Im Kampf gegen Viren und Bakterien – Desinfektion mit Licht

Eine wichtige Möglichkeit zur Eindämmung des aktuellen wie auch zukünftiger Pandemiegeschehen ist die Desinfektion. Besonders in öffentlich zugänglichen Gebäuden, Einrichtungen oder Transportmitteln wie auch in Krankenhäusern bedarf es wirksamer Schutzmaßnahmen gegen Viren sowie Bakterien.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM haben in Kooperation mit der Universität Szeged in Ungarn im Projekt COVID-DEKONT eine neuartige Materialzusammensetzung entwickelt und diese in einen Lack integriert, der eine dauerhafte Dekontamination von Viren und Bakterien durch Photokatalyse ermöglicht. Im Interview mit COMPAMED.de erläutern Dr. Volker Zöllmer, Materialwissenschaftler und Leiter der Abteilung "Smart Systems", sowie Dr. Claus Schreiner, Chemiker und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung "Lacktechnik" am Fraunhofer IFAM, wie diese funktioniert und was sie von bisherigen Lösungen unterscheidet.

Dank photokatalytisch aktiver Beschichtungen mittels Licht bzw. UV-Strahlung zu desinfizieren ist ja nicht neu. Was war der neue Ansatz, den man im Covid-DEKONT-Projekt verfolgt hat?

Dr. Volker Zöllmer: Die Photokatalyse ist letztlich der Kernpunkt, der die antivirale Wirksamkeit unserer Materiallösung begründet. Aber Sie haben Recht, Photokatalyse ist nicht neu. Im Prinzip sind es zwei Dinge, die wir jetzt in unserem Projekt hervorgebracht haben:

Zum einen ist es – und auch das ist nicht neu –, dass wir silberdotiertes Titandioxid substituiert haben. Die klassische Photokatalyse läuft unter UV-Bestrahlung ab. Um die Photokatalyse auch im sichtbaren Bereich des Lichtes durchzuführen, nutzt man typischerweise silberdotiertes Titandioxid mit einem Silberanteil von 0,5 bis zwei Prozent. Dadurch ist der Photokatalysator in der Lage nicht nur kurzwelliges und damit energiereiches UV-Licht zu absorbieren, sondern auch längerwelliges und damit energieschwächeres Sonnenlicht über 430nm.

Unser Ansatz war es jetzt, dieses Silber zu ersetzen.

Dr. Claus Schreiner: Wobei sich das ganz leicht anhört. Es ist aber nicht damit getan, dass man Silber- oder wie in unserem Fall ein Kupfersalz in Titandioxid einmischt. Da geschieht schon eine richtige Synthese, eine sogenannte Co-Reaktion, die dann zu einem entsprechend dotierten Titandioxid-Material führt.

Weshalb aber haben sie das "übliche" silberdotierte Titandioxid mit Kupfer ersetzt?

Schreiner: Prozesstechnisch ist die Arbeit mit Edelmetallen wie Silber einfacher. Aber Silber ist für höhere Organismen toxischer als Kupfer. Es gibt mittlerweile verschiedene Studien, dass Nanosilber sich sowohl in Organismen als auch in der Umwelt ablagert.

Wichtig ist zu erwähnen, dass es nicht nur darum geht zu zeigen, dass kupferdotiertes Titandioxid ebenso geeignet für die Photokatalyse ist, sondern dass es sich durchaus für die zielgruppenspezifische Anwendung – den Bereich den Beschichtungen - eignet. Natürlich können wir noch nicht mit industrienahen Mengen arbeiten, aber wir können eben auch mehr als nur ein – überspitzt gesagt – Reagenzglas voll herstellen.

Wir konnten das neue Material in unterschiedliche Lacksysteme einarbeiten und diese dann auf unterschiedlichen Substraten applizieren. Dabei hat es sich genauso verarbeiten lassen, wie das für entsprechende Lacke üblich und gewollt ist. Da gab es keine Unterschiede zum silberdotierten Titandioxid.

Zöllmer: Unser Ansatz das toxikologisch kritischere Nanosilber durch Kupfer zu ersetzen, ist aber nicht einzigartig. Der ganz wesentliche und innovative Ansatz unseres Projektes ist, dass wir den kupferdotierten Photokatalysator mit einem sogenannten Schichtsilikat vermischt haben. Und dieses Schichtsilikat in Kombination mit dem Titandioxid führt zu einer ganzen Reihe von Vorteilen.

Können Sie die Rolle von Schichtsilikaten genauer erläutern?

Zöllmer: Es gibt viele Untersuchungen, diese Photokatalysatoren – ohne Schichtsilikate – in Lacksysteme einzubringen und auch in alle möglichen anderen Oberflächenbeschichtungen, um Bakterien/Viren oder auch andere Verschmutzungen oder Gifte damit abbauen zu können.

Wenn eine Photokatalyse ablaufen soll, also Sonnenlicht auf einen Titandioxid-Partikel trifft, entsteht der Abbau dadurch, dass sogenannte Radikale entstehen. Diese Radikale können immer dann gebildet werden, wenn Wasser oder Feuchtigkeit vorhanden ist. In dem Moment, wo keine Feuchtigkeit vorhanden ist, läuft die Photokatalyse streng genommen gar nicht ab. Auf die Pandemie angewandt, wird diese Eigenschaft beim Thema Aerosole ein Faktor. Die Viren nutzen die Feuchtigkeit der Atemluft, um transportiert zu werden.

Der Vorteil von Schichtsilikaten, wie sie bspw. in Katzenstreu oder Ton-Granulat als Blumenerde-Substrat vorkommen, ist: Sie saugen Wasser bzw. Feuchtigkeit auf. In unserem Polyurethan-Lack dienen sie also dazu, die Abbaurate der Photokatalyse zu steigern, weil sie Viren/Bakterien effizienter mit dem Titandioxid in Kontakt bringen.

Schreiner: Aber: Der Photokatalysator zersetzt organische Materie. Und ein übliches Bindemittel, also die filmformende Komponente des Lacks, ist ein organisches Polymer. Natürlich ist es chemisch anders aufgebaut als ein Bakterium, aber im Prinzip sind beides organische Materie.

Schichtsilikate wiederum sind anorganische Materialien. Zusammengefasst kann man sagen: Die Schichtsilikate führen dazu, dass unser Material mit den abzubauenden Bakterien/Viren intensiver in Kontakt kommt und schützen gleichzeitig den Lack davor abgebaut zu werden.

Hätte man diese – ich bezeichne sie mal als schützende Schichtsilikate – nicht, würde der Lack mit gleicher Wahrscheinlichkeit abgebaut werden wie die Viren/Bakterien. Das hätte zur Folge, dass auch gewisse Schutzwirkungen des Lacks nicht mehr gewährleistet wären. Dieses Spannungsfeld zu halten zwischen der Aufrechterhaltung katalytischer Aktivität bei gleichzeitiger Schonung der organischen Matrix ist durch unseren Kombinationsansatz gelungen.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt können aber nicht nur auf COVID-19-Erreger angewandt werden, oder?

Zöllmer: Nein. Der Handlungsdruck solch ein Lacksystem zu entwickeln, ist dadurch zwar größer geworden. Aber an dieser Materialklasse arbeiten wir schon deutlich länger – seit 2005 in enger Kooperation mit der Universität Szeged und dem, auf dem Gebiet der Photokatalyse international renommierten Prof. Imre Dékány.

Die Kolleginnen und Kollegen in Ungarn waren es übrigens auch, die den antiviralen und antibakteriellen Effekt nachgewiesen haben. Der antibakterielle Effekt wurde mittels E. Coli nachgewiesen, der antivirale Effekt gegen Herpes-Viren. Im Hinblick auf den Abbau von egal welchen Viren/Bakterien mittels Photokatalyse ändert sich aber nichts am Ablauf.

Welche Anwendungsbereiche sehen Sie für die entwickelte Materialzusammensetzung?

Zöllmer: Man kann diese Materialzusammensetzung – auch wenn wir noch in der Entwicklung stecken – überall dort einsetzen, wo es sinnvoll wäre Oberflächen zu lackieren. Das gilt dann bspw. für Bereiche der täglichen Mobilität, wie die Haltestangen in der Straßenbahn oder das Flugzeug-Interior, auch im Car-Sharing-Bereich. Der Lack könnte überall zum Einsatz kommen, wo man eine Eindämmung von Virenausbreitung haben möchte. Gerade vor dem Hintergrund der derzeitigen Pandemie ist das natürlich vor allem in öffentlichen Bereichen von großem Interesse. Aber natürlich auch im Medizinsektor – gerade im Krankenhaus.

Schreiner: Der generelle Vorteil von Lack ist, dass man prinzipiell alles lackieren kann: Kunststoffe, Holz, unterschiedliche Metalle.

Zwar braucht Holz bspw. ein anderes Lacksystem, aber die Technologie ist universell. Nur der Lack müsste entsprechend der Anwendung angepasst werden. Aber diese Kompetenz haben wir bei uns am Institut.