In Zeiten hohen Infektionsrisikos bedarf es wirksamer Schutzma\u00dfnahmen. Die Vermeidung von \u00dcbertragungswegen durch kontaminierte Oberfl\u00e4chen ist ein wichtiger Bestandteil. Bekannt ist, dass photokatalytisch aktive Beschichtungen die mikrobielle Belastung reduzieren. Um die Effizienz dieser durch Licht getriebenen Reaktion zu erh\u00f6hen, wurde innerhalb des Projekts \u00bbCovid-DEKONT\u00ab eine neuartige Materialzusammensetzung entwickelt und in Werkstoffe eingebracht. Durch die Kombination von kupferdotiertem Titandioxid mit Schichtsilikaten konnte ein synergistischer Effekt erzielt werden, der die Mikroorganismen effektiver mit den Katalysatoren in Kontakt bringt und deren Inaktivierung beschleunigt.<\/b><\/p>\n
Um die derzeit grassierende COVID-19-Pandemie einzud\u00e4mmen, geh\u00f6rt neben zahlreichen Schutzma\u00dfnahmen auch die aktive Desinfektion von h\u00e4ufig ber\u00fchrten Gegenst\u00e4nden wie beispielsweise T\u00fcrklinken, Treppengel\u00e4nder, Tische oder Einkaufswagen bereits zu unserem Alltag. Ohne Desinfektion h\u00e4ngt die Dauer, die Viren auch ohne Wirtszelle \u00fcberlebensf\u00e4hig sind, von vielen Randbedingungen ab. Hierauf haben vor allem die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit, UV-Strahlung sowie die Materialzusammensetzung und Eigenschaften einer Oberfl\u00e4che einen signifikanten Einfluss. Es ist also ein komplexes Zusammenspiel von zahlreichen externen Faktoren. Ziel der Forschungsarbeiten des Fraunhofer IFAM in Kooperation mit der Universit\u00e4t Szeged in Ungarn war es, hierf\u00fcr eine flexible Beschichtungsl\u00f6sung f\u00fcr Bauteiloberfl\u00e4chen zu entwickeln, die eine zuverl\u00e4ssige und dauerhafte Dekontamination ohne chemische Behandlung erm\u00f6glicht und gleichzeitig im gro\u00dfen Ma\u00dfstab kosteng\u00fcnstig realisierbar ist.<\/p>\n
In ersten Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer IFAM zu silberdotierten Titandioxid-Photokatalysatoren interkaliert in Schichtsilikaten und dispergiert in einem Polyurethan-Lack \u2013 kurz PU-Lack \u2013 konnte gezeigt werden, dass eine Applikation des Lacks auf Oberfl\u00e4chen eine erfolgreiche Dekontamination von Bakterien als auch Viren erm\u00f6glicht \u2013 und dies im Bereich des sichtbaren Lichts bei einer Wellenl\u00e4nge > 430 nm. Einen bestimmenden Faktor f\u00fcr diesen schnellen und effektiven Wirkmechanismus bilden die Schichtsilikate selbst, die auf der Oberfl\u00e4che wenige Nanometer gro\u00dfe aktive Zentren ausbilden und damit den direkten Kontakt zwischen den Mikroorganismen und den\u00a0photoaktiven Substanzen erm\u00f6glichen. Diese Entwicklung wurde bereits patentiert (DE 10 2012 219 918 B4).<\/p>\n
In einem weiteren Ansatz sollte das Silber durch Kupfer substituiert und mit einem skalierbaren Fertigungsansatz hergestellt werden. Vor dem aktuellen Hintergrund der COVID-19-Pandemie sollte die Wirksamkeit nicht nur gegen Bakterien, sondern auch gegen Viren getestet werden. F\u00fcr die Laborarbeit mit Mikroorganismen existieren aus gutem Grund strenge Sicherheitsbestimmungen. Eingesetzt wurden daher Modellmikroorganismen, welche aufgrund ihrer Struktur, Umweltstabilit\u00e4t und Desinfizierbarkeit vergleichbar, aber nicht humanpathogen sind.<\/p>\n
Dass silberdotiere Photokatalysatoren f\u00fcr die genannte Anwendung eingesetzt werden k\u00f6nnen, ist in der Fachliteratur umf\u00e4nglich beschrieben. Verschiedene Studien verweisen darauf, dass der Einsatz von Nanosilber aber auch Gefahren f\u00fcr Lebewesen und Umwelt birgt. Nanosilber kann beispielsweise \u00fcber die Haut in den K\u00f6rper gelangen und ist deshalb umstritten. Zudem ist der hohe Preis des Metalls ein weiteres Argument, um nach Alternativen zu suchen und f\u00fcr die industrielle Anwendung eine sichere und kosteng\u00fcnstige Beschichtung zu entwickeln.<\/p>\n
