Dringender Bedarf an neuen Strategien

Bakterien, die gegen Antibiotika resistent sind, und neu auftretende Viren stellen eine wachsende Bedrohung für das globale Gesundheitssystem dar. Jährlich stehen rund 5 Millionen Todesfälle mit antibiotikaresistenten Keimen in Verbindung. Viele Millionen Menschen starben während der COVID-19-Pandemie an den Folgen der viralen Infektion.

Darum arbeiten Empa-Forschende an dringend benötigten Strategien, um Krankheitserreger zu bekämpfen. Ziel ist es, die Ausbreitung resistenter Erreger und neuartiger Viren mit smarten Materialien und Technologien zu verhindern. Besonders geeignet sind Oberflächen, die regelmäßig mit Infektionserregern in Kontakt kommen, etwa Türklinken in Krankenhäusern oder Einrichtungsgegenstände in Operationssälen.

Ein interdisziplinäres Team aus drei Empa-Labors hat nun gemeinsam mit der tschechischen Palacký-Universität Olmütz eine umweltfreundliche und bioverträgliche Oberflächenbeschichtung aus Kunststoff entwickelt, die Keime zuverlässig abtötet. Das Besondere: Die Wirkung lässt sich immer wieder aufs Neue durch die Bestrahlung mit Licht aktivieren.

Mikroorganismen lokal und schnell abtöten

„Das neue Material ist so konzipiert, dass Mikroorganismen lokal und schnell abgetötet werden", erklärt Empa-Forscher Giacomo Reina vom Labor Nanomaterials in Health in St. Gallen.

Basis ist ein Grundgerüst aus Polyvinylalkohol, einem bioverträglichen Kunststoff, der auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird. Eingebettet in diese Matrix ist eigens synthetisierte Graphensäure, die aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bestens als antimikrobielle Beschichtung geeignet ist.

Ihr volles Potenzial entfaltet die Beschichtung durch die Verwendung von Nahinfrarot-Licht: Das Kompositmaterial absorbiert die Energie, wandelt sie in keimtötende Hitze um und regt zusätzlich die Bildung von Sauerstoffradikalen an, die Krankheitserregern weiteren Schaden zufügen.

Ein entscheidender Vorteil: Die Wirkweise unterscheidet sich komplett von klassischen Antibiotika. Damit bietet das Material einen kontinuierlichen Schutz gegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen, ohne Resistenzbildung zu fördern. „Unsere Laborexperimente konnten die Wirksamkeit des antimikrobiellen Materials gegen verschiedene Bakterien und Viren klar bestätigen", so Reina.

Rotlicht in der Mundhöhle

Eine erste Anwendung der Beschichtung entsteht derzeit in der Zahnmedizin. Empa-Forschende arbeiten dazu gemeinsam mit dem Zentrum für Zahnmedizin der Universität Zürich an einer Zahnschiene, die Mikroorganismen in der Mundhöhle abtötet.

Die Keimflora im Mund ist dabei ein besonders harter Gegner: Komplexe Bakteriengemeinschaften verstecken sich in schwer zugänglichen Nischen und sind in eine selbst produzierte, widerstandsfähige Biofilm-Matrix eingebettet. Antibiotika und Desinfektionsmittel durchdringen diese nur unzureichend.

Mit Licht und Nanomaterialien gegen resistente Keime

Das Team um Giacomo Reina entwickelt daher eine Kunststoffschiene, in die Nanomaterialien wie Graphensäure stabil integriert sind. Da Nahinfrarotlicht Gewebe einige Zentimeter tief durchdringen kann, lässt sich die Schiene in der Mundhöhle platzieren und von außen durch eine Lichtquelle aktivieren – und zwar beliebig oft.

Förderung

Möglich wird das Projekt durch die Unterstützung der Eduard Aeberhardt-Stiftung sowie einer weiteren Stiftung. Klinikdirektor Ronald Jung vom Zentrum für Zahnmedizin der Universität Zürich betont den Mehrwert dieses Ansatzes: „Derartige neue und innovative Lösungen werden einen grossen Mehrwert für Patientinnen und Patienten bieten", ist Jung überzeugt.

Originalpublikation:
Reina, G., Panáček, D., Rathammer, K., Altenried, S., Meier, P., Navascués, P., Baďura, Z., Bürgisser, P., Kissling, V., Ren, Q., Zbořil, R., & Wick, P. (2025). Light irradiation of N-doped graphene acid: Metal-free strategy toward antibacterial and antiviral coatings with dual modes of action. EcoMat. DOI:10.1002/eom2.70009

Quelle: Empa