Smarte Wundheilung Wenn das Pflaster die Entzündung erkennt…

Verband drauf, und alles wird gut? Nicht immer verläuft die Wundheilung so problemlos. Es kann auch zu Entzündungen kommen. Hier setzt ein neuer Verband von Empa-Forschern an: Er reagiert auf die erhöhte Temperatur der entzündeten Wunde und gibt dann Wirkstoffe ab.

St. Gallen/Schweiz – Ob eine Wunde unter dem Verband problemlos verheilt oder Bakterien in das verletzte Gewebe eindringen und eine Entzündung entfachen, lässt sich von außen nicht erkennen. Sicherheitshalber werden also desinfizierende Salben oder Antibiotika auf der Wunde verteilt, bevor ein Verband angelegt wird. Diese vorbeugenden Maßnahmen sind aber nicht in jedem Fall notwendig. So werden Medikamente verschwendet und Wunden „übertherapiert“.

Schlimmer noch: Der verschwenderische Umgang mit Antibiotika fördert die Entstehung von multiresistenten Keimen, die ein immenses Problem der globalen Gesundheitsversorgung darstellen. Empa-Forscher der beiden Labore „Biointerfaces“ und „Biomimetic Membranes and Textiles“ in St. Gallen wollen dies ändern. Sie entwickeln einen Verband, der selbstständig nur dann antibakterielle Medikamente verabreicht, wenn sie auch wirklich benötigt werden.

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Verband mit integrierten Medikamenten

Die Idee des interdisziplinären Teams um Empa-Forscherin Qun Ren und ihren Kollegen Fei Pan ist einfach beschrieben: Der Verband sollte mit Medikamenten beladen sein und zudem auf Umweltreize reagieren, die wie ein Schalter die Medikamentenfreigabe auslösen. „Auf diese Weise könnten Wunden präzise und im richtigen Moment behandelt werden“, erklärt Pan. Als Umweltreiz suchte sich das Team einen bestens bekannten Effekt aus: den Temperaturanstieg in einer infizierten, entzündeten Wunde.

Nun hieß es für das Team, ein Material zu designen, das auf diesen Temperaturanstieg passend reagieren würde. Hierzu entwickelten die Forscher einen hautverträglichen Polymer-Verbundstoff aus mehreren Komponenten: Acrylglas (Polymethylmethacrylat, kurz PMMA), das beispielsweise für Brillengläser und in der Textilindustrie verwendet wird, und Eudragit, ein bioverträgliches Polymergemisch, mit dem beispielsweise Tabletten überzogen werden.

Mittels Elektrospinnen ließ sich das Kunststoffgemisch zu einer feinen Membran aus Nanofasern verarbeiten. Als medizinisch wirksame Komponente kapselte sie schließlich Octenidin in die Nanofasern ein. Octenidin ist ein Desinfektionsmittel, das schnell gegen Bakterien, Pilze und manche Viren wirkt. In der Medizin kann es auf der Haut, auf Schleimhäuten und zur Wunddesinfektion verwendet werden.

3D-gedrucktes, smartes Pflaster

Grünes Licht für schnelle Wundheilung

Haut-Temperatur als Schalter

Die eigentliche Herausforderung war dann, das mit Desinfektionsmittel beladene Material gezielt „einzuschalten“ – also die Wirkstoffe aus der Membran freizusetzen, wenn sie gebraucht werden. „Damit die Membran als ‚smarter Verband‘ wirkt und das Desinfektionsmittel auch tatsächlich freisetzt, wenn sich die Wunde aufgrund einer Infektion erwärmt, haben wir das Polymergemisch aus PMMA und Eudragit so zusammengestellt, dass wir die Glasübergangstemperatur passend einstellen konnten“, sagt Empa-Forscher Pan. Dabei handelt es sich um die Temperatur, bei der ein Kunststoff von einer festen Konsistenz in einen gummig-zähen Zustand wechselt. Der Effekt ist auch für das Verspröden von Gummi bei tiefen Temperaturen verantwortlich: Legt man einen Gummihandschuh in flüssigen Stickstoff bei -196 °C, ändert er seine Konsistenz und wird so hart, dass man ihn mit einem Schlag wie Glas zersplittern lassen kann.

Das klügere Pflaster gibt nach

Die gewünschte Glasübergangstemperatur der Polymermembran hingegen lag im Bereich von 37 °C. Wenn eine Entzündung vorliegt und sich die Haut über ihre normale Temperatur von 32 bis 34 °C hinaus erwärmt, wechselt das Polymer von seinem festen in einen weicheren Zustand. In Laborexperimenten beobachtete das Team, wie das Desinfektionsmittel bei 37 °C aus dem Polymer freigesetzt wird, nicht jedoch bei 32 °C.

Ein weiterer Vorteil: Der Prozess ist reversibel und kann bis zu fünf Mal wiederholt werden, da sich der Vorgang bei Abkühlung immer wieder von selbst „abschaltet“. Nach diesen erfolgreichen Tests möchten die Empa-Forscher nun das Feintuning des Effekts angehen. Statt eines Temperaturbereichs von vier bis fünf Grad soll der smarte Verband sich dann bereits bei kleineren Temperaturunterschieden an- und abschalten.

Labortests in der Petrischale zeigen Erfolg

Um die Wirksamkeit der Nanofaser-Membranen gegenüber Wundkeimen zu untersuchen, stehen nun weitere Laborexperimente an. Teamleiterin Ren befasst sich seit Langem mit Keimen, die sich in den Grenzschichten zwischen Oberflächen und der Umwelt einnisten, wie etwa auf einer Hautwunde. „In diesem biologischen Setting, einer Art Niemandsland zwischen Körper und Verbandsmaterial, finden Bakterien eine perfekte biologische Nische“, sagt die Empa-Forscherin. Infektionserreger wie Staphylokokken oder Pseudomonas-Bakterien können hier schwere Wundheilungsstörungen verursachen. Genau diese Wundkeime ließ das Team in der Petrischale Bekanntschaft mit dem smarten Verband machen. Und tatsächlich: Die Zahl der Bakterien verringerte sich um den Faktor 1.000, wenn das Desinfektionsmittel Octenidin aus dem smarten Verband freigesetzt wurde.

„Mit Octenidin ist uns ein ‚Proof of Principle‘ für die kontrollierte Medikamentenfreisetzung durch einen externen Reiz gelungen“, sagt Ren. Künftig lasse sich die Technologie auch für andere Arten von Medikamenten einsetzen, wodurch die Effizienz und Präzision bei deren Dosierung gesteigert werden könnte.

Originalpublikation: F Pan, A Amarjargal, S Altenried, M Liu, F Zuber, Z Zeng, RM Rossi, K Maniura-Weber, and Q Ren: Bioresponsive Hybrid Nanofibers Enable Controlled Drug Delivery through Glass Transition Switching at Physiological Temperature; ACS Appl. Bio Mater. 2021, 4, 5, 4271–4279, Publication Date:April 14, 2021; DOI: 10.1021/acsabm.1c00099

* Dr. A. Six, EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt , 8600 Dübendorf/Schweiz

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