Materialeinflüsse bei der Abtötung von Bakterien durch metallisches Kupfer

Abstract

Die Motivation dieser Arbeit besteht darin, die Entwicklung von antibakteriell wirkenden Kupferwerkstoffen voranzutreiben, die im medizinischen Anwendungsbereich zur Reduktion von infektionsbedingten Krankheits- und Todesfällen beitragen können. Über die mikrobiologischen Wirkmechanismen von Kupfer ist bisher wenig, über materialgesteuerte Effekte bei der Abtötung von Bakterien durch Kupferwerkstoffe noch weniger bekannt. Um dieses Wissensdefizit zu verringern und gleichzeitig ein optimiertes Materialdesign abzuleiten, ist es Ziel der vorgestellten Arbeit, die grundlegenden Materialeinflüsse bei der Abtötung von Bakterien durch Kupferwerkstoffe zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Oxidations-, Mikrostruktur- und Oberflächeneffekte bei Kupfer mit der antibakteriellen Wirkung korreliert. Es wurde gezeigt, dass die Steuerung der Kupferionenabgabe durch geeignete Mikrostrukturgestaltung und Oxidbildung sowie die direkte Interaktion der metallischen Oberfläche mit den Bakterien wichtige Einflussfaktoren für das Abtötungsverhalten darstellen. Auf Basis der für Kupfer gewonnenen Erkenntnisse wurde ein allgemeines Modell zur Beschreibung der antibakteriellen Wirkung von Metallen abgeleitet und der Legierungseinfluss bei Kupferwerkstoffen interpretiert.

This work is motivated by the development of copper-based materials with antibacterial properties, which should help to reduce infection-related cases of illness and death in the healthcare sector. Little is known about the related governing microbiological mechanisms of copper and even less about material-related influences. In order to abate this lack of knowledge and to derive an optimized material design, the main objective of this thesis is to study the governing influence of material properties on the bactericidal effect of copper-based materials. For this purpose, oxidational, microstructural and surface-related effects of copper have been correlated to its antibacterial efficiency. It was shown, that a controlled copper ion release by tailoring the microstructure and the oxide formation as well as the direct interaction of the metallic surface with bacteria represent important factors regarding the antibacterial capacity. Based on the findings for copper, a universal model was derived to describe the antibacterial efficiency of metals. Furthermore, the influence of alloying for copper-based materials was interpreted.