Maßgeschneiderte Biofilme für die Biotechnologie

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Universität Bayreuth Lehrstuhl Bioprozesstechnik

Herstellung der synthetischen Biofilme

Zur Herstellung eines künstlichen Biofilms wird der gewünschte Organismus – oder auch ein ausgewähltes Konsortium – in eine funktionelle biomimetische Polymermatrix gebracht. Die Eignung bestimmter Matrices für die Einbettung von biologischen Komponenten (Bakterien, Zellen, Enzymen) wurde in den letzten Jahrzehnten vor allem für Lebensmittel- und Pharmaanwendungen intensiv untersucht.

Für die Verkapselung von Bakterien und anderen Mikroorganismen eignen sich vor allem stark wasserhaltige Materialien. Klassische Verkapselungsstrategien verwenden daher verschiedene natürliche (Alginat, Agarose, Gelatine) oder synthetische (Polyvinylalkohol, PVA) Hydrogele. Typischer Weise werden die biologischen Komponenten dabei allerdings in kugelförmigen Mikropartikeln „verkapselt“. Für den Erhalt von Aktivität und Vitalität der biologischen Komponente sind diese Hydrogele hervorragend geeignet. Von Nachteil ist ihre geringe mechanische Stabilität; einige sind zudem biologisch abbaubar oder lösen sich schon nach kurzer Zeit in Wasser auf. Ein weiteres Problem stellen Massentransportlimitierungen in den Hydrogelpartikeln dar (Ø bis zu 1 mm). Mikroorganismen im Partikelinnern werden oft nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt.

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Alternativ wird der Ansatz verfolgt, die Biokomposite zu Fasern zu verspinnen und anschließend durch Aufbringen einer hydrophoben Polymerschicht zu stabilisieren. Dabei werden zwei Techniken genutzt. Beim Nassspinnen fließt eine Bakterien-in-Hydrogel-Suspension aus einer Kanüle in ein Härtebad. Der Faden wird händisch oder durch eine Wickelapparatur aufgenommen. Die Fasern haben einen Durchmesser von etwa 100 µm bei einer Länge von mehreren Metern. Solche Fasern können im Anschluss zu Geweben verarbeitet werden. Das Elektrospinnen (s. LP-Info) stellt hingegen die State-of-the-Art-Methode zur Herstellung von faserbasierten Vliesen (engl. „non wovens“) mit Faserdurchmessern von < 1 µm dar. Durch die große Auswahl an elektroverspinnbaren Polymeren wird bei diesem Ansatz ein Maximum an Flexibilität in der Materialauswahl bei gleichzeitig schonender Verarbeitung erreicht. Zur Stabilisierung werden die Fasern (Gewebe) und Vliese im Anschluss durch chemische Gasphasenabscheidung (engl. CVD, Chemical Vapor Deposition) mit einer sehr stabilen hydrophoben Schicht aus Poly(p-xylylen) (PPX) ummantelt (s. Abb. 1). Anschließend können sie prozesstechnisch ähnlich wie Filtergewebe gehandhabt werden.

Vitalität der künstlichen Biofilme

Alle bislang untersuchten Bakterien und Mikroorganismen überlebten den Spinnprozess problemlos. Die hohe Vitalität der Bakterien in den Fasern lässt sich mit einer eigens für den synthetischen Biofilm entwickelten Lebend/Tot-Färbung dokumentieren. Dazu werden die Bakterien in den Fasern mit den Farbstoffen Propidiumiodid (rot, tote Bakterien) und SYTO-9 (grün, lebende Bakterien) gefärbt. Anschließend werden die Fasern mit einem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) analysiert und aus den erhaltenen Daten ein dreidimensionales Bild aufgebaut. Die in Abbildung 2 exemplarisch gezeigte nassgesponnene Faser wurde vor der Messung für vier Tage unter Standardbedingungen kultiviert. Es ist zu erkennen, dass es Bereiche gibt, in denen relativ viele tote Bakterien (rot) vorhanden sind. Diese liegen bei den meisten der untersuchten Fasern eher am Rand. Dort sind die Bakterien möglicherweise mit dem Azeton-Fällbad in Kontakt gekommen. Im Faserinnern überwiegen hingegen die grünen Bereiche deutlich. Dies belegt unter anderem, dass die befürchtete Unterversorgung der Bakterien im Faserinnern – auch bei einer mehrtägigen Kultivierung – nicht auftrat.

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