Charakterisierung der mikrobiellen Kontamination an Oberflächen

Am Fraunhofer IGB haben wir standardisierbare mikrobiologische Bewertungsmethoden entwickelt und auf unterschiedliche Fragestellungen angepasst, um beispielsweise den Hygienestatus von technischen Oberflächen zu überprüfen oder antimikrobiell wirksame Materialoberflächen bewerten.

Am Fraunhofer IGB stehen verschiedene Prüfverfahren zur Verfügung, die abhängig von der Fragestellung eingesetzt oder untereinander kombiniert werden. Auf der Basis mikrobiologischer, verfahrenstechnischer und/oder molekularbiologischer Arbeitsmethoden werden außerdem Testverfahren entwickelt und etabliert. Dies umfasst auch den Bau technischer Prüfaufbauten für anwendungsorientierte Untersuchungen.

Prüfung antimikrobiell ausgerüsteter Oberflächen

Für antimikrobiell ausgerüstete Oberflächen gibt es einen wachsenden Bedarf. Im Gesundheitswesen fallen beispielsweise hohe Ausgaben durch bakteriell ausgelöste Zahnerkrankungen an. Die sich im oralen Bereich etablierenden Biofilme sind deshalb besonders gefährlich, weil sie nicht nur Zahnschäden verursachen, sondern auch in andere Organe eindringen können.

Quantifizierung antimikrobieller Eigenschaften von Oberflächen: Verschiedene Proben im Vergleich.

Neue antimikrobiell wirksame Materialien für den Dentalbereich

In einer erfolgreichen Kooperation von Fraunhofer IGB mit dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC konnten innovative, antimikrobiell wirksame Materialien für den Einsatz im Dentalbereich entwickelt werden. Das Fraunhofer IGB stellte die mikrobiologischen Bewertungsmethoden zur Verfügung, um die biologische Wirkung der Materialien belegen zu können.

Mikrobiologische Untersuchung unterschiedlich photokatalytisch aktiver Oberflächen mit dem Testorganismus Micrococcus luteus, dessen gelbe Kolonien auf Agarmedium deutlich erkennbar sind.

Bewertung antimikrobiell wirksamer Kunststoffe

Für antimikrobiell wirksame Kunststoffe, ein Schwerpunkt des Fraunhofer-Verbunds Polymere Oberflächen POLO, wurden die bestehenden mikrobiologischen Bewertungsverfahren weiterentwickelt, sodass mikrobieller Bewuchs nun, qualitativ und quantitativ, auch auf flachen Formkörpern erfasst werden kann.

Anwendungsbeispiel: Bewertung photokatalytisch aktiver Oberflächen

Mikrobiell besiedelte Fassade.

Von photokatalytisch aktiven Oberflächen wird der Abbau organischer Substanz und die Inaktivierung mikrobieller Zellen erwartet. Photokatalytische Prozesse sind seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren insbesondere in Japan einen rasanten Aufschwung in der technischen Anwendung erfahren.  

Was ist Photokatalyse?

Photokatalyse ist die Umwandlung chemischer Substanzen unter dem Einfluss von Licht. Der Photokatalysator absorbiert die Energie des Lichts, überträgt sie auf eine reaktive Verbindung und löst so eine chemische Reaktion aus. Als Photokatalysatoren eignen sich Metallkomplexe und Halbleiter. Ein gebräuchlicher Photokatalysator ist Titandioxid (TiO2). Mit photokatalytischen Prozessen lassen sich organische Materialien abbauen. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung mikrobiellen Bewuchses an Oberflächen, unterstützen Reinigungsprozesse und werden darüber hinaus zur Luftreinhaltung und Wasseraufbereitung verwendet.

Photokatalytisch aktive Produkte ersetzen biozide Stoffe, verbessern die Reinigungseigenschaften von Oberflächen, reduzieren die Keimbelastung an hygienisch kritischen Arbeitsplätzen in der Medizin oder in der Lebensmittelindustrie und verhindern Algen- und Pilzbewuchs an Oberflächen im Außenbereich.

Teststand
Teststand zur biologischen Prüfung photokatalytischer Oberflächen.

Verfahren und Teststand

Das Fraunhofer IGB hat Verfahren entwickelt, die wertvolle Informationen über die mikrobiologische Wirksamkeit kommerzieller und neu entwickelter photokatalytischer Schichten für Entwickler und Anwender zugänglich machen. Das Bild zeigt einen Teil des Teststandes, in dem photokatalytisch ausgerüstete Oberflächen aktiviert und auf ihren Beitrag zur Inaktivierung von Testmikroorganismen überprüft werden.

Eine spezielle Methodik zur gezielten Kontamination der Oberflächen ermöglicht reproduzierbare und vergleichbare Untersuchungsergebnisse. Die antimikrobiellen Eigenschaften werden dabei mit verschiedenen Mikroorganismen überprüft. Die Auswahl der Mikroorganismen orientiert sich jeweils an den Anwendungen der Produkte. Zur Verfügung stehen verschiedene Bakterien-, Pilz- und Algenstämme, die z. B. im Sanitärbereich, an Außenfassaden oder für Anwendungen mit besonders hohen Ansprüchen an die Hygiene relevant sind.

Mikrobiologische Bewertung

Im Bild sind exemplarisch die Ergebnisse der mikrobiologischen Bewertung nicht photokatalytischer Proben (Kontrolle), kommerzieller photokatalytischer Produkte sowie verschiedener Entwicklungsstadien neuer Schichten, z. B. mit Titandioxid dargestellt. Die mikrobiologische Untersuchung erfolgte mit dem Testorganismus Micrococcus luteus, dessen gelbe Kolonien auf Agarmedium deutlich erkennbar sind.

Von links beginnend: Spalte 1: Bakterienkolonien nach Probenahme von einer nicht photokatalytischen Kontrolloberfläche, Spalte 2: Resultat mit einem als photokatalytisch am Markt befindlichen Produkt, Spalten 3-6: Resultate mit verschiedenen selbst hergestellten photokatalytisch aktiven Beschichtungen. Die ersten beiden Reihen zeigen das Wachstum der Testbakterien nach 7-stündiger, die beiden unteren Reihen nach 24-stündiger photokatalytischer Behandlungsdauer.

Referenzprojekte

Mikrobiologische Untersuchungen photokatalytisch ausgerüsteter Oberflächen – ein Praxistest

Um die Exposition von Kunststoffoberflächen unter praxisnahen Bedingungen zu untersuchen, wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojektes eine Versuchsanlage an der Nordwestseite des Fraunhofer IGB aufgebaut. Über einen Zeitraum von einem Jahr wurden verschiedene Kunststoffoberflächen, die von Projektpartnern photokatalytisch beschichtet worden waren, untersucht und die Wirksamkeit bewertet.

Bewertung photokatalytischer Schichten gegen Mikroorganismen an Oberflächen – Photokat

Ziel des vom BMBF geförderten Verbundprojekts »Photokat« war die Darstellung praxisgerechter, hochwirksamer Beschichtungen mit selbstreinigenden und selbstdesinfizierenden Eigenschaften auf der Basis photokatalytisch aktiver Titandioxidkomponenten für eine Vielzahl von Produkten mit einem breiten Anwendungsspektrum. Die mikrobiologische Bewertung der verschiedenen Schichten erfolgte am Fraunhofer IGB.