Design of nanoparticle systems with antimicrobial properties

Infektiöse Komplikationen im Zusammenhang mit Implantaten stellen einen Großteil aller Krankenhausinfektionen dar und treiben die Gesundheitskosten signifikant in die Höhe. Die bakterielle Kolonisation von Implantatoberflächen zieht schwerwiegende medizinische Konsequenzen nach sich, die unter Umständen tödlich verlaufen können. Trotz umfassender Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen ist das Spektrum an wirksamen Substanzen aufgrund der Anpassungsfähigkeit und Ausbildung von Resistenzen verschiedener Mikroorganismen eingeschränkt. Die Erforschung und Entwicklung neuer antibakterieller Materialien ist daher von fundamentaler Bedeutung.rnIn der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Polymernanopartikeln und anorganischen/polymeren Verbundmaterialien verschiedene Systeme als Alternative zu bestehenden antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen entwickelt. Polymerpartikel finden Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen, da sowohl Größe als auch Zusammensetzung und Morphologie vielseitig gestaltet werden können. Mit Hilfe der Miniemulsionstechnik lassen sich u. A. funktionelle Polymernanopartikel im Größenbereich von 50-500 nm herstellen. Diese wurde im ersten System angewendet, um PEGylierte Poly(styrol)nanopartikel zu synthetisieren, deren anti-adhesives Potential in Bezug auf P. aeruginosa evaluiert wurde. Im zweiten System wurden sog. kontakt-aktive kolloide Dispersionen entwickelt, welche bakteriostatische Eigenschaften gegenüber S. aureus zeigten. In Analogie zum ersten System, wurden Poly(styrol)nanopartikel in Copolymerisation in Miniemulsion mit quaternären Ammoniumgruppen funktionalisiert. Als Costabilisator diente das zuvor quaternisierte, oberflächenaktive Monomer (2-Dimethylamino)ethylmethacrylat (qDMAEMA). Die Optimierung der antibakteriellen Eigenschaften wurde im nachfolgenden System realisiert. Hierbei wurde das oberflächenaktive Monomer qDMAEMA zu einem oberflächenaktiven Polyelektrolyt polymerisiert, welcher unter Anwendung von kombinierter Miniemulsions- und Lösemittelverdampfungstechnik, in entsprechende Polyelektrolytnanopartikel umgesetzt wurde. Infolge seiner oberflächenaktiven Eigenschaften, ließen sich aus dem Polyelektrolyt stabile Partikeldispersionen ohne Zusatz weiterer Tenside ausbilden. Die selektive Toxizität der Polyelektrolytnanopartikel gegenüber S. aureus im Unterschied zu Körperzellen, untermauert ihr vielversprechendes Potential als bakterizides, kontakt-aktives Reagenz. rnAufgrund ihrer antibakteriellen Eigenschaften wurden ZnO Nanopartikel ausgewählt und in verschiedene Freisetzungssysteme integriert. Hochdefinierte eckige ZnO Nanokristalle mit einem mittleren Durchmesser von 23 nm wurden durch thermische Zersetzung des Precursormaterials synthetisiert. Durch die nachfolgende Einkapselung in Poly(L-laktid) Latexpartikel wurden neue, antibakterielle und UV-responsive Hybridnanopartikel entwickelt. Durch die photokatalytische Aktivierung von ZnO mittels UV-Strahlung wurde der Abbau der ZnO/PLLA Hybridnanopartikel signifikant von mehreren Monaten auf mehrere Wochen verkürzt. Die Photoaktivierung von ZnO eröffnet somit die Möglichkeit einer gesteuerten Freisetzung von ZnO. Im nachfolgenden System wurden dünne Verbundfilme aus Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogelschichten mit eingebetteten ZnO Nanopartikeln hergestellt, die als bakterizide Oberflächenbeschichtungen gegen E. coli zum Einsatz kamen. Mit minimalem Gehalt an ZnO zeigten die Filme eine vergleichbare antibakterielle Aktivität zu Silber-basierten Beschichtungen. Hierbei lässt sich der Gehalt an ZnO relativ einfach über die Filmdicke einstellen. Weiterhin erwiesen sich die Filme mit bakteriziden Konzentrationen an ZnO als nichtzytotoxisch gegenüber Körperzellen. Zusammenfassend wurden mehrere vielversprechende antibakterielle Prototypen entwickelt, die als potentielle Implantatbeschichtungen auf die jeweilige Anwendung weiterhin zugeschnitten und optimiert werden können.

rnDevice-associated infections are responsible for about 50% of nosocomial infections and significantly increase health care costs. Bacterial colonization and biofilm formation on implant surfaces result in medical sequelae, which can be fatal for critically ill patients. Despite of numerous research activity on antimicrobial surface modifications, the versatility of germs and resistance mechanisms have limited universally applicable solutions. Therefore, the development of new antimicrobial materials is of high interest.rnIn the present work, different novel, bioactive materials have been developed as new alternatives to existing antimicrobial surface coatings based on functional polymer colloids and inorganic/polymeric nanocomposite systems. The study comprises the thorough investigation of their structure-properties relations as well as the interactions with both prokaryotes and eukaryotes for the most promising candidates. rnPolymer colloids have been extensively used in many fields of applications due to their versatility in tailoring the particle size, composition and morphology. The miniemulsion process allows for the synthesis of functional polymeric nanoparticles (NPs) with a narrow size distribution in the range of 50-500 nm. Thus in the first approach, PEGylated poly(styrene) (PS) NPs have been synthesized by miniemulsion copolymerization and their anti-adhesive potential have been evaluated against P. aeruginosa. In the second approach, contact-active colloidal dispersions with bacteriostatic properties against S. Aureus have been developed by functionalizing PS NPs with biocidal quarternary ammonium groups using the previously quarternized, surface-active compound (dimethylamino)ethyl methacrylate (qDMAEMA) as a costabilizer. Further optimization was directed so as to increase the amount of quaternary ammonium entities on the nanoparticle surface. Thus, the surface-active qDMAEMA monomer was polymerized into surface-active PqDMAEMA polyelectrolyte to generate polylelectrolyte NPs via combined miniemulsion and solvent evaporation technique, which were able to sustain stable emulsions without additional stabilization of a cosurfactant. The colloidal PqDMAEMA prototype exhibited long-lasting (up to 5 days) selective toxicity towards S. aureus while being non-cytotoxic to mammalian cells on a short term basis to moderatly cytotoxic after 5 days, thus demonstrating its potential as promising bactericidal contact-active agent. Finally, two different leaching systems were developed based of the biocidal properties of nanoscale ZnO. Well-defined angular ZnO NPs of 23 nm diameter were synthesized by solvothermal methods and subsequently incorporated into PLLA latexes via combined miniemulsion/solvent evaporation techniques to generate a novel bioactive, stimuli-responsive colloidal hybrid system. The degradation of the core-shell ZnO/PLLA hybrid particles was significantly shortened by photocatalytic activation of ZnO by UV irradiation from months to several weeks, thus opening up the opportunity of triggering the ZnO release by further fine tuning. In the last approach, ZnO NPs were embedded into poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel layers to generate bactericidal surface coatings of nanocomposite thin films against E. coli. The thin films showed comparable antimicrobial activity to silver-based coatings at very low ZnO loadings, which could be conveniently tuned by varying the film thickness, while being non-cytotoxic to mammalian cells. Thus, several promising systems have been engineered, capable of reducing microbial colonization as potential implant coatings with the perspective of further optimization according to the desired application.