Surface modification of copper-based alloys in antibacterial application

Abstract

The rise of multidrug-resistant pathogens highlights the need for antimicrobial materials beyond conventional antibiotics. Copper has intrinsic antibacterial activity, but its practical use is limited by durability and corrosion issues. This doctoral research utilizes ultrashort pulsed direct laser interference pattering (USP-DLIP) to create microscale structures on copper-based alloys to enhance the antibacterial efficiency. Brass, bronze, and copper-nickels alloys were structured, and systematically characterized using microscopy, diffraction, and spectroscopy, and finally assessed against Escherichia coli. The findings demonstrate that three factors - alloy composition, oxidation and topography - play a joint role in modulating the antibacterial activity on these laser structured surfaces. In this case, the microscale structures with dimensions (3 μm) matching that of the bacterial cells showed an enhanced contact-killing effect. While, removing oxides via citric acid etching restored the copper-rich surface leading to a further increase in antibacterial activity. Overall, the line-like structures due to a better dimension compatibility outperformed other complex honeycomb patterns. These findings establish a strong framework for designing durable and scalable antimicrobial copper-based alloys with relevance in healthcare, public infrastructures, and international initiatives such as Biofilms, Touching Surface, and ConTACTS Concordia.

Der Anstieg multiresistenter Pathogene verdeutlicht den Bedarf an antimikrobiellen Materialien über konventionelle Antibiotika hinaus. Kupfer besitzt intrinsische antibakterielle Eigenschaften, jedoch ist seine praktische Anwendung durch begrenzte Haltbarkeit und Korrosionsanfälligkeit eingeschränkt. Dieser Arbeit nutzt die ultrakurzgepulste „Direct Laser Interference Patterning“-Methode (USP-DLIP), um Mikrotopographie auf Kupferlegierungen zu erzeugen und die antibakterielle Wirksamkeit zu verbessern. Messing, Bronze und Kupfer-Nickel-Legierungen wurden strukturiert, mittels Mikroskopie, Beugung und Spektroskopie charakterisiert und gegen Escherichia coli getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass Legierungszusammensetzung, Oxidation und Oberflächentopographie gemeinsam die antibakterielle Wirksamkeit bestimmen. Strukturen auf der Mikroskala von etwa 3 μm, vergleichbar mit der Größe bakterieller Zellen, zeigten einen verstärkten Contact-Killing-Effekt. Das Entfernen von Oxiden durch Zitronensäureätzung stellte eine kupferreiche Oberfläche wieder her und erhöhte die antibakterielle Aktivität weiter. Linienförmige Strukturen übertrafen komplexe Wabenmuster aufgrund besserer dimensionsbezogener Kompatibilität. Diese Erkenntnisse schaffen einen Rahmen für die Entwicklung langlebiger, skalierbarer antimikrobieller Kupferlegierungen, was für das Gesundheitswesen, die Infrastruktur und internationale Initiativen wie BIOFILMS, Touching Surfaces und ConTACTS Concordia von Bedeutung ist.