BacterioSafe: Aktiver Wundverband auf der Grundlage biologischer Mimikry / BacterioSafe: Active wound dressing based on biological mimicry

Bei einer Wundinfektion greifen Bakterien gesunde Zellen an, indem sie die Zellwand durch sekretierte Proteintoxine und Enzyme zerstören. Das neue biomimetische Konzept macht sich dieses natürliche Verhalten von Bakterien zunutze und entwickelte Nanokapseln, die durch diese zerstörerische Wirkung aufbrechen und antimikrobielle Substanzen sowie farbmetrische Indikatormoleküle freisetzen. Der innovative Wundverband wird mit diesen Nanokapseln beschichtet und gibt dann durch die bakterielle Wirkung Antibiotika und Farbmoleküle ab. Damit fungieren die Nanokapseln als einfacher optischer Indikator für bakterielle Infektionen der Brandwunde und eliminieren gleichzeitig den Infektionserreger. Bacteriosafe entwickelte verschiedene Arten von Nanokapseln und Nanopartikeln, u.a. Phospholipid-Fettsäure-Vesikel, amphiphile Blockcopolymer-Systeme, Nanokapseln mit polymerisierten Miniemulsionen sowie Hybridnanokapseln. Um die Nanokapseln auf das Verbandmaterial aufzubringen, wurden mehrere Verfahren wie Plasmaoberflächenmodifikation, dünne Klebefilme und oberflächengebundene Hydrogele getestet. An In-vitro-Zellgewebskulturen wurde anschließend der biologische Effekt immobilisierter und gelöster Nanokapseln bewertet. Bacteriosafe entwickelte mehr als 400 Varianten biomimetischer Nanokapseln und Nanopartikel mit unterschiedlichen chemischen Substanzen, Wandstärken und Mengen. Für das Aufbringen der Nanokapseln erwiesen sich Aerosolsprühverfahren, Tintenstrahldruck, Tauchbeschichtung, elektrostatische Bindung und Hydrogelschichten als geeignet. Mit mikrobiologischen Tests wurden die minimale inhibitorische Konzentration verschiedener Antiseptika und die Hyaluronidaseaktivität klinischer bakterieller Isolate ermittelt. Toxizitätstests gaben Aufschluss über Entzündungsmarker in Endothelzellen und Endotoxinrückstände. Intensiv wurde auch an der Stabilisierung der Nanokapseln geforscht, sodass nun mehrere optimierte Nanokapselsysteme existieren, die am Wundmodell validiert wurden. Der endgültige Prototyp des Wundverbands demonstrierte, dass durch die bakterielle zytolytische Aktivität Fluoreszenzindikatoren zusammen mit Antibiotika freigesetzt werden.

In an infected wound, bacteria attack healthy cells by rupturing the outer cell wall through secreted protein toxins and enzymes. Scientists used the natural behaviour of bacterial pathogens to rupture biomimetic polymer nanocapsules and release antimicrobials and colorimetric signalling molecules. In other words, this novel dressing uses the pathogenic factors to liberate antimicrobials and indicating molecules from surface-immobilised nanocapsules. Thus, the nanocapsules provide a simple optical indicator of bacterial infection in burn wounds while killing any infection. BacterioSafe developed different types of nanocapsules and nanoparticles including phospholipid fatty acid vesicles, amphiphilic block copolymer systems, mini-emulsion polymerised nanocapsules and hybrid nanocapsules. To immobilise the nanocapsules onto the non-woven materials, partners investigated various methods including plasma surface modification, deposition of "adhesive" thin films and surface-attached hydrogels. The biological performance of the nanocapsules, both immobilised and in suspension was evaluated in vitro using cell tissue cultures. The BacterioSafe project developed over 400 variations of biomimetic nanocapsules and nanoparticles after changing chemical composition, capsule wall thickness and cargo. Successful immobilisation processes included aerosol spraying, ink jet printing, dip coating, electrostatic attachment and embedding in hydrogel layers. Microbiological tests detected minimum inhibitory concentrations of different antiseptics and hyaluronidase activity of clinical isolates of bacteria. Toxicity tests investigated the effect of inflammatory marker expression in endothelial cells and determined endotoxin residues. Extensive efforts went into optimising the stability of the nanocapsules. As a result, several optimised nanocapsule systems validated in a simulated wound environment are now available. The final prototype already shows the potential of a wound dressing releasing fluorescent indicator along with antimicrobial components when exposed to bacterial cytolytic factors.

Beteiligte/Researchers:                                                                                                                   

Arbeitsgruppen von 11 Partnern aus Europa und Australien / Working-groups of 11 partners from Europe and Australia

Beteiligte der Abteilung / Participants of the department: Nina Dohm, Bernd Jansen

Förderung/Funding:

Europäische Kommission / European Commission (FP7-NMP 245500)

Zeitraum/Period:

2010 - 2014

Veröffentlichungen/Publications:

• Lotz A, Heller M, Dohm N, Cierniak P, Bender K, Jansen B, Förch R: Antimicrobial efficacy and optimized cell adhesion from defined plasma polymerised multilayer structures involving zinc acetylacetonate and allylamine. J Mat Chem 2012; 22: 19455-19461
• Sadat Ebrahimi MM, Dohm N, Müller M, Jansen B, Schönherr H: Self-reporting hydrogels rapidly differentiate among enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) and non-virulent Escherichia coli (K12). European Polymer Journal 2016; 81: 257–265