F\u00fcr die Produktion des kupferdotierten Photokatalysators wurde am Fraunhofer IFAM ein Prozess entwickelt, der auch die Herstellung gr\u00f6\u00dferer Mengen schon im Laborma\u00dfstab erlaubt. Anschlie\u00dfend konnte der Katalysator in einem PU-Lacksystem dispergiert als auch in thermoplastische Polymere kompoundiert werden. Die thermoplastischen Polymere lie\u00dfen sich leicht zu Filamenten extrudieren, die mit dem 3D-Druck-Verfahren Fused Filament Fabrication (FFF) zu komplexen Bauteilen verdruckt werden konnten. Untersucht wurde der Einfluss verschiedener F\u00fcllgehalte des Photokatalysator-Komplexes auf deren Wirksamkeit.<\/p>\n
Die Versuchsreihen zeigten, dass F\u00fcllgehalte des Photokatalysator-Komplexes von rund 35 Gewichtsprozent im PU-Lack und 50 Gewichtsprozent im Polymer sehr gute antibakterielle und antivirale Abbauergebnisse erzielen. Innerhalb von zwei Stunden konnte sowohl unter UV-Licht als auch mit einer sonnenlicht\u00e4hnlichen Lichtquelle eine Abbaurate von \u00fcber 80 Prozent gegen\u00fcber den Kontrollbauteilen erzielt werden. Im Ergebnis kann das Silber durch Kupfer in den unterschiedlichen Anwendungen vollumf\u00e4nglich ersetzt werden. Auch dieses Verfahren wurde zum Patent angemeldet. Je nach Fragestellung k\u00f6nnen Unternehmen von diesen Forschungsergebnissen profitieren und Machbarkeitsstudien zur Anwendung f\u00fcr ihre eigenen Produkte am Fraunhofer IFAM beauftragen. Eine umfangreiche Analytik am Institut kann dabei s\u00e4mtliche Entwicklungsschritte wissenschaftlich begleiten und validieren.<\/p>\n
Neben der Materialentwicklungskompetenz bietet das Fraunhofer IFAM zahlreiche Analysem\u00f6glichkeiten an, um die Wirksamkeit von antiviralen und antibakteriellen Oberfl\u00e4chen und Desinfektionsverfahren durch effiziente, objektive und aussagekr\u00e4ftige Testverfahren nachzuweisen. Mannigfache Wirkmechanismen und Anwendungsbedingungen erfordern dabei eine grundlegende Expertise sowohl im material- als auch im biowissenschaftlichen Bereich. Im mikrobiologischen Analytiklabor des Fraunhofer IFAM arbeiten daher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen Fachgebieten wie der Materialforschung und der Mikrobiologie eng vernetzt an der Durchf\u00fchrung und Weiterentwicklung von Testmethoden zum Nachweis der antimikrobiellen Wirksamkeit. Daf\u00fcr stehen moderne Pr\u00fcf- und Analysemethoden zur Verf\u00fcgung, die das gesamte Entwicklungsspektrum eines Produkts begleitend unterst\u00fctzen oder final validieren k\u00f6nnen. Zu den etablierten Verfahren z\u00e4hlen der Plaque-Assay zur Quantifizierung von infekti\u00f6sen, zytopathischen Viren, der auf der sichtbaren Ver\u00e4nderung der infizierten Zellen beruht. Eine vergleichbare Wirksamkeitspr\u00fcfung gegen\u00fcber Bakterien l\u00e4sst sich mit einem Proliferationstest realisieren. Mit diesem Testverfahren wird ermittelt, ob und wie stark die Vermehrung der Bakterien in Abh\u00e4ngigkeit des eingesetzten Wirkstoffs im Vergleich zu einer Kontrollprobe gehemmt wird. Die M\u00f6glichkeit spezifische Versuchsbedingungen wie zum Beispiel Beleuchtungsszenarien zu realisieren und diese in die Testung einzugliedern, rundet die Expertise des Fraunhofer IFAM ab.<\/p>\n
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