DE19935230C2

DE19935230C2 - Biofilmhemmendes Mittel

Info

Publication number: DE19935230C2
Application number: DE1999135230
Authority: DE
Inventors: Horst Boettcher; Stefan Sawusch; Karl-Heinz Kallies
Original assignee: Kallies Feinchemie AG
Current assignee: Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: DE19935230A1

Abstract

Es wird ein biofilmhemmendes Mittel aus einem Metalloxid-Xerogel, das in homogener Verteilung Edelmetallverbindungen und eine oder mehrere Verbindungen mit einem quarternären Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom oder einem phenolischen Rest in immobilisierter Form enthält, und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein biofilmhemmendes Mittel. Das Mittel kann vorzugsweise zur Beschichtung von Materialoberflächen von Nutzwasseranlagen und -behältnissen, zur algenabweisenden Be schichtung von Wasserfahrzeugen und maritimen Anlagen, zur an timikrobiellen Ausrüstung medizinischer, pharmazeutischer und biotechnischer Geräte und Gegenstände sowie zur antimikrobiel len Imprägnierung von Textilien verwendet werden.

Es ist allgemein bekannt, daß die umgebungsbedingte mikrobiel le Kontamination von Anlagen in der Nutzwassertechnik oder von medizinischen Geräten und Gegenständen ein erhebliches gesund heitliches Gefährdungspotential darstellt. Beispielsweise tritt in Wasserversorgungsanlagen, hervorgerufen durch die Bildung von mikrobiellen Belägen, ein erhebliches epidemisches Risiko dadurch auf, daß die gebildeten Biofilme unter bestimm ten Bedingungen auch pathogene Keime enthalten können. Neben der gesundheitlichen Gefährdung besteht ein Problem darin, daß Mikroorganismen in vielfältiger Weise nahezu alle Werkstoffe schädigen. Beispiele für biologisch induzierte Materialschäden sind die Korrosion metallischer Gegenstände (wie Rohrleitun gen) durch das Wirken sulfatreduzierender Bakterien, der Zer fall von mineralischen Baustoffen durch mikrobiell verursachte pH-Absenkung, der Abbau von Kunststoffdichtungen und die Zer störung von lignocellulosehaltigen Materialien durch Pilze. Die Vermeidung und Verringerung dieser Schäden stellt derzeit eine große wissenschaftliche und technische Herausforderung dar.

Es ist gegenwärtig möglich, durch die Inkorporierung von anti mikrobiell wirkenden Substanzen in organische Werkstoffe die mikrobielle Besiedlung dieser Materialoberflächen mehr oder weniger wirksam zu unterbinden. Hierbei werden chemische Sub stanzen mit bakterizider oder fungizider Wirkung verwendet, wobei der Wirkstoff durch Diffusion freigesetzt wird. Der Vor teil besteht darin, daß die Wirkstoff-Freisetzung direkt am zu schützenden Medium erfolgt. Damit wird eine für einen antimi krobiellen Effekt notwendige hohe physiologisch wirksame Bio zidkonzentration am zu schützenden Medium realisiert, ohne die weitere Umgebung des Materials unnötig mit Bioziden zu bela sten. Zur Realisierung dieser Strategie werden zumeist ober flächenmodifizierte oder mit antimikrobiellen Substanzen do tierte organische Polymere eingesetzt (DE 197 32 588 A1). Die genannte Methode der Volumeninkorporation von Bioziden zur Un terdrückung einer mikrobiellen Kontamination ist verständli cherweise nur bei einer sehr begrenzten Materialpalette mög lich.

Eine breiter anwendbare Methode besteht dagegen in der Anwen dung von Schutzlacken, die Biozide enthalten. Als kommerzielle Produkte erlangten hier seit langem sog. Antifoulingfarben, d. h. Schiffsanstriche, die den Algenbewuchs verhindern sollen, Bedeutung. Hierbei handelt es sich um Mischungen natürlicher und synthetischer Harze, die unterschiedliche biozide Schwer metallverbindungen enthalten. Sowohl Polymer- als auch die Biozid-Komponenten stehen aus ökologischen Gründen unter star ker Kritik, so daß intensiv nach Alternativen gesucht wird. Als Alternative bieten sich quarternäre Ammoniumsalze an, die ein breites antibakterielles Spektrum besitzen und deshalb in erheblichen Umfang zur Desinfektion und Konservierung verwen det werden, wodurch die Anwendung in antimikrobiellen wirksa men Oberflächenbehandlungen vorgeschlagen wurde (US-PS- 4539234). Eine Beschränkung besteht allerdings darin, daß die Quartärsalze aufgrund ihrer ausgezeichneten Wasserlöslichkeit für langzeitig wirkende Beschichtungen bislang nicht geeignet sind.

Weiterhin ist allgemein bekannt, daß Silber, Kupfer, Gold und deren Verbindungen aufgrund ihres oligodynamischen Effektes über eine hohe bakterizide Wirkung verfügen. Auf dieser Er kenntnis basieren eine Vielzahl von Anwendungen, die Silber und dessen Verbindungen zu Desinfektionszwecken gebrauchen. Für antimikrobiell wirksame Oberflächen medizinischer und pharmazeutischer Geräte wird darum die Inkorperierung von Sil berverbindungen in Polymerüberzügen, vorrangig in Polyuretha nen, vorgeschlagen (US 4 054 139). Die Nachteile der edelme tallhaltigen Beschichtungen besteht darin, daß sie (1) zwar langzeitig wirken, aber ihr biozides Potential erst aufbauen müssen, z. B. durch Oxidation von Silber zu diffundierenden Silberionen, und (2) derartige Beschichtungen nicht fungizid wirken. Das schränkt ihre Anwendbarkeit beträchtlich ein.

Der bisherige Stand der Technik bei biofilmhemmenden Mitteln ist durch drei wesentliche Mängel gekennzeichnet:

1. Als Nachteil für viele Anwendungen erweist sich bislang die Tatsache, daß die derzeit verwendeten einkomponenti gen Biozidsysteme nur ein begrenztes Wirkungsspektrum aufweisen, z. B. besitzen die vielfach erwähnten silberba sierenden Systemen nur eine antibakterielle Wirkung. Die se Systeme sind aber relativ unwirksam gegenüber Pilzen (keine fungizide Wirkung). Das führt rasch zur Resistenz und Nischenbildung für andere Mikroben und Pilze. Insbe sondere die Kombination von bakteriziden und fungiziden Verbindungen zur Erreichung einer biofilmhemmenden Breit bandwirkung in Beschichtungen ist zur Zeit noch nicht verwirklicht.
2. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, daß die Freiset zungskapazität von biofilmhemmenden Substanzen aus den derzeit verwendeten organischen Polymeren, bedingt durch deren Hydrophobizität und Kompaktheit der Matrix, stark eingeschränkt ist. Die in den Innenbereichen der Polymere immobilisierten antimikrobiellen Substanzen sind aufgrund der geringen Quellbarkeit in Wasser nicht oder nur be grenzt den erforderlichen Diffusions- und Oxidationspro zessen (z. B. muß Silber in der Matrix in diffusionsfähige Silberionen umgewandelt werden) zugänglich, wodurch die biofilmhemmende Wirkung erheblich herabgesetzt wird. Das führt insbesondere bei silberdotierten organischen Poly meren, z. B. für Harnröhrenkathether (US-PS-4054139), da zu, daß die antimikrobielle Wirkung erst nach einer Initiationsphase zur Verfügung steht. Da jedoch die mi krobielle Kontamination in dieser Anfangsphase besonders kritisch ist, erweist sich diese Eigenschaft als sehr un günstig. Betrachtet man dagegen organische Biozide, so weisen z. B. in Lacken immobilisierte quarternäre Ammoni umverbindungen, bedingt durch deren gute Wasserlöslich keit, eine sehr hohe Auswaschungsrate auf. Das führt da zu, daß die biozide Wirkung durch Depoterschöpfung rasch nachläßt.
3. Die derzeit verwendeten Systeme aus biozidhaltigen Poly meren, insbesondere mit organischer Matrix, stellen für viele Mikroorganismen eine potentielle Nahrungsquelle dar. Das gilt vorallem für organische Polymere mit einem hohen Anteil an heteroatomaren Gruppierungen, die Bakte rien und Pilzen als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen können, so daß die biozide Effizienz und Langzeitwirkung stark eingeschränkt ist. Es gab darum erste Versuche, Biozide in anorganische Matrizen einzubetten, z. B. Ein bettung von Ag, Cu oder Zn in keramische Materialien (JP 040203447 A) oder die Einlagerung von Silbersalzen in Alumi niumoxid-Solen (JP 01258792 A). Beide Verfahren sind zur Beschichtung z. B. medizinischer Gegenstände wie Kathether etc. nicht geeignet, da die Bildung keramischer Schichten erst oberhalb 400°C erfolgt bzw. Aluminiumoxid-Sole auf polymeren Trägern keine haftfähigen transparenten Filme bilden. Weiterhin wurde die Einbettung leichtlöslicher Konservierungsstoffe in reine Metalloxid-Schichten vorge schlagen. Zur Kontrolle und Beschleunigung der Freiset zung wurden spezielle Penetrierungsmittel zugesetzt (DE 43 29 279 A1). Langzeitwirkung und Breitbandwirkung wurden nicht beschrieben.

Aus DE 691 16 821 T2 ist die Adsorption insbesondere bio zider Substanzen auf der Oberfläche poröser Träger materialien (Kieselsäuregel, Zeolith-Teilchen) bekannt. JP 08067835 A beschreibt Zusammensetzungen aus Poly siloxanen mit antimikrobiellen Substanzen. Die Adsorption antibakterieller Stoffe auf der Oberfläche poröser Träger (hohle Mikrokugeln oder Silicagel) wird auch in JP 07187906 A und JP 07187907 A beschrieben. In JP 06125970 A und in JP 06080507 A wird vorgeschlagen, ein Silbersalz auf der Oberfläche von Silicagel abzuscheiden und dieses Komposit in ein organisches Polymer einzukapseln.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Mittel zur biofilmhemmenden Beschichtung von Oberflächen und ein Verfah ren zu dessen Herstellung zu finden, mit dem die Nachteile herkömmlicher Mittel überwunden werden können und das inbeson dere die folgenden Eigenschaften besitzt. Es soll eine

- biofilmhemmende Breitbandwirkung zur Verhinderung der Ober flächenbesiedlung durch Bakterien und Pilze,
- eine antimikrobielle Langzeitwirkung (Depoteffekt), und
- eine gegen Biodeteration inerte Matrix besitzen, und
- eine einfache Applikationstechnologie auf diversen Materia lien mit beliebiger Geometrie ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein biofilmhemmendes Mittel und Ver fahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, 8 oder 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Überraschenderweise konnte die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, daß Kombinationen antimikrobiell wirkender Sub stanzen, die sich in ihrem bakterizden und fungiziden Wir kungsspektrum und ihrer zeitlichen Reaktion ergänzen, in einer porösen flexiblen Metalloxidschicht immobilisiert werden. Zur Erreichung einer hohen Wirksamkeit über einen langen Zeitraum wird ein schnell freisetzbares organisches Biozid mit einer Edelmetallverbindung kombiniert, die ihre antimikrobielle Wir kung erst durch einen in der Schicht ablaufenden Hydrolyse- und Oxidationsprozeß zeitverzögert entfaltet und über einen langen Zeitraum gewährleistet, so daß synergistische Effekte bezüglich Wirkstoff-Freisetzung und Langzeitwirkung resultie ren, d. h. die mikrobielle Besiedlung durch Bakterien und Pilze wird wirksam über einen längeren Zeitraum unterbunden.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein bio filmhemmendes Mittel beschrieben, bei dem ein Metalloxid- Xerogel in homogener Verteilung Edelmetallverbindungen und ei ne oder mehrere Verbindungen mit einem quarternären Stick stoff-, Phosphor- oder Schwefelatom oder einem phenolischen Rest in immobilisierter Form enthält. Das Metalloxid-Xerogel wird vorzugsweise flexibel in Schichtform gebildet. Unter Bio film wird allgemein ein Belag auf oder eine Veränderung von Materialoberflächen verstanden, der bzw. die durch die Einwir kung biologischer Stoffe oder Stoffwechselvorgänge entstanden ist. Biofilmhemmend ist eine Substanz, wenn sie die Bildung des Biofilms dauerhaft unterbindet oder verzögert.

Als fixierende Matrix werden Metalloxid-Xerogele aus SiO₂, R- SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ oder deren Gemische verwendet, wobei R = H, Alkyl-, Aryl,- Epoxy-alkyl-, Aminoalkyl- und n = 1.5 oder 1 sein kann. Diese Gele erhält man durch einen Sol- Gel-Prozeß mittels Hydrolyse der entsprechenden Silicium- oder Metallalkoxide oder deren Gemische (vgl. J. C. Brinker und G. W. Scherer, "Sol-Gel Science" Academic Press, London 1990), z. B.

Durch eine gezielte Variation der Rezeptur kann man die Flexi bilität und Porosität der Xerogel-Schichten anwendungsabhängig anpassen. Erhöht man beispielsweise den Anteil durch Zumi schung von R-SiO_n, R₂SiO_n, zu den reinen anorganischen Oxiden, verbessert man die Flexibilität der Schichten. Derartige Schichