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Fragestellung: Prothesen- und Implantat-assoziierte Infektionen führen oft zu großen klinischen Problemen. Auch wegen steigenden Antibiotikaresistenzen ist die Suche nach neuen anti-infektiven Strategien, die bakterielle Adhäsion und Biofilmbildung zu vermeiden, ein aktuelles Thema der Biomaterialforschung. Mittels Glancing Angle Deposition (GLAD) war es kürzlich gelungen, eine nanosäulenartige Titanoberfläche zu generieren, die allein durch physiko-mechanische Interaktion mit adhärenten Keimen eine antibakterielle Wirkung aufwies [1]. Dieser Effekt war dabei selektiv für adhärente gram-negative Bakterien. Ziel dieser Studie war es, den antimikrobiellen Effekt dieser Topographie durch zusätzliche Kombination mit Silber (Ag) bzw. Kuper (Cu) auf gram-positive und planktonische Keime auszuweiten.

Methodik: Die Titan-Nanosäulen wurden mittels GLAD-Methode hergestellt und hatten eine Höhe von h ≈ 500 nm. Eine 30 nm bzw. 60 nm dicke Schicht Cu bzw. Ag wurde zusätzlich auf die Nanosäulen gesputtert (Capping). Mittels GLAD-Methode wurden die Ti-Nanosäulen mit einer zusätzlichen 30 nm bzw. 60 nm dicken Ag oder Cu-Schicht dekoriert. Kontrollproben waren gesputterte Proben mit glatter, kompakter Ti-Schicht bzw. Ag oder Cu-Schicht. Zur mikrobiologischen Analyse wurden Testplättchen mit 10⁷ Keimen pro ml für 1h bei 37°C inkubiert. Adhärente Keime (E. coli und S. aureus) wurden fluoreszenzmikroskopisch mittels BacLight ™ analysiert. Planktonische Keime im Überstand wurden mit Hilfe serieller Verdünnungen auf Blutagar quantifiziert. Die bakterielle Morphologie wurde mittels REM analysiert. Die Bestimmung der Zellkompatibilität erfolgte fluoreszenzmikroskopisch nach Kultivierung mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) für 2 d bis 7d (Calcein-AM/ PI-Färbung).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der selektive antibakterielle Effekt durch Ti-Nanosäulen auf E. coli konnte bestätigt werden. Durch die zusätzliche Ag bzw. Cu-Dekoration der Ti-Nanosäulen wurde die antibakterielle Aktivität auf S. aureus und auf planktonische Keime ausgeweitet. Dabei zeigte Cu eine stärkere antimikrobielle Wirkung als Ag, wobei die Capping-Schichten (30 nm und 60 nm) zu einer stärkeren antibakteriellen Aktivität als eine glatte, kompakte Ag-Schicht führten. Die Analyse der Adhärenz und Morphologie von hMSC auf den reinen Ti-Nanosäulen zeigte vitale proliferierende Zellen. Funktionelle Beeinträchtigungen von hMSC traten durch die zusätzliche Ag bzw. Cu-Schicht auf, wobei Cu einen stärkeren toxischen Effekt auf Gewebszellen als Ag hatte.

Ag bzw. Cu dekorierte Titan-Nanosäulen zeigen antimikrobielle Wirkungen auf adhärente und planktonische gram-negative und gram-positive Keime. Eine Optimierung der Gewebskompatibilität muss durch weitere Reduktion der Ag. bzw. Cu-Dekoration erreicht werden.