Aktive antimikrobielle Kunststoffmodifizierung basierend auf, durch Mikrowellenstrahlung synthetisierter, dendritischer Polymer-Nanokupfer-Verbindung

Zielsetzung des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines innovativen, antimikrobiellen Kunststoffadditivs, welches sich durch ein breites Wirkspektrum gegen Bakterien, Pilze und Algen auszeichnen sollte. Dazu sollten Kupfernanopartikel durch Mikrowellenstrahlung synthetisiert und zeitgleich in ein hochverzweigtes Polymer eingelagert werden. Anschließend sollten diese Kupfernanopartikel in verschiedene Polymermatrizes eingearbeitet werden. Das anvisierte Ergebnis war eine nanodisperse Einarbeitung in alle Polymere sowie die Erreichung eines hohen Wirkungsgrades bei einer minimalen Additivkonzentration. So sollte eine zuverlässige antibakterielle, fungizide und algizide Oberflächenausrüstung der Kunststoffe, bei gleichzeitiger minimaler Beeinflussung der Matrixeigenschaften ermöglicht werden. Durch diese Einlagerung bzw. Verkapselung der Kupfernanopartikel in der dendritischen Struktur sollte zum einen eine erhöhte Kompatibilität zwischen Kupfer und der jeweiligen Polymermatrix hergestellt und zum anderen eine gleichmäßig lang anhaltende Freisetzung des antibakteriellen, antimykotischen und algiziden Kupfers gewährleistet werden.

Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde ein antibakterielles, antimykotisches und algizides Additivsystem entwickelt, welches ein amphiphil modifiziertes, dendritisches, hochverzweigtes Polyethylenimin ist, in das über einen Mikrowellen-gestützten Syntheseprozess Kupfernanopartikel eingelagert werden. Bei der Mikrowellen-gestützten Synthese erreichte man einen Wirkungsgrad von 62 % bei einem Primärpartikeldurchmesser von rund 90 nm und monomodaler Partikelgrößenverteilung. Des Weiteren wurden diese Kupfernanopartikel zu einem Pulver aufbereitet und in verschiedenen Konzentrationen (0,5 Ma%, 1 Ma%, 2,5 Ma%, 5 Ma%) mittels Extrusion in handelsübliche Kunststoffe wie PP, PA6, PE-LD und TPE-S eingearbeitet. Diese Compounds wurden anschließend zu Folien und Spritzgussplatten weiterverarbeitet und deren Materialeigenschaften ermittelt. Hierbei wurde nachgewiesen, dass durch die Additivierung keine signifikante Veränderung der mechanischen und thermischen Eigenschaften auftrat. Weiterhin wirken alle Compounds, mit Ausnahme der PP-Compounds, ab einem Additivgehalt von 1 Ma% stark antibakteriell bzw. bakterizid gegen den Bakterienstamm S.aureus. Ab 1 Ma% wirken die PE-LD-Compounds und ab 2,5 Ma% die PA6-Compounds stark antimykotisch gegen C.albicans. Die algizide Wirksamkeit gegen Desmodesmus subsicatus tritt bei den PE-LD- und PA6-Compounds bei 2,5% Additivgehalt ein, wobei in den PP-Compounds 5 Ma% Additiv notwendig sind um eine algizide Wirksamkeit zu generieren. Es wurde nachgewiesen, dass mit Ausnahme der TPE-S-Compounds alle für eine antibakterielle, antimykotische und algizide Wirksamkeit ausreichend additivierten Compounds keine zytotoxische Wirkung gegenüber den Säugerzellen aufweisen. Die antibakterielle Langzeitwirkung ausgewählter Compounds im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen.

Anwendung

Das dendritische, hochverzweigte Kupfer-Hybrid-Polymer kann als  Additiv zur antimikrobiellen und algiziden Ausrüstung von Oberflächenbeschichtungen und im Vollmaterial verwendet werden. Die untersuchten funktionalisierten Polymercomposite weisen eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit gegen Pathogene Keime (z.B. S.aureus, K.Pneumoniae), Hefen (z.B. C.albicans) und eine algizide Wirksamkeit gegen Desmodesmus subspicatus auf. Die  funktionalisierten Kunststoffe zeigen eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit bei gleichzeitig vorhandener Biokompatibilität (Zytokompatibilität), sodass diese Materialien für Applikationen in der Medizintechnik geeignet wären.