Winzige Goldstrahler töten Bakterien auf Implantaten ab
Kommt es zu einer bakteriellen Infektion, kann sich eine Endoprothese schnell lockern. Antibiotika helfen nicht immer. Zudem können sich Resistenzen bilden. Nun haben Forschende der Chalmers University of Technology im schwedischen Göteborg eine Technologie entwickelt, mit der Bakterien auf dem Implantat bereits während der OP abgetötet werden können.
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Das Team aus Göteborg heftet Nanostäbe aus Gold auf der Oberfläche des Implantats an. Werden diese mit Licht aus dem nahen Infrarotbereich (NIR) bestrahlt, erhitzen sie sich. Die winzigen Heizelemente führen zu einer lokalen Erwärmung, bei der alle Bakterien in der Umgebung abgetötet werden, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen. „Die Goldstäbe absorbieren das Licht, die Elektronen im Gold werden in Bewegung gesetzt und schließlich geben die Nanostäbe Wärme ab. Man könnte sagen, dass die Gold-Nanostäbe wie kleine Bratpfannen funktionieren, die die Bakterien zu Tode braten“, sagt Maja Uusitalo, Doktorandin an der Chalmers University und Hauptautorin der Studie, die in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht wurde.
Licht im Nahinfrarotbereich ist mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar. Es kann aber menschliches Gewebe durchdringen. Diesen Effekt nutzt das schwedische Team, indem es die Oberfläche des Implantats durch die Haut hindurch beleuchtet. Obwohl nur 10 % der Implantatoberfläche mit Goldstäbchen bedeckt sind, scheint die Methode zu wirken. Übrigens wird dadurch das Einwachsen der Prothese in den Knochen nicht beeinträchtigt.
„Der Trick besteht darin, die Größe der Stäbchen anzupassen. Wenn man sie etwas kleiner oder etwas größer macht, absorbieren sie Licht der falschen Wellenlängen. Wir wollen, dass das absorbierte Licht gut in Haut und Gewebe eindringt“, sagt Martin Andersson, Professor und Forschungsleiter bei Chalmers.
Präzise Temperaturmessung an den Nanostäbchen
Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Forschenden zuerst einmal, wie die durch das Licht erhitzten Gold-Nanostäbe den Bakterien zusetzen. Außerdem war es wichtig, die Auswirkungen der Hitze auf das menschliche Gewebe zu erfassen. Nun lässt sich aber die Temperatur im Nanobereich nur schlecht erfassen. Die Schweden setzten deshalb auf Röntgenstrahlen, die erfassen, wie sich die Goldatome bewegen. Die Methode ermögliche, so die Forschenden, eine präzise Messung der Temperatur der Goldstäbe und auch, wie die Temperatur über die Intensität des NIR-Lichts reguliert werden kann.
„Die Temperatur darf 120 °C nicht überschreiten, da die Nanostäbe bei höheren Temperaturen ihre Form verlieren und sich in Kugeln verwandeln. Dadurch verlieren sie ihre optischen Eigenschaften und können NIR-Licht nicht mehr effektiv absorbieren, was eine Erwärmung der Stäbchen verhindert“, sagt Maja Uusitalo. Die Forscher hoffen, dass die Methode bei vielen Implantatmaterialien funktioniert, etwa auf Titan oder bei verschiedenen Kunststoffen.
Goldstäbe wirken bei Aktivierung antibakteriell
Die Gold-Nanostäbe selbst sind auf der Implantatoberfläche völlig passiv, bis das NIR-Licht sie erhitzt. Erst durch die Lichtwirkung werden sie aktiviert, sie erhitzen sich und lösen die antibakterielle Wirkung aus. „Wir können steuern, wann die Oberfläche antibakteriell sein soll und wann nicht. Wenn wir das Licht ausschalten, ist die Oberfläche nicht mehr antibakteriell und kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Dies ist ein Vorteil, da viele antibakterielle Oberflächen normalerweise negative Auswirkungen auf die Heilung haben“, sagt Andersson.
„Wir glauben in erster Linie an die Verwendung von NIR-Licht zum Erhitzen kurz nach dem Einsetzen des Implantats und dem Nähen der Wunde. Durch das Erhitzen der Gold-Nanostäbe können wir alle Bakterien beseitigen, die sich während der Operation möglicherweise auf der Prothese festgesetzt haben“, sagt der Forscher.
