminierung von Biofilmen äußerst schwierig und kostspielig.

Entwicklungsziel

Bild 2: Ausbreitung eines Biofilms auf einer Polypropylenfaser.

Um Biofilme zu verhindern, werden am Fraunhofer IGB verschiedene antimikrobielle Strategien eingesetzt und untersucht. Die mikrobiologische Bewertung der Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Materialoberfläche erfolgt nach normierten Verfahren, die anwendungstechnische Aspekte in vielen Fällen jedoch nur ungenügend abbilden. Im Fraunhofer IGB wurde daher ein Verfahren entwickelt, das durchströmte Leitungen oder Apparate simuliert und so praxisbezogene Bedingungen bei der Bewertung antimikrobieller Oberflächen ermöglicht.

Prüfverfahren für Biofilme

Bild 3: Aufbau der Biofilmmatrix bei Pseudomonas aeruginosa.

Bild 4: Schematische Darstellung des Prüfverfahrens für die Untersuchung der Biofilmbildung. Die Testorganismen werden unter definierten Bedingungen aus Bioreaktoren in die Messkammer (Fließzelle) eingetragen und hier gezielt angeströmt.

Bei dem Verfahren (Bild 4) werden Testorganismen unter kontinuierlichen Bedingungen aus Bioreaktoren in eine oder mehrere Messkammern (Fließzellen) eingetragen. Hier können die Proben gezielt angeströmt werden, um die Biofilmbildung unter definierten Bedingungen zu untersuchen. Das Verfahren wurde für verschiedene Fragestellungen ausgelegt. Bereits untersucht wurden Proben, die für Dentalanwendungen entwickelt wurden, ver-schiedene Kunststoffoberflächen mit unterschiedlichen Modifikationen oder auch Katheter für medizinische Anwendungen.

Anwendungen

Für die Produktentwicklung hat das Verfahren große Vorteile, weil der Aufwuchs von Biofilmen durch die Einstellung der Fließgeschwindigkeit, die Zusammensetzung der Testflüssigkeit (z. B. synthetischer Speichel oder Harn) und die Substratkonzentration den realen Bedingungen entsprechend gesteuert werden kann. Zudem können die Produkte bereits in einem relativ frühen Entwicklungsstadium hinsichtlich der Vermeidung von bakteriellem Aufwuchs geprüft werden.

Denkbar ist auch, mit derartigen Verfahren Reinigungsstrategien zur Eliminierung von Biofilmen zu simulieren, Reinigungslösungen zu testen und deren Wirkung zu untersuchen.