Wie antiseptische Oberflächen funktionieren

Obwohl derzeit noch nicht bekannt ist, wie lange das Corona-Virus auf Gegenständen überlebt, ist eine Ansteckung über kontaminierte Materialien grundsätzlich denkbar. Experten gehen inzwischen davon aus, dass die Beschaffenheit von Oberflächen von enormer Bedeutung für die Eindämmung der Pandemie ist. Bereits heute machen sich Designer, Produktentwickler und Wissenschaftler die antiseptischen Eigenschaften von Werkstoffen wie Kupfer oder Silber zunutze. „Sie begeistern mit ausgeklügelten Verfahren, die sowohl hygienische als auch ästhetisch und haptisch ansprechende Oberflächen entstehen lassen“, meint auch Martin Beeh, Gründer des Kölner Designbüros „beeh_innovation“ und Red Dot-Jurymitglied. In Zusammenarbeit mit dem NRW-Landescluster Nano­Mikro­WerkstoffePhotonik.NRW (NMWP.NRW), einem der Fachpartner der „materials.cologne – Die Konferenz für Design und Inno­vation“, zeigt der Materialexperte auf, wie Gegenstände mit keimtötenden Eigenschaften ausgestattet werden können und zeichnet seine Zukunftsvision für diesen wichtigen Designbereich. Geführt wurde das Gespräch von und für red-dot.org.

Welche Rolle spielen Materialien und Oberflächen in Hinblick auf die Verbreitung von Viren?
Martin Beeh: Infizierte Oberflächen, selbst ganze Materialien, sind leider oft unfreiwillige Überträger von allerlei Übel. Antibakterielle Oberflächen kennen wir schon lange. Die natürlich desinfizierenden Eigenschaften von Materialien wie Kork oder von Menschen geschaffenen Kompositen, wie zum Beispiel Porzellan, werden schon lange zielgerichtet und mit einer unglaublichen Kreativität genutzt.
Neben Oberflächenbeschichtungen sind beeinflussbare Faktoren wie die Oberflächenspannung von Materialien entscheidend. Der Lotusblüten-Effekt ist davon sicherlich der Bekannteste. Er hält Schmutz von der Oberfläche ab, ist aber nicht bakterienresistent.

Welche Materialien sind für ihre antiseptischen ­Eigenschaften bekannt?
Da kennen wir eine ganze Reihe Metalle und Metall­legierungen, wie Silber, Kupfer oder Edelstahl. Kupfer ist ein ganz wunderbares Metall: So kann der Einsatz von Türklinken und Lichtschaltern aus Kupferlegierungen in Krankenhäusern oder anderen sensiblen Bereichen eine erhebliche Reduktion von MRSA-Keimen erreichen. Gegenstände mit Kupferoberflächen oder gar ganz aus Kupfer reduzieren generell stark die Infektionsgefahr. Allerdings oxidiert Kupfer sehr schnell und zeigt sich dann als farbige „Grünspan“-Patina.
Silber-Ionen in Kleidungsstücken oder auf den Innenbehältern von Kühlschränken sind fast schon zu „Lifestyle-Statements“ geworden. Dass Silber selbst antibakteriell wirkt, ist schon lange wissenschaftlich bekannt. Ob eine Silber-Ionenbeschichtung oder Silberfäden eine effektive Verbesserung bringen, ist dagegen umstritten.

In welchen Bereichen machen wir uns die ­Materialien bereits zunutze?
Antibakterielle Oberflächen gibt es an vielen Stellen und die Verbreitung nimmt stetig zu. Am bekanntesten sind zum Beispiel antibakterielle Schneidebretter, Aufbewahrungsbehälter für Lebensmittel, Toilettensitze, usw. Das Nano-Silber wurde eine Zeit lang zum Beispiel in Deos oder „Anti-Geruchs-Socken“ verwendet, wird aber aufgrund seines Eindringvermögens in menschliche Zellen mit Vorsicht betrachtet.

Welche Möglichkeiten gibt es, um Gegenstände mit keimtötenden Eigenschaften auszustatten?
Um Metalloberflächen zu veredeln, mechanisch belastbarer zu machen, um Bakterien sowie Viren weniger Halt zu bieten oder Kunststoff-Oberflächen zu optimieren, gibt es heute in der Tat zahlreiche effektive Verfahren.
Im Rahmen des Projekts „ROCKET“, das für Regional Collaboration on Key Enabling Technologies steht, wurden beispielsweise antibakterielle Materialien entwickelt. So entstand eine Materialkomposition basierend auf Keramik, die Bakterien, wie zum Beispiel MRSA, abtötet. Das Unternehmen „itCoating“ aus Gronau (Westfalen) hat das Produkt zu einem sogenannten „Wisch-Coating“ weiterentwickelt. Dieses kann mit einem Mikrofaser-Tuch auf eine feste Oberfläche, zum Beispiel auf Türgriffe, Türen, Handläufe, Tische oder auf Haltegriffe in öffentlichen Verkehrsmitteln, aufgebracht werden. Nach dem Trocknen tötet diese Beschichtung Bakterien und Viren wie MRSA, Influenza oder Corona innerhalb von wenigen Stunden ab. Das Coating hält der normalen Reinigung für mehrere Jahre stand.
Professor Gregor Luthe, Projektleiter von „Anti­bacterial Materials“ erklärte dazu, dass Oberflächen bis zu neun Tage infektiös mit CoV-2 bleiben können. Mindestens 23-mal in der Stunde greife sich ein Mensch ins Gesicht, weshalb man weit über 3300 mögliche Kontakte habe. Das Wisch-Coating töte permanent behüllte Viren und MRSA ab. So seien wir in der Lage, die Verbreitung von Keimen, Bakterien und Viren effektiv einzudämmen – auch über Corona hinaus.

Über welche besonderen Eigenschaften verfügt das Wisch-Coating?
Technologie- und Effizienzsprünge gelingen immer dann besonders gut, wenn Erkenntnisse und Ideen aus unterschiedlichen Bereichen zusammenkommen. So kann die antivirale und antibakterielle Wirkung der Beschichtung durch das synergistische Zusammenwirken von Physik und Chemie erheblich gesteigert werden: Die extrem glatte und nur wenige Mikrometer ­dicke Funktionsschicht bietet durch ihre Porenfreiheit selbst kleinen Viren keine Angriffspunkte. Aus der Medizinforschung bekannte „Theta-Surfaces“ erzeugen durch ihre maßgeschneiderte Oberflächen-Energie einen zusätzlichen Anti-Adhäsionseffekt gegenüber Mikroorganismen. Darüber hinaus bekämpfen in die Beschichtung eingebundene, sich gegenseitig ergänzende biozide Wirkstoffkomponenten die dennoch auf der Oberfläche ankommenden Keime. Auf diese Weise wird die Besiedelung von Oberflächen durch ansteckende Keime vermieden und ein wichtiger Beitrag geleistet, um die Infektionsketten wirksam zu unterbrechen.

Welche weiteren Optionen gibt es, um Materialien antiseptisch zu machen?
Man kann Gegenstände durch Bedampfen oder Emaillieren an der Oberfläche funktionalisieren, also beschichten, oder die entsprechenden wirksamen Materialien direkt in das Hauptmaterial einbringen, zum Beispiel in Kunststoffe. Das hat den Vorteil, dass das ganze Produkt antibakteriell ist und es keine Schutzschicht gibt, die abgetragen werden kann. Bei „Antibacterial Materials“ wurde zum Beispiel ein Filament auf Stärkebasis entwickelt. Die 3D-gedruckten Objekte aus diesem Material verfügen allesamt über die Eigenschaft, Viren, Keime und Bakterien zu töten. Abgesehen davon ist das Material dennoch kompostierbar und verursacht kein Mikroplastik.

Welche Innovationen gibt es in diesem Bereich?
Die Oberflächenbeschichtungen werden – unabhängig vom Ansatz – alle weiterentwickelt und die Funktionalitäten und die Widerstandsfähigkeit verbessert. Darüber hinaus gibt es inzwischen auch Oberflächen, die die Raumluft filtern und das Schadstoffniveau senken, zum Beispiel durch photokatalytische Effekte. Aber auch Antifouling bzw. biozide Eigenschaften wären artverwandte Themen, welche durch Materialien und Oberflächen gelöst werden. Zum Beispiel die Verringerung des Wasserwiderstands (verursacht durch Muschelbewuchs) durch hauchdünne ultraglatte Funktionsbeschichtungen reduziert nicht nur Treibstoff und CO₂ bei Schiffen, sondern entlastet auch unsere Gewässer von hunderten von Tonnen an biozidhaltigem Mikroplastik jedes Jahr.

Lassen sich mit diesen Verfahren auch ästhetisch ansprechende Oberflächen gestalten?
Die Bedampfung von Sonnenbrillen-Oberflächen ist ja schon ein Fashion-Hit, der hinreichend bekannt ist. Degradé-Effekte lassen sich ebenfalls für Kosmetik-Verpackungen einsetzen, oder im Food-Packaging-Bereich. Manchmal möchte man aber auch nur die Funktionalität der optimierten Oberfläche verändern, ohne diesen Wandel zusätzlich „sichtbar“ zu machen.

Über welche haptischen Eigenschaften verfügen die Oberflächen?
Die Haptik spielt bei der Gestaltung eine wichtige Rolle, denn so können Oberflächen-Techniken „unsichtbar“, aber „spürbar“ gemacht werden. Hier sind die Designer und Oberflächentechniker am Zuge. Heute können sie Oberflächen sehr präzise gestalten und so eine subtile Differenzierung erreichen. Das hängt vom Produktionsprozess, den eingesetzten Materialen und der eventuell stattfindenden Oberflächenbearbeitung ab. Qualität wird heute ja von Konsumenten oft erst durch den Tastsinn „begreifbar“.

Welche Entwicklungen prognostizieren Sie ­antiseptischen Materialien?
Wichtiger denn je ist es, dass Designer, Marketing-Experten und Produktenwickler gemeinsam zum Projektstart definieren, welche Sinnes- und damit Oberflächen-Erfahrung ein Produkt den Nutzern geben soll. Apple hat das früh erkannt, die Lackierer der Steinway-Flügel ebenso, von hochwertigen Automobilmarken oder dem Schmuck-Bereich ganz zu schweigen.
Insgesamt ist das Themenfeld „Materialien und Oberflächen“ ein extrem weites Gebiet. Bakterien, Viren und Keime zu töten, ist dabei nur ein – leider sehr aktueller - Teilbereich. Die Entwicklungen auf diesem Feld entstehen schnell, die „antibakteriellen“ Eigenschaften mancher Produkte scheinen an einigen Stellen schon fast eine Selbstverständlichkeit zu sein.
Wie schön wäre es, wenn die Oberflächen und Gegenstände der öffentlichen Räume oder Verkehrsmittel fortan nicht mehr als unangenehme „Virenverteilungszentren“ angesehen würden, sondern ganz selbstverständlich dank der neuen „smarten Oberflächen“ im Gegenteil selbst-desinfizierend wirksam sind. Aber seien Sie gewiss, wir werden dort noch jede Menge nützliche Innovationen sehen!