Modifying the antimicrobial properties of copper surfaces by ultrashort pulsed direct laser interference patterning (USP-DLIP)

Abstract

Bacteria form a fundamental dipole in our everyday lives. On the one hand, they support us in vital body processes such as digestion or can be used in the production of chemicals and medicines. On the other hand, biofilm formation on technical surfaces caused by bacterial colonization can also be associated with high social and health risks due to material erosion or the spread of infectious diseases. The antiseptic effect of copper, already known in the advanced civilizations of antiquity, can be applied in countering decontamination measures. This work investigates how the active antimicrobial properties of copper surfaces can be further optimized by targeted functionalization via ultrashort pulsed laser interference. This is done on a topographical level by generating modified surface contact conditions by applying periodic structures in the size range of individual bacterial cells. Parallelly induced process-related modifications of the surface chemistry and the microstructure are furthermore monitored with regard to their influence on the integrated mechanisms involved in the expression of antimicrobial copper surface efficacy. The insights gained in this work allow for a deeper understanding on how the bacteria/surface interaction can be influenced complementary by functional surface properties and purposefully integrated into antimicrobial surface concepts for decontamination strategies.

Bakterien bilden einen fundamentalen Dipol in unserem Alltag. Zum einen unterstützen sie uns in lebenswichtigen Körperprozessen wie der Verdauung, oder bei der Erzeugung von Chemikalien und Medikamenten. Zum anderen kann eine von bakterieller Besiedelung ausgehende Biofilmbildung auf technischen Oberflächen durch Materialerosion oder die Ausbreitung von Infektionskrankheiten ebenso mit hohen gesellschaftlichen und gesundheitlichen Risiken verbunden sein. Die bereits in den Hochkulturen der Antike bekannte antiseptische Wirkung von Kupfer kann hier gezielt zur Dekontamination genutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, wie Kupferoberflächen durch eine gezielte Funktionalisierung mit ultrakurz gepulster Laserinterferenz hinsichtlich ihrer aktiv antimikrobiellen Eigenschaften weiter optimiert werden können. Dies erfolgt auf topographischer Ebene durch die Erzeugung modifizierter Oberflächenkontaktbedingungen anhand periodischer Strukturen im Größenordnungsbereich einzelner Bakterienzellen. Parallel induzierte prozessbedingte Modifikationen der Oberflächenchemie und dem Gefüge werden zusätzlich bezüglich ihres Einflusses auf die Ausprägung der antimikrobiellen Oberflächeneffizienz betrachtet. Die hierbei erarbeiteten Erkenntnisse erlauben ein vertieftes Verständnis, wie die Bakterien/Oberflächeninteraktion durch komplementäre Oberflächeneigenschaften beeinflusst und zielführend in antimikrobielle Oberflächenkonzepte für Dekontaminationsstrategien integriert werden kann.