Biofilme – Charakterisierung und Vermeidungsstrategien

Mikroorganismen an Oberflächen sind in der Natur weit verbreitet. Bakterien, Pilze und Algen haben sich an ein Wachstum an verschiedenen Oberflächen angepasst und profitieren in erheblichem Maß von dieser an den jeweiligen Standort adaptierten Lebensweise, beispielsweise auf Steinen in einem Bach – aber auch in Rohrleitungen. Sichtbar wird ihr Wachstum für das menschliche Auge dann, wenn Biofilme sich in exorbitantem Ausmaß entwickeln. Häufig bewirkt das mikrobielle Wachstum eine Schädigung des Materials oder eine Funktionsminderung technischer Einrichtungen.

Am Fraunhofer IGB arbeiten wir seit mehreren Jahren an Fragestellungen, bei denen die Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen Zellen und Oberflächen bzw. die Bildung von Biofilmen eine Rolle spielen. Einerseits nutzen wir Biofilme, z. B. durch gezielte Immobilisierung von Mikroorganismen an einem Trägermaterial, zur Produktion von Wertstoffen oder bei der Abwasserreinigung.

 

Vermeidung und Bekämpfung von Biofilmen

Auch die Vermeidung und Bekämpfung von Biofilmen – dort wo sie unerwünscht sind und Schäden verursachen – unterstützen wir durch unsere Forschung. So haben wir Prüfverfahren für die Untersuchung von Biofilmen entwickelt und untersuchen Oberflächen und Bauteile in Medizintechnik, Bau, Abwasserreinigung und Hygiene auf mikrobiologische Kontaminationen.

Beispiele für Schäden durch Biofilme sind die Verschlechterung des Wirkungsgrades von Wärmetauschern oder Klimaanlagen. Auch im Gesundheitssektor werden enorme Anstrengungen unternommen, um das Wachstum von Biofilmen an natürlichen Oberflächen wie Zahnmaterial, aber auch an synthetischen Materialien wie Implantaten, Kathetern oder medizinischen Geräten zu verhindern – auch wegen enormer Folgekosten im Falle einer Schädigung des Menschen.

Was sind Biofilme?

Was genau sind eigentlich Biofilme und wie entstehen sie?

Praxisnahes Prüfverfahren für Biofilme

Vermeidung von Biofilmen – durch antimikrobielle Oberflächenmodifikation

Um Biofilme schon an der Entstehung zu hindern, ist  die Anwendung geeigneter antimikrobieller Oberflächenmodifikationen, beispielsweise durch Anbindung biozider Substanzen oder eine photokatalytische Ausrüstung, angezeigt. Eine entsprechende Oberflächengestaltung kann die mikrobielle Adhäsion an der Materialoberfläche oder die Vermehrung der Zellen von vorneherein unterbinden.

Am Fraunhofer IGB haben Grenzflächenforscher in Zusammenarbeit mit Mikrobiologen und Zellbiologen bereits verschiedene Oberflächenausrüstungen entwickelt. Ihre Charakterisierung kann mithilfe physikalischer und chemischer Verfahren erfolgen, ihre biologische Wirksamkeit lässt sich allerdings nur mit lebenden Systemen nachweisen.

Referenzprojekte

FoaM-BUILD – Wärmedämmverbundmaterial mit Feuchtigkeitskontrollystem zur Vermeidung von mikrobiellem Bewuchs

Ein leichter, nanozellulärer Schaum mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit und nicht-halogenierten Flammschutzmitteln soll dabei entwickelt werden. Des Weiteren sorgt ein Feuchtigkeitskontrollsystem – basierend auf einem Sensornetzwerk – für die gezielte Trocknung der Fassade um mikrobiologisches Wachstum zu verhindern.

Laufzeit: September 2013 – August 2017

OSIRYS – Bessere Raumluft dank holzbasierter Verbundwerkstoffe

 

Entwicklung sicherer, energieeffizienter und erschwinglicher neuer Öko-Materialien für innovative Gebäudehüllen und Innenwände mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Schaffung eines gesunden Raumklimas.

 

Laufzeit: Juni 2013 – Mai 2017

BioCapabili – Antibakterielle Knochenimplantate zur Vermeidung lokaler Infektionen

Im binationalen Projekt BioCapabili arbeiten das Fraunhofer IGB und das französische Carnot-Institut CIRIMAT zusammen, um bioaktive, biomimetische CaP-Apatite mit verschiedenen antimikrobiellen Verbindungen auszurüsten und umfassend zu untersuchen. CaP-Apatite wurden am CIRIMAT hergestellt, mit dem Fokus auf Synthese, Charakterisierung und Oberflächenaktivität. Alternative Oberflächenmodifikationen sowie die biologische Charakterisierung der modifizierten CaP-Apatite erfolgten am Fraunhofer IGB.

 

BIOCLEAN –

Biofilm-Management und -Reinigung durch die Nutzung des grundlegenden Verständnisses von kombinierten biologischen, chemischen und physikalischen Ansätzen

 

BIOCLEAN widmet sich dem dringenden Bedarf nach einem nachhaltigen Ausbildungsnetzwerk zwischen Wissenschaft, Industrie und dem Gesundheitswesen., um hochqualifizierte, multidisziplinäre junge Wissenschaftler mit Kompetenzen in den Bereichen Chemie, Ingenieurwesen und experimenteller Nasslaborbiologie hervorzubringen. Damit schließt es eine Lücke in Europa und darüber hinaus.

 

Laufzeit: Oktober 2016September 2020