DE102004014483A1

DE102004014483A1 - Antimikrobielle Beschichtungszusammensetzung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004014483A1
Application number: DE200410014483
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr. Böttcher; Anja Dipl.-Ing. Thron (FH)
Original assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Current assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Es wird eine Beschichtungszusammensetzung, insbesondere zur antimikrobiellen Beschichtung von Trägermaterialien, beschrieben, die eine poröse anorganische Oxidschicht und mindestens ein kationisches Polysaccharid umfasst, das in der anorganischen Oxidschicht in homogener Verteilung enthalten ist. Es werden auch Verfahren zur Herstellung und Auftragung und Anwendungen der Beschichtungszusammensetzung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine auswaschbeständige antimikrobielle Beschichtungszusammensetzung, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendungen der Beschichtungszusammensetzung.

Es ist allgemein bekannt, dass eine umgebungsbedingte mikrobielle Kontamination von Materialoberflächen ein erhebliches gesundheitliches Gefährdungspotential darstellen kann. Neben der gesundheitlichen Gefährdung ist zu beachten, dass Mikroorganismen in vielfältiger Weise nahezu alle Werkstoffe schädigen (Biokorrosion). Die Vermeidung und Verringerung dieser Schäden stellt eine große wissenschaftliche und technische Herausforderung dar.

Es ist gegenwärtig möglich, durch eine Imprägnierung von Materialoberflächen mit antimikrobiell wirkenden Substanzen die mikrobielle Besiedlung dieser Oberflächen wirksam zu vermindern oder zu unterbinden. Eine bekannte Methode besteht in der Anwendung von Polymerbeschichtungen, die Biozide enthalten. Die antimikrobielle Wirkung wird erreicht, indem chemische Substanzen mit bakterizider oder fungizider Wirkung durch Diffusion freigesetzt werden. Diese Methode hat jedoch zwei wesentliche Nachteile:

(1) Die Beschichtungen sind nur zeitlich begrenzt wirksam; da das Biozid aus der Schicht diffundiert und die Schicht zunehmend an Biozid verarmt, und
(2) die Diffusion der überwiegend toxischen Biozide führt bei Kontakt (z.B. mit Lebensmitteln oder Personen) zu einem gesundheitlichen Gefährdungspotential.

Als Alternative wurde nach Beschichtungen gesucht, die nichtdiffundierende Biozide enthalten. Hierbei sind in den letzten Jahren zwei Möglichkeiten bekannt geworden.

(a) Edelmetalle wie Silber, Kupfer, Gold und deren Verbindungen verfügen aufgrund ihres oligodynamischen Effektes über eine gute bakterizide Wirkung. Auf dieser Erkenntnis basieren eine Vielzahl von Anwendungen, die Silber und dessen Verbindungen zu Desinfektionszwecken gebrauchen. Für antimikrobiell wirksame Oberflächen medizinischer und pharmazeutischer Geräte wird darum die Inkorporierung von Silberverbindungen in Polymerüberzügen (WO 01/43788) oder Sol-Gel-Filmen (WO 03/058924) vorgeschlagen. Der Nachteil der edelmetallhaltigen Beschichtungen besteht darin, dass sie (1) zwar langzeitig wirken, aber ihr biozides Potential erst aufbauen müssen, z.B. durch Oxidation von Silber zu diffundierenden Silberionen, (2) eine Eigenfarbe besitzen und (3) nicht sehr effektiv fungizid wirken. Das schränkt ihre Anwendbarkeit beträchtlich ein.
(b) Es werden spezielle synthetische nichtdiffundierende Polymere mit biozider Wirkung eingesetzt, z.B. Copolymerisate substituierter Acrylamide, wie es in DE 10024270 und WO 01/87998 beschrieben wurde. Beim Einsatz dieser speziellen Polymeren zeigten sich bisher als Nachteile ein mangelhaftes Filmbildungsvermögen, eine schlechte Verträglichkeit mit filmbildenden Polymeren, unzureichende mechanische Eigenschaften (Haftung, Abrieb) und eine nur geringe antimikrobielle Wirksamkeit. Als gravierender Nachteil ist die Unlöslichkeit in Wasser anzusehen, was die Verwendung organischer Lösungsmittel beim Beschichtungsprozess erforderlich macht.

Diese Polymere sind synthetische Adaptionen von polymeren Biociden, wie sie in der Natur in Form von Chitosan und seinen Derivaten vorkommen. Chitosan ist ein Abbauprodukt des in Krebsschalen und Insektenpanzern vorkommenden Chitins. Es wird in großem Umfang als natürliches Verdickungsmittel in Kosmetika, Pharmaka und Farben sowie als Nahrungsergänzungsmittel genutzt und gilt als biologisch gut abbaubar. Als kationisches Polysaccharid verfügt Chitosan über gute antimikrobielle Eigenschaften (vgl. S-H. Lim et al. in "J. Macromol.Sci." C43, 223 – 269 (2003)), so dass es z.B. als Bestandteil von antimikrobiellen Textilbeschichtungen eingesetzt werden kann (z.B. WO 96/02142). Hierbei ist ein großer Nachteil, dass das wasserlösliche Chitosan nicht auswaschstabil ist, so dass die antimikrobielle Wirkung nach einem Waschprozess stark sinkt.

Die Auswaschstabilität ist besonders für Textilbeschichtungen wichtig, um eine langzeitige Aufrechterhaltung der Gebrauchswerteigenschaften zu sichern. Versuche zur Fixierung des Chitosans durch Vernetzer wie Dialdehyde (CN 1434072), Polyisocyanate ( JP 2041473 ) oder Metallkomplexierung (WO 03/057267) verringern zwar die Auswaschbarkeit des Chitosans, reduzieren aber drastisch die antimikrobielle Wirksamkeit, da die Vernetzung und Komplexierung die biozid wirksamen Aminostrukturen blockieren.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte antimikrobielle Beschichtungen zur Beschichtung von Materialoberflächen und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Technik überwunden werden, wobei die Beschichtungen wenigstens eine der folgenden Eigenschaften besitzen sollen:

– langzeitige antimikrobielle Wirkung zur Verhinderung einer Oberflächenbesiedlung durch Bakterien und Pilze,
– Auswaschbeständigkeit,
– gute mechanische Stabilität,
– geringe Toxizität, und
– einfache Beschichtungstechnologie auf diversen Materialien mit beliebiger Geometrie.

Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtungszusammensetzung, ein Verbund aus einem Trägermaterial und einer Beschichtungszusammensetzung und Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 oder 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Überraschenderweise konnte die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere dadurch gelöst werden, dass ein oder mehrere kationische Polysaccharide, wie Chitosan und seine Derivate durch einen Sol-Gel-Prozeß unter Verwendung wässriger Nanosole in einer porösen, flexiblen Oxidschicht immobilisiert werden. Ein erster Gegenstand der Erfindung ist daher eine auswaschbeständige, antimikrobielle Beschichtung, bei der eine poröse, anorganische Oxidschicht ein oder mehrere kationische Polysaccharide in homogener Verteilung enthält.

Als Schichtmatrix werden vorzugsweise Metalloxid-Xerogele aus SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ oder deren Gemische verwendet, wobei R = H, Alkyl-, Aryl-, Epoxy-alkyl-, Aminoalkyl- und n = 1.5 oder 1 sein kann. Diese Gele erhält man durch einen Sol-Gel-Prozeß mittels Hydrolyse der entsprechenden Silizium- oder Metallalkoxide (I, vgl. Schema 1) oder deren Gemische (vgl. J.C.Brinker, G.W.Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, London 1990), z.B.

Schema 1: Herstellung auswaschbeständiger antimikrobieller SiO₂-Beschichtungen

Durch eine gezielte Variation der Rezeptur kann man die Flexibilität und Porosität der Xerogel-Schichten an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Erhöht man beispielsweise den organischen Anteil im SiO₂ durch Zumischung von R-SiO_n, R₂SiO_n, zu den reinen anorganischen Oxiden, verbessert man die Flexibilität der Schichten. Durch die Bildung von Mischoxiden mit Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ können die mechanischen Schichteigenschaften wie Härte und Abrieb verbessert werden.

Von großem Vorteil für die Herstellung homogener, transparenter Schichten ist der Einsatz rein wässriger Nanosole, da in diesen die antimikrobiellen kationischen Polysaccharide gut löslich sind. Darum ist vorgesehen, dass die zunächst gebildeten alkoholischen Nanosole (II) durch schonende Entfernung des Alkohols in wässrige Nanosole (III) umgewandelt werden. Durch Zumischung kationischer Polysaccharide (KP) erhält man dann ein Komposit-Nanosol, das zur Beschichtung unterschiedlicher Substrate genutzt werden kann. Dabei bildet sich unmittelbar nach der Beschichtung durch Verfestigung des Nanosols eine lösungsmittelhaltige Gelschicht (Lyogelschicht IV), die beim Trocknen in die antimikrobielle Xerogelschicht (V) übergeht. Durch den Sol-Gel-Übergang während des Beschichtens werden die antimikrobiellen kationischen Polysaccharide irreversibel und auswaschstabil in dem Oxid-Netzwerk immobili siert, wobei durch die Schichtporosität die antimikrobielle Wirkung erhalten bleibt. Im Bedarfsfall kann die Schichtporosität durch porenformende Zuätze wie Sorbit oder Glucose kontrolliert werden.

Zur Erzielung einer langzeitigen antimikrobiellen Wirkung, die auch nach mehrmaligem Waschen noch vorhanden ist, ist es erforderlich, in der Oxidmatrix geeignete antimikrobielle Substanzen in bestimmten Konzentrationen zu immobilisieren. Erfindungsgemäß eignen sich hierfür kationische Polysaccharide, die aus einem amino- oder ammoniumgruppenhaltigen Polysaccharid bestehen. Besonders vorteilhaft erwies sich der Einsatz von Chitosan, Chitosansalzen, modifiziertem oder vernetzten Chitosanen oder deren Gemischen. Modifizierte Chitosane sind Chitosane, die durch eine chemische Reaktion, z. B. alkyliert oder acyliert wurden. Die natürlichen bioziden Polymere sind in der Oxidschicht vorzugsweise mit bis zu 50 Gewichtsprozent enthalten. Auch höhere Konzentrationen können verwendet werden, wobei diese Schichten dann eine zunehmend geringere Waschstabilität aufweisen.

Als Träger für die erfindungsgemäßen auswaschbeständigen antimikrobiellen Beschichtungen können Papier, Karton, Textilien, Holz, Kunststoffe, Keramik, Glas, Metalle oder organisches Material beliebiger Dicke und geometrischer Gestalt verwendet werden. Die Beschichtung kann durch übliche Labormethoden wie Tauchen („dip coating"), Sprühen („spray coating"), Schleudern („spin coating"), Streichen, Begießen oder durch übliche industrielle Begießsysteme (z.B. Foulardierung für Textilien, Filmbegießmaschinen für Folien) erfolgen. Zur Regulierung des Begussverhaltens können polymere Verbindungen in geringen Mengen (unter 10%) zugesetzt werden. Dazu geeignet sind vorzugsweise Celluose-Derivate, Stärke-Derivate, Polyalkylenglykole und deren Derivate, Polyacrylate, hydroxy terminierten Poly(dimethylsiloxane).

Die nach dem oben genannten Prinzip erzeugten auswaschbeständige antimikrobielle Beschichtungen können z.B. zur antimikrobiellen Imprägnierung von Textilien, zur antimikrobiellen Ausrüstung von textilen Geweben, Verbandmaterialien und Wundauflagen sowie zur antimikrobiellen Ausrüstung von Verpackungsmaterial verwendet werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen auswaschbeständigen antimikrobiellen Beschichtungen bestehen in folgendem

1. Die Beschichtungen zeigen trotz intensiven Auswaschens eine hervorragende antimikrobielle Wirkung gegenüber unterschiedliche Mikroorganismen. Wie im Ausführungsbeispiel zu sehen ist, verstärkt sich die antimikrobielle Wirkung beim Auswaschen sogar noch. Es wird davon ausgegangen, dass das ungewöhnlich vorteilhafte Verhalten durch eine pH-Angleichung in der Schicht an den optimalen pH-Wert von 5 für die antimikrobielle Wirkung von Chitosan erreicht wird.
2. Durch die feste Immobilisierung des Biozides werden nachteilige Eigenschaften wie Verarmungseffekte und unerwünschte Diffusion vermieden.
3. Das biozide System, bestehend aus SiO₂, ggf. gemischt mit anderen Metalloxiden, und einem natürlichen Biozid wie Chitosan ist von idealer ökologischer Akzeptanz, untoxisch und biologisch abbaubar.
4. Durch die Einbettung des polymeren Biozids in die anorganische Schichtmatrix werden die mechanischen Schichteigenschaften (Härte, Abrieb) zusätzlich verbessert.
5. Durch die gute Haftung auf unterschiedlichen Trägern lassen sich die auswaschbeständigen antimikrobiellen Beschichtungen in einfacher Weise auf diversen Materialien mit jeder, anwendungsabhängig gewählten Geometrie aufgetragen werden.

Durch die hohe mechanische Stabilität der Beschichtung und die Tatsache, dass sich die auswaschbeständigen antimikrobiellen Beschichtungen auf nahezu alle Werkstoffe beliebiger Geometrie applizieren lassen, erschließen sich viele neue Anwendungsbereiche in unterschiedlichen technischen Bereichen.

Ausführungsbeispiel
(1) Herstellung eines wässrigen SiO₂-Nanosols
100 ml Tetraethoxysilan, 400 ml Ethanol und 200 ml 0.01 N Salzsäure werden bei Raumtemperatur langsam gemischt und 20 Stunden gerührt, wodurch ein alkoholisches SiO₂-Nanosol (A) entsteht. Zur Entfernung des Alkohols wird durch 100 ml Lösung A unter Zutropfen von 70 ml Wasser ein kräftiger Luftstrom geleitet, bis das Endvolumen wieder 100 ml beträgt. Man erhält ein klares wässriges SiO₂-Nanosol (B) mit einem Feststoffgehalt von ca. 4.5 % SiO₂ mit einer mittleren Teilchengröße von 6 nm.
(2) Antimikrobielle Beschichtung von textilen Gewebe
100ml Nanosol B wird mit 100 ml einer 2 % igen Lösung von Chitosan S85/120/A1 (Heppe GmbH Queis) in 5 % Essigsäure gemischt und damit Viskosegewebe im DIN A4-Format durch Dip-Coating (30 cm/min) beschichtet, 1h an der Luft und 1 h bei 60°C getrocknet.
In gleicher Weise wurden Viskosemuster mit reiner 2 % iger Chitosan-Lösung beschichtet und die antimikrobielle Aktivität ohne und mit Auswaschen (8h bei 40°C mit 1 % Natrium dodecylsulfat-Lösung) verglichen. Die Ergebnisse in Tabelle 1 demonstrieren die höheren antimikrobiellen Aktivitäten der Nanosol-Schichten und die ausgezeichnete Auswaschstabilität.
(3) Antimikrobielle Prüfung der beschichteten Textilmuster

1. Fungizidtest: Aufbringen der zu untersuchenden Textilprobe auf eine mit Aspergillus niger beimpften Agarplatte, Inkubation im Brutschrank bei 30°C für 48h, 72h...und anschließende Auszählung der 10⁴ Keimsuspension.
2. Bakterientest: Tauchen des Prüfmaterials in eine Testkeimsuspension (gram negativ oder gram positiv-Bakterien), Trocknung, Inkubation im Erlenmeyerkolben (75ml Nährbouillon, 24h, 30°C, 110 min^-1), Ausplattierung der Zellsuspension auf Nähragar, Inkubation (24h, 30°C) und Auszählung der 10⁵ Keimsuspension.
3. Untersuchung auf Luftkeime: Aussetzung des Testmaterials 7 Tage Raumluft bei Raumtemperatur, Inkubation im Erlenmeyerkolben (75ml Nährbouillon, 24h, 30°C, 110 min^-1) und Bestimmung der Gesamtkeimzahl durch mikroskopische Auszählung nach NEUBAUER.

Tab. 1: Vergleich der antimikrobiellen Aktivität von reinen Chitosan-Beschichtungen mit chitosanhaltigen SiO₂-Nanosol-Beschichtungen

Claims

Beschichtungszusammensetzung, insbesondere zur antimikrobiellen Beschichtung von Trägermaterialien, die umfasst: – eine porös, anorganische Oxidschicht, und – mindestens ein kationisches Polysaccharid, das in der anorganischen Oxidschicht in homogener Verteilung enthalten ist.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Oxid der anorganischen Oxidschicht aus SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ oder deren Gemischen ausgewählt ist, wobei R = H, Alkyl-, Aryl-, Epoxy-alkyl- oder Aminoalkyl- und n = 1.5 oder 1 ist.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das kationische Polysaccharid ein Amino- oder ein Ammonium-Polysaccharid umfasst.
Beschichtungszusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das kationische Polysaccharid aus Chitosan, Chitosansalzen, modifizierten oder vernetzten Chitosanen oder deren Gemische ausgewählt ist.
Beschichtungszusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das mindestens eine kationische Polysaccharid in der Beschichtungszusammensetzung mit einem Anteil von bis zu 50 Gewichtsprozent enthalten ist.
Beschichtungszusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, die durch eine Verfestigung eines Oxid-Nanosols gebildet ist, das mindestens ein kationisches Polysaccharid in homogener Verteilung enthält.
Verbund aus einem Trägermaterial und einer Beschichtungs zusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verbund nach Anspruch 7, bei dem das Trägermaterial organische Materialien, wie z. B. Papier, Karton, Textilien, Holz oder Kunststoff, Keramik oder anorganische Materialien, wie z. B. Glas oder Metalle umfasst.
Verbund nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Trägermaterial textile Gewebe, medizinische Verbandmaterialien oder Verpackungsmaterial umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den Schritten: – Bildung eines oxidhaltigen Nanosols durch Hydrolyse eines Prekursors in einem organischen Lösemittel, – Austausch des organischen Lösemittels gegen Wasser zur Bildung eines wässrigen Nanosols, und – Zusatz des mindestens einen kationischen Polysaccharids.
Verfahren nach Anspruch 10, mit den weiteren Schritten – Auftragung der Beschichtungszusammensetzung auf ein Trägermaterial, und – Trocknung der Beschichtungszusammensetzung durch Lösungsmittelentzug.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Auftragung der Beschichtungszusammensetzung eine einseitige Beschichtung, eine zweiseitige Beschichtung oder eine Imprägnierung des Trägermaterials umfasst.
Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 zur antimikrobiellen Ausrüstung von Trägermaterialien.