Analyse antimikrobieller Kunststoffe

Dr. Christine SchröderLabor für Ökotoxikologie und MikrobiologieChempark Leverkusen, Q 18Telefon: +49 214 30 33303

E-Mail: christine.schroeder@currenta.de

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 2

EINSATZGEBIETE VON KUNSTSTOFF

� Verpackung umfasst vielschichtige Bereiche von Lebensmittelbranche bis zum Medizinbereich

� „Sonstige“ umfasst Haushaltswaren, Möbel, Landwirtschaft, Medizin, Spielwaren etc.

� Keine signifikante Veränderung über die letzten Jahre

http://www.plasticseurope.org/documents/document/20120508141857-grafiken_wpk_2012.pdf

Einsatzgebiete von Kunststoff in Deutschland:

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 3

MIKROBIOLOGISCHES WACHSTUM• Besiedlungen und Ausbreitungen von Bakterien auf Oberflächen , wie

z.B. Rohrleitungen, Behältern, Medizinprodukten oder Verpackungen, stellen ein großes Problem dar.

• Ausbreitung von infektiösen Krankheiten durch stark frequentierte Oberflächen:

• Das Wachstum pathogener Keime auf Kunststoffprodukten birgt ein hohes Gesundheitsrisiko. Viele Polymere, wie Polyester, Polypropylen oder Polyamide bieten eine geeignete Oberfläche für mikrobielles Wachstum.

• Oberflächen mit antibakterieller Wirkung könnten einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieser Probleme leisten.

Türgriffe Lichtschalter Böden

Tastatur Telefone Kühlschrank

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 4

MÖGLICHKEITEN FÜR ANTIMIKROBIELLE OBERFLÄCHEN• Mikroorganismen lassen sich in drei Hauptgruppen un terteilen:

Bakterien Pilze / Schimmelpilze Algensowie Hefen

• Grundsätzlich lassen sich zwei Wirkmechanismen bzw. Wirkintensitäten unterscheiden :

• Verhinderung der Ansiedlung

• Negativ geladene Oberflächen • niedrige Oberflächenenergie

(Lotus Effekt)

• Abtötung der Mikroorganismen

• Wachstumshemmende Wirkung• Biozide/ abtötende Wirkung

Abbildung verändert nach Siedenbindel et al. (2012)

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 5

VERWENDUNG VON BIOZIDEN IN KUNSTSTOFFEN UND BESCHICHTUNGEN Klassische Biozide:

• Biozide werden eingesetzt, um Polymere vor negativen Einflüssen durch Mikroorganismenbefall zu schützen.

• die aktive Substanz wird nach und nach freigegeben und migriert an die Oberfläche zur gezielten Abtötung von Mikroorganismen

• Biostabilisatoren (z.B. Arsen-basierte Verbindungen oder Isothiazole)• Antimikrobielle Wirkstoffe (z.B. Silber)• Antifouling-Farben (u.a. in der Schifffahrt z.B. Kupferthiocyanat)

Intrinsisch antimikrobielle Polymere• Biozide werden nicht freigesetzt, sondern sind als biozide Gruppen fest

ans Polymer gebunden• Beispielsweise quaternäre Ammonium- oder Phosphoniumverbindungen• die tensidartige Wirkung unterstützt die Entfernung der Mikroorganismen

von Oberflächen und wirkt bakterizid

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 6

ANALYTISCHER NACHWEIS ANTIMIKROBIELLER SUBSTANZEN

Spektroskopische Analyse Oberflächen- und Festkörperanalytik

Nachweis von BiozidenHPLCGC –(MS)LC – (MS)

Chromatographie

Nachweis von Gesamt-ChlorNachweis z.B. von Silber/ KupferICP-MSGFAASICP-OESRFA

ElementaranalytikElementanalytik

Ang

ebot

dur

ch C

UR

RE

NTA

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 7

• Hemmhof Test

• Cytotoxizitätstest (DIN EN ISO 10993)

• Suspensionstest (DIN EN 1040, EN 1276)

• Sprühtest

NACHWEIS DER ANTIMIKROBIELLEN WIRKUNG

Es gibt eine Vielzahl von Methoden zum Nachweis antimikrobieller Wirkung

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 8

• Der JIS (Japanese Industrial Standard) Z 2801-Test wurde 2000 für Kunststoffe entwickelt. 2007 wurde die Methode als ISO 22196 international normiert.

NACHWEIS DER ANTIMIKROBIELLEN WIRKUNG

5 x 5 cm große Proben (flüssige Proben wie Farben und Lacke werden auf Probenkörper aufgebracht)

Bakterienanzucht (spezifische Bakterienstämme) und Einstellen einer best. Zellzahl

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 9

5 x 5 cm große Proben (flüssige Proben wie Farben und Lacke werden auf Probenkörper aufgebracht)

Keimlösung wird auf das Probenplättchen gegeben

Bakterienanzucht (spezifische Bakterienstämme) und Einstellen einer best. Zellzahl

JIS Z 2801/ ISO 22196 – MESSUNG ANTIBAKTERIELLER AKT IVITÄT AUF KUNSTSTOFFOBERFLÄCHEN

Bestimmung der Keimkonzentration der Nullprobe zum Zeitpunkt t-Null

Bestimmung der Keimkonzentration

Ermittlung der Differenz der Keimzahlen der Proben im Vergleich zu den Kontrollproben

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 10

Ermittlung der Differenz der Keimzahlen der Proben im Vergleich zu den Kontrollproben

BEISPIEL: NACHWEIS EINER ANTIMIKROBIELLEN WIRKUNG

Parallele Untersuchung per Transmissionselektronenmikroskopie

Oberflächen- und Festkörperanalytik

Kunststoff mit Silberpartikeln Vergr.: 35000:1

Antimikrobielle Wirkung z.B. durch Silberpartikel

Beschichtungen,Farben und Lacke,

unterschiedlichste Oberflächen

Zusätzliche Untersuchung per ICP-MS, GFAAS, ICP-OES, RFA

Elementanalytik

Konzentrationvon Silber

Nachweis bis in den ppt-Bereich

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 11

BEISPIEL: NACHWEIS EINER ANTIMIKROBIELLEN WIRKUNG

Antimikrobielle Wirkung z.B. durch eine UV-Lampe

Ermittlung der Differenz der Keimzahlen der Proben im Vergleich zu den Kontrollproben

Untersuchung der antimikrobiellen Wirkung

Bakterien-kultur

Parallele Untersuchung der UV-Wirkung

Oberflächen- und Festkörperanalytik

UV-C-Bereich

253nm bis 255nm

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 12

ANTIBAKTERIELLE WIRKSAMKEIT

KontrolleAntimikrobielle Oberfläche

Test-Beginn

Inkubation24 h

Kei

mge

halt

Log

[KB

E/m

l]

Staphylococcus aureus

Dr. Christine Schröder11.09.2013 | Seite 13

ZUSAMMENFASSUNG• Stark frequentierte Oberflächen begünstigen die Ausbreitung von infektiösen

Krankheiten

• Oberflächen mit antibakterieller Wirkung liefern einen entscheidenden Beitrag zur Eingrenzung mikrobiellen Wachstums

• Additive, wie Biozide, verleihen Kunststoffen eine antimikrobielle Wirkung.

• Der Nachweis antimikrobieller Additive erfolgt durch chemische oder bildgebende Laboruntersuchungen.

• Der Nachweis einer antimikrobiellen Wirksamkeit wird durch mikrobiologische Laboruntersuchungen bestimmt.

Vielen Dank!