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Identifizierung geeigneter Prüfmethoden zur Bestimmung der mikrobioziden Wirksamkeit und Zellverträglichkeit einer mit PHMB experimentell beschichteten Titanlegierung und Schlussfolgerungen zur Eignung von PHMB als antimikrobielle Beschichtung

  • Ziel dieser Arbeit war der Nachweis der antimikrobielle Wirksamkeit von oberflächlich, durch einfache chemische Verfahren immobilisiertem PHMB auf Ti6Al4V-Oberflächen gegenüber Gram-positiven und Gram-negativen Erregern mit Standardmethoden und methodischen Varianten. Die Immobilisierung von PHMB auf Ti6Al4V-Oberflächen erfolgte entweder oxidativ durch die Behandlung der Prüfkörper mit 5 % H2O2 oder über eine alkalische Hydrolyse in 5 M NaOH-Lösung. Als Prüfmikroorganismen dienten die Gram-positiven Schleimbildner S. aureus (ATCC 29213/DSM 2569) und S. epidermidis (ATCC 35984/DSM 28319), als Gram-negativer Vertreter P. aeruginosa (ATCC 27853/DSM 1117). Die Biofilmbildungsintensitäten der eingesetzten Erreger wurden nach Anwendung der Kristallviolett-Färbemethode (Fletcher 1977) quantifiziert. Die Ermittlung der antimikrobiellen Wirksamkeit von PHMB-beschichteten Prüfkörpern erfolgte durch quantitative bzw. qualitative Methoden. Dafür wurden zwei Strategien verfolgt: (1) Herstellung des unmittelbaren Kontakts zwischen Mikroorganismen und antimikrobieller Oberfläche durch Verringerung des Flüssigkeitsvolumens des Kulturmediums mittels Vakuum- oder Wärmebehandlung; und (2) Untersuchung des Adhärenzverhaltens der Mikroorganismen nach 15 min und/oder 6 h Kontakt mit der PHMB-Beschichtung der Ti6Al4V-Prüfkörper. Die Etablierung eines ATP-Tests zur quantitativen Bestimmung der Bakterien war ebenfalls Bestandteil der Untersuchungen zur antimikrobiellen Wirksamkeit. Qualitativ erfolgte die Auswertung mit Hilfe von LIVE/DEAD-Färbungen und des CASO-Agar-Overlay-Tests. Die Validierung der effektiven mikrobioziden Wirksamkeit gegenüber S. epidermidis erfolgte in Co-Kultur-Versuchen mit den Osteoblasten-ähnlichen SaOs-2-Zellen. Während die Kultivierung von S. aureus und P. aeruginosa im verwendeten Zellkulturmedium DMEM/F12 möglich war, tolerierte S. epidermidis das Medium nicht. Die Entwicklung eines Co-Kulturmediums, bestehend aus 10 % CASO-Bouillon und 90 % Zellkulturmedium, ermöglichte sowohl das Wachstum der Bakterienspecies als auch das der SaOs-2 Zellen, was eine wichtige Voraussetzung für weiterführende Co-Kulturen war. Die Produktion eines Biofilms konnte bei allen Erregern mittels Kristallviolett-Färbung nachgewiesen werden. Nach Herstellung des direkten Kontaktes zwischen den Prüfmikroorganismen und der antimikrobiellen Oberfläche durch Reduzierung des Flüssigkeitsvolumens der applizierten Bakteriensuspensionen, resultierten Reduktionsraten von 3 – 5 log10 für S. aureus und S. epidermidis. Der Gram-negative Erreger P. aeruginosa ist hingegen mit nur 0,5 – 1,5 log10-Stufen Reduktion für diese Methoden als ungeeignet einzustufen ist, da ein Absterben des Erregers aufgrund von Austrocknung nicht auszuschließen war. Die Adhärenz der eingesetzten Mikroorganismen nach 15 min Kontaktzeit und anschließender Inkubation bei 37 °C für 6 h, resultierte in Reduktionsraten von 4 – 5 log10 für S. aureus, 1 – 5 log10 für P. aeruginosa und 3 – 4 log10 für S. epidermidis. Mit PHMB beschichtete Ti6Al4V-Prüfkörper, die in einer Bakteriensuspension für 6 h unter dynamischen Bedingungen inkubiert wurden, zeigten nur Reduktionsraten von ca. 1 – 3 log10-Stufen gegenüber den Testbakterien. Nach 15 min Kontaktzeit auf einer kontaminierte Agar-Oberfläche und weiteren 6 h Inkubation bei 37 °C, konnten auf antimikrobiellen PHMB-Oberflächen Reduktionen von 1 – 2 log10-Stufen ermittelt werden. In angewandten Co-Kulturtests mit S. epidermidis und SaOs-2 Zellen konnte die antimikrobielle Wirksamkeit der PHMB-beschichteten Oberfläche bestätigt werden. Die antimikrobiell wirksame PHMB-Schicht auf den eingesetzten Ti6Al4V-Prüfkörpern benötigt zur Abtötung von Erregern den direkten Kontakt zwischen der Oberfläche und den Prüfmikroorganismen, um wirksam zu sein. Zudem konnte ermittelt werden, dass PHMB ausschließlich auf der Oberseite der Prüfkörper immobilisiert werden konnte, was die Mikrobiozidie-Testung mit herkömmlichen Methoden erschwert. Es konnte bestätigt werden, dass oberflächlich immobilisiertes PHMB auf Ti6Al4V-Prüfkörpern sowohl Gram-positive als auch Gram-negative Bakterien bei direktem Kontakt abtötet. Als am besten geeignet für die Testung dieser Oberfläche erwies sich die 6 h-Adhärenz-Methode, bei der nach 6 h oberflächlichem Kontakt quantitativ und qualitativ keine überlebenden Mikroorganismen nachgewiesen werden konnten.

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Metadaten
Author: Melanie Hornschuh
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-38901
Title Additional (English):Identification of suitable test methods to determine the microbiocidal effectiveness and cell compatibility of a titanium alloy experimentally coated with PHMB and conclusions on the suitability of PHMB as an antimicrobial coating
Referee:Prof. Dr. med. Axel Kramer, Prof. Dr. rer. nat. Bernd Kreikemeyer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/08/17
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2020/07/17
Release Date:2020/08/17
GND Keyword:PHMB, Wirksamkeitstestung, antimikrobiell
Pagenumber:98
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Hygiene und Umweltmedizin
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit