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Fragestellung: Die Fähigkeit von Oberflächen allein durch deren Topographie das Verhalten adhärierender Zellen zu regulieren, ist ein aktuelles Thema der Biomaterialforschung. Erst vor kurzem wurde erstmals eine auf den Flügeln einer Zikade (Psaltoda claripennis) vorkommende Oberfläche beschrieben, die allein durch ihre physikalische Nanosäulen-Struktur antibakterielle Eigenschaften zeigte (cicade wing effect, Ivanova et al. 2012).

Ziel dieser Studie war es, diese natürlich vorkommende Oberflächentopographie aus Titan zu generieren, um neue bakteriophobe Oberflächen für Implantate oder Instrumente zu entwickeln.

Methodik: Zur Herstellung der cicada-wing-ähnlichen Metall-Nanosäulen wurde ein spezielles Magnetron-Sputter-Verfahren (Glancing Angle Sputter Deposition, GLAD) verwendet, mit dem es möglich ist, Titan-Nanosäulen (h≈80 nm) zu generieren. Die antimikrobielle Aktivität dieser Oberflächen wurde gegenüber S. aureus sowie E. coli im Vergleich zu gesputterten kompakten Titanflächen (Kontrolle) untersucht. Dazu wurden Testplättchen (5x5 mm) mit 10⁶ Keimen pro ml für 1h bzw. 3h bei 37°C inkubiert. Zur quantitativen Analyse der bakteriellen Adhärenz und Viabilität diente das BacLightTM Kit. Zusätzlich wurde die bakterielle Morphologie mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die Bestimmung einer Zellkompatibilität erfolgte durch Kultivierung mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) und nachfolgender Fluoreszenzmikroskopie (Calcein-AM und Propidiumjodid).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die initiale bakterielle Adhärenz von E. coli und S. aureus war auf der nanostrukturierten Oberfläche verglichen zur glatten kompakten Kontroll-Titanschicht nach einer Stunde Inkubation nicht signifikant unterschiedlich. Nach einer dreistündigen Inkubation konnte ein selektiver antibakterieller Effekt auf gram-negative E. coli nachgewiesen werden. Die Anzahl adhärierender E. coli nahm signifikant ab und verbliebene Keime wiesen eine irreguläre Morphologie oder Zerstörung der bakteriellen Zellwand auf. Im Gegensatz dazu konnten bei S. aureus keine derartigen Effekte beobachtet werden. Die Analyse der Adhärenz und Morphologie von eukaryotischen hMSCs auf den nanostrukturierten Titanprobekörpern zeigte im Gegensatz zu den gram-negativen Keimen keine Veränderung der Zellen. Morphologie, Viabilität und Proliferation war vergleichbar zu denjenigen der Zellen auf den glatten, kompakten Kontrollproben.

Durch eine säulenartige Nanostrukturierung ist es gelungen, eine Titanoberfläche zu generieren, die allein durch eine physiko-mechanische Interaktion mit adhärenten Gram-negativen Keimen eine antibakterielle Wirkung induziert. Die Weiterentwicklung derartiger von der Natur inspirierter Topographien kann zu neuen optimierten Implantat-Oberflächen führen.