Biofilminhibition durch Nano-Ceroxid-Komposite

Abstract

Die Natur nutzt die enzymatische Bromierung von bakteriellen Signalmolekülen als Abwehrmechanismus gegen Biofouling. Durch die Halogenierung wird die Zersetzung der Signalmoleküle ausgelöst und so die Bildung eines Biofilms verhindert. Die enzymatische Bromierung kann mit Hilfe von Ceroxid-Nanopartikeln nachgeahmt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Synthese-Entwicklung und -Optimierung von Ceroxid-Nanopartikeln für die Herstellung biofilminhibierender Oberflächen. Es wurden Nanopartikel-Synthesen optimiert, mit denen einfach große Mengen hergestellt werden können, um reale Anwendungen zu ermöglichen. Ceroxid-Nanopartikel wurden zur biofilminhibierenden Oberflächenausstattung von Lack- und Polymeroberflächen genutzt. Die katalytische Aktivität von Ceroxid-Nanostäbchen konnte durch Austausch des Alkalikations, des korrespondierenden Hydroxids, optimiert werden. Weiterhin wurden Polycarbonat- Oberflächen mit Ceroxid-Nanostäbchen beschichtet und nanopartikelhaltige Formkörper 3Dgedruckt. Zudem konnte eine neuartige, mikrowellenunterstützte Solvothermalsynthese von CeO2-Nanopartikeln in Butylacetat entwickelt werden, welche sich besonders für die Einbettung von Ceroxid-Nanopartikeln in Polyurethan-Lacke eignet. Die für die Oberflächenausstattung maßgeschneiderten Nanopartikel wurden auf ihre katalytischen Eigenschaften der oxidativen Bromierung von Phenolrot und die hergestellten Oberflächen auf ihre Biofilminhibierende Wirkung untersucht. Die Zusammensetzung des Biofilms wurde mit Hilfe von Lebend-/Tod-Färbung untersucht und seine Virulenz (Ansteckungsfähigkeit) mit einem Pyocyanintest analysiert. Während sich das Verhältnis von toten zu lebenden Bakterien innerhalb des Biofilms nicht änderte, sank die Gesamtzahl angefärbter Bakterien. Des Weiteren sank die Virulenz des getesteten Biofilms. Mit Hilfe von Zytotoxizitätstests wurde eine toxische Wirkung von CeO2-Nanopartikeln auf humane Zellen untersucht. Im Rahmen des durchgeführten Tests konnte keine toxische Wirkung festgestellt werden. Die haloperoxidasemimetische Wirkung der Nanopartikel wurde bewiesen, indem die oxidative Bromierung von 3-oxo-C14-HSL mit Hilfe von Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung nachgewiesen wurde. Die entwickelten Methoden könnten zukünftig für die Herstellung kommerzieller, biofilminhibierender Oberflächen genutzt werden.