Bionisch inspirierte Nanobeschichtung zur Reduktion von bakteriellem Wachstum auf Gefäßprothesen

Abstract

Prothetische Materialien stellen eine Quelle bakterieller Infektionen dar und sind mit einer erheblichen Morbidität und Mortalität verbunden. Unter Nutzung des bionischen „Lotus-Effekts“ wurden durch eine Nanobeschichtung superhydrophobe Gefäßprothesen hergestellt und deren Resistenz gegenüber bakterieller Kolonisation untersucht. Die mittels Siliziumdioxid-Nanopartikeln (SiO₂) beschichteten Gefäßprothesen wiesen eine nanoskalige Oberflächenrauhigkeit mit superhydrophoben Eigenschaften auf. Beschichtete- und unbehandelte Prothesen wurden mit unterschiedlichen bakteriellen Lösungen, einschließlich heparinisiertem Blut, unter mechanischer Belastung sowie während einer künstlichen Perfusion inkubiert und anschließend analysiert. Zudem wurden Untersuchungen zur Bioviabilität und Toxizität der SiO₂-Nanopartikel durchgeführt. Die Durchmesser der SiO₂-Nanopartikel lagen zwischen 20 und 180 nm. Beschichtete Prothesen zeigten einen Wasserkontaktwinkel von über 150° (Mittelwert 154 ± 3°) sowie einen mittleren Wasserabrollwinkel von 9° ± 2°, was die Kriterien der Superhydrophobizität erfüllt. Toxizitäts- und Viabilitätsexperimente ergaben keine toxischen Effekte der SiO₂-Nanopartikel auf aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleitete Kardiomyozyten, Endothelzellen, Fibroblasten und HEK239T-Zellen. Nach künstlicher Perfusion mit einer bakteriellen Lösung (Luciferase-positive Escherichia coli) zeigten biolumineszenzbasierte Bildgebungsanalysen eine signifikante Reduktion der bakteriellen Kolonisation bei superhydrophob beschichteten Prothesen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Bei der finalen Messung (t = 60 min) wurde eine Reduktion der bakteriellen Kolonisation um 97 % bei den superhydrophob beschichteten Gefäßprothesen beobachtet. Superhydrophobe Gefäßprothesen führten zu einer drastischen Reduktion des bakteriellen Wachstums. Während der künstlichen Perfusion konnten die schützenden superhydrophoben Effekte der Gefäßprothesen mithilfe der Biolumineszenzbildgebung eindeutig bestätigt werden.

Prosthetic materials are a source of bacterial infections, with significant morbidity and mortality. Utilizing the bionic "Lotus effect," we generated superhydrophobic vascular prostheses by nanocoating and investigated their resistance to bacterial colonization. Nanoparticles were generated from silicon dioxide (SiO2) and coated vascular prostheses developed a nanoscale roughness with superhydrophobic characteristics. Coated grafts and untreated controls were incubated with different bacterial solutions including heparinized blood under mechanical stress and during artificial perfusion and were analyzed. Bioviability- and toxicity analyses of SiO2 nanoparticles were performed. Diameters of SiO2 nanoparticles ranged between 20 and 180 nm. Coated prostheses showed a water contact angle of > 150° (mean 154 ± 3°) and a mean water roll-off angle of 9° ± 2°. Toxicity and viability experiments demonstrated no toxic effects of SiO2 nanoparticles on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes endothelial cells, fibroblasts, and HEK239T cells. After artificial perfusion with a bacterial solution (Luciferase+ Escherichia coli), bioluminescence imaging measurements showed a significant reduction of bacterial colonization of superhydrophobic material-coated prostheses compared to that of untreated controls. At the final measurement (t = 60 min), a 97% reduction of bacterial colonization was observed with superhydrophobic material-coated prostheses. Superhydrophobic vascular prostheses tremendously reduced bacterial growth. During artificial perfusion, the protective superhydrophobic effects of the vascular grafts could be confirmed using bioluminescence imaging.