Spezial: Licht an für Hydrogele

Biomimetisches Hydrogel Nach einer Operation, bei der Behandlung von Wunden oder bei der Gewebezucht sind Infektionen eine gefürchtete Bedrohung, die lebensgefährlich werden kann. Biomimetische Hydrogele mit „eingebauten“ antimikrobiellen Eigenschaften können diese Gefahr deutlich mindern.

Wird das Hydrogel mit rotem Licht bestrahlt, produziert es reaktive Sauerstoffspezies. Diese töten Bakterien und Pilze ab. (Bild: Foto: Wiley-VCH)
Wird das Hydrogel mit rotem Licht bestrahlt, produziert es reaktive Sauerstoffspezies. Diese töten Bakterien und Pilze ab. (Bild: Foto: Wiley-VCH)

Ein Hydrogel ist ein molekulares Netzwerk, in dessen „Maschen“ Wasser eingelagert ist. Antimikrobielle Hydrogele lassen sich z. B. durch Einmischen oder Anknüpfen antimikrobieller Komponenten an ein polymeres Gel herstellen. Die Forscher von der Hebei University of Technology, ­Tianjin (China), der Radboud University, ­Nijmegen (Niederlande), sowie der University of Queensland, Brisbane (Australien), wählten einen alternativen Weg und nahmen die fotodynamische antimikrobielle Chemotherapie zum Vorbild.
Dabei werden sogenannte Fotosensibilisatoren durch Licht in einen angeregten Zustand versetzt. Durch einen strahlungslosen Übergang gelangt der Fotosensibilisator in einen anderen, langlebigen Anregungszustand. Dabei kann Energie auf Sauerstoffmoleküle übertragen werden. So entstehen hochreaktive Sauerstoff­spezies, die Mikroben abtöten.
Bisherige synthetische Gele mit foto­dynamischen antimikrobiellen Aktivitäten sind jedoch meist weder biokompatibel noch bioabbaubar. Produkte aus biologischen Quellen bergen das Risiko von Kontaminationen oder Immunreaktionen und liefern schlecht reproduzierbare Resultate.

 

„Durch einen strahlungslosen Übergang gelangt der Fotosensibilisator in einen anderen, langlebigen Anregungszustand.“

 

Das Team um Chengfen Xing meisterte diese Herausforderung durch die Verwendung vollsynthetischer Hydrogele mit biomimetischen, das heißt biologische Systeme nachahmenden Eigenschaften. Ihre Wahl fiel auf ein Polymer mit einem wendel­förmigen Rückgrat (Polyisocyanid mit aufgepfropften Ethylenglykol-Ketten), das poröse hoch biokompatible Hydro­gele mit faserartiger Architektur bildet, die Biogelen auf der Basis von Kollagen und Fibrin in Struktur und mechanischen Eigenschaften ähnelt.
Hydrogel mit Fotosensibilisator kombiniert
Ein solches Hydrogel kombinierten die Forscher mit einem Fotosensibilisator auf Basis eines Polythiophens. In Lösung liegt es als ungeordnetes Knäuel vor und absorbiert violettes Licht. Eine Einlagerung in die wendelförmigen Bereiche des Hydrogels bringt die Polythiophene in eine gestreckte, aufgereihte Anordnung. In dieser Form ist die Absorption wesentlich stärker und in den roten Spektralbereich verschoben. Dies ist günstiger, da rotes Licht tiefer eindringen kann und den Farbstoff weniger stark ausbleicht.
So entstand ein Gel mit hervorragenden antimikro­biellen Effekten gegenüber Bakterien wie E. coli und B. subtilis sowie Pilzen wie C. albicans, das als Ansatzpunkt für Wundauflagen mit „eingebautem ­Infektionsstopper“ dienen könnte. Die Vorteile dieser Art der Keimbekämpfung: Sie ist nicht invasiv und ihre Wirkung ist räumlich und zeitlich gut kontrollierbar. Auch antibiotikaresistente Keime lassen sich abtöten und das Risiko, neue Resistenzen zu verursachen, ist wesentlich geringer.                                                 |  ve

Publikation
Biomimetic Networks with Enhanced Photodynamic Antimicrobial Activity from Conjugated Polythiophene/Polyisocyanide Hybrid Hydrogels
Dr. Hongbo Yuan, Prof. Dr. Yong Zhan, Prof. Dr. Alan E. Rowan, Prof. Dr. Chengfen Xing, Prof. Dr. Paul H. J. Kouwer First published: 09 January 2020

Kontakt
Chengfen Xing
Hebei University of Technology (China)

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