3D-gedruckte ferroelektrische Materialien eliminieren schädliche Bakterien, einschließlich E. coli

Ingenieur*innen der University of Bath haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Ulster erstmals erfolgreich ein neuartiges ferroelektrisches Verbundmaterial mit antimikrobiellen Eigenschaften in einem neuartigen Multimaterial-3D-Druckverfahren hergestellt.

Die elektrisch reagierenden ferroelektrischen Materialien verleihen Implantaten infektionshemmende Eigenschaften, was sie ideal für biomedizinische Anwendungen wie Herzklappen, Stents und Knochenimplantate macht, um das Infektionsrisiko für Patientinnen zu verringern.

Dr. Hamideh Khanbareh, Dozentin für Materialien und Strukturen in Bath, ist Hauptautorin der Forschungsarbeit. Sie sagt: “Biomedizinische Implantate, die Infektionen oder gefährliche Bakterien wie E. coli bekämpfen können, könnten für Patient*innen und Gesundheitsdienstleister von großem Nutzen sein.

Unsere Forschung zeigt, dass die ferroelektrischen Verbundwerkstoffe, die wir entwickelt haben, ein großes Potenzial als antimikrobielle Materialien und Oberflächen haben. Dies ist eine potenziell bahnbrechende Entwicklung, die wir gerne in Zusammenarbeit mit medizinischen Forschern oder Gesundheitsdienstleistern weiterentwickeln würden.”

Die Innovation beruht auf Ferroelektrizität, einer Eigenschaft bestimmter polarer Materialien, die eine elektrische Oberflächenladung erzeugen. In ferroelektrischen Filmen und Implantaten führt diese elektrische Ladung zur Bildung freier Radikale, sogenannter reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die Bakterien selektiv abtöten.

Das verwendete Kompositmaterial wird durch Einbettung ferroelektrischer Barium-Calcium-Zirkonat-Titanat (BCZT)-Mikropartikel in Polycaprolacton (PCL), einem biologisch abbaubaren Polymer, hergestellt. Das Gemisch wird dann in einen 3D-Biodrucker eingespeist, um eine poröse “Gerüstform” zu erzeugen, die eine große Oberfläche zur Förderung der ROS-Bildung aufweist.

Tests haben gezeigt, dass das Komposit selbst bei einer Kontamination mit hohen Konzentrationen aggressiver E. coli-Bakterien die Bakterienzellen vollständig abtöten kann. 70 % der Zellen wurden innerhalb von nur 15 Minuten abgetötet.