Nanosilber beschichtete Kunststoffe gegen Bakterien, Pilze und Biofilme

Mit Nanosilber gegen Keime

09.02.2007 Dass Silber Mikroorganismen entgegenwirkt, ist seit langem bekannt. Allerdings ermöglicht es die Nanotechnologie nun ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis zu erreichen. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten.

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Silber macht man sich schon sehr lange zu Nutze. So tranken früher die Könige auf ihren Kriegszügen aus Silberbechern, um Infektionen zu vermeiden. Auch heute noch essen wir mit Silberbesteck – der beste Beweis dafür, dass Silber lebensmitteltechnisch unbedenklich ist. Unsere Urgroßmütter legten eine Silbermünze in Milch, um diese lange frisch zu halten. Heute wird die Wirkung von Silber wieder entdeckt, nachdem es vor 50 Jahren durch die breite Einführung der Antibiotika seine Bedeutung verlor.

Zur antimikrobiellen Ausrüstung von Kunststoffen werden gegenwärtig kommerziell im wesentlichen (metall-)organische Verbindungen wie Triclosan, Alkylzinn-Verbindungen sowie quarternäre Ammoniumverbindungen eingesetzt. Diese Verbindungen können eine Reihe unerwünschter Effekte zeigen: Allergien, Reizungen, Schädigung der Schleimhäute oder von Immun- oder Nervensystem sowie im schlimmsten Fall Schädigung der Leber oder Erbgutveränderung.
Der große Vorteil von Silber besteht darin, dass es nahezu ungiftig ist. Sein allergenes Potenzial ist vergleichsweise gering. Zudem steht Silber im Gegensatz zu anderen Bakteriziden nicht im Verdacht, krebserregend zu sein. Silber wirkt in geringen Konzentrationen über einen langen Zeitraum hinweg auf eine Vielzahl von Infektionskeimen (Bakterien, Streptokokken und Pilze) ein. Schließlich zeigen Mikroorganismen nur eine geringe Neigung, Resistenzen gegen Produkte zu entwickeln. Dies ist insofern bemerkenswert, da Silber bereits seit vielen Jahrhunderten als Antiseptikum verwendet wird. Erwachsene nehmen täglich zwischen 0,02 und 0,1mg, hauptsächlich über die Nahrung, auf. Das meiste Silber wird wieder ausgeschieden und nur etwa 5 bis 10Prozent werden resorbiert, wogegen etwa Triclosan auf Grund seiner guten Löslichkeit im Fettgewebe im Körper deutlich stärker angereichert wird.
Der große Vorteil von Silber besteht darin, dass es in der Zelle im Gegensatz zu vielen Antibiotika, die immer an einem speziellen Punkt in der Zelle wirken, an mehreren Stellen gleichzeitig angreift. Diesem Mehrfrontenangriff vermag die Zelle nur sehr schwer entgegenzuwirken.

Nanotechnologie erhöht die Wirkung

Wenn man nun die ohnehin schon sehr vorteilhaften Eigenschaften des Silbers mit denen der Nanotechnologie kombiniert, ergeben sich neuartige Materialeigenschaften, die im Wesentlichen auf das hohe Oberflächen/Volumen-Verhältnis zurückzuführen sind. Dazu muss man wissen, dass die mikrobiologisch wirksamen Spezies Silber-Ionen sind, die aus Silberoxid an der Nanopartikel-Oberfläche entstehen und zwar durch Einwirkung von Luftsauerstoff und Feuchtigkeit aus der Umgebung. Die Oxidschicht selbst weist unabhängig von der Partikelgröße eine im Wesentlichen konstante Dicke auf, was aber bedeutet, dass das am Gesamtvolumen anteilige mikrobiologisch wirksame Volumen mit abnehmender Partikelgröße signifikant zunimmt. Dies ist ein echter Vorteil der Nanotechnologie. Einige der Vorteile von Nanosilber sind:

  • Materialersparnis im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung: Durch die feinteiligere Darreichung werden viel geringere Mengen als beim Einsatz von grobteiligem Silber benötigt.
  • Schnelle Wirkung: Durch das größere Oberflächen/Volumen-Verhältnis wird von Anfang an eine deutlich größere Menge des Silbers zur Umwelt exponiert – damit kann das ionische Silber deutlich schneller mobilisiert werden.
  • Neue Materialien: Mit Nanosilber können Materialien ausgerüstet werden, die einer Silber-Ausrüstung sonst nicht zugänglich wären. So können grobteilige Silberpartikel nicht in allen synthetischen Polymerfasern versponnen werden, da die Düsen verstopfen.

Einsatz in Thermoplasten und Elastomeren

Um Nanosilber in Thermoplasten und Elastomeren einzusetzen, werden prinzipiell zwei Möglichkeiten genutzt:

  • Das Nanosilber wird auf die Substratoberfläche chemisch oder durch Aufdampfen aufgebracht. Da das Silber hier auf der Oberfläche sitzt, kann es sehr zeitnah wirken. Außerdem ist es durch die morphologische Ausgestaltung (Form: Inseln, Partikel sowie Größe) der Silber-Nanostrukturen möglich, das Silber-Abgabeprofil maßzuschneidern, so dass für fast jede Anwendung eine optimale Lösung gefunden werden kann. Ein möglicher Nachteil ist die fehlende Dauerhaftigkeit der Beschichtung – die jedoch durch technische Kniffe erreicht wird.
  • Eincompoundierung von Nanosilber: Hier wird zum Beispiel gleichzeitig mit anderen Füllstoffen nanoskaliges Silber eincompoundiert. Je nachdemwie hydrophil das Polymer ist, sindhier Konzentrationen von 500 bis 2000ppm Silber für eine ausreichende Wirkung notwendig. Jedoch liegt hier ein Teil des Silbers im Volumen nicht zugänglich vor. Außerdem ist die Wirkung nicht besonders zeitnah, da die Silberionen erst an die Polymeroberfläche diffundieren müssen.

Die Freudenberg Forschungsdienste setzen sowohl für Thermoplaste als auch für Elastomere Nanosilber ein, und zwar je nach Anwendungsfall im Volumen oder auf der Oberfläche des Substrats. Die mikrobiologische Wirksamkeit wird in Zusammenarbeit mit externen Partnern nachgewiesen. Der konkrete Nutzen wird jeweils parallel in anwendungsrelevanten Praxistests aufgezeigt. Die Tatsache, dass hier nicht „viel hilft viel“ gilt, ist dem echten Vorteil der Nanotechnologie geschuldet. Eine wahrnehmbare Verbesserung wird schon mit moderaten Silber-Gehalten von etwa 300ppm erzielt.

Heftausgabe: Februar 2007

Über den Autor

Dr. Thomas Rühle , Projektleiter
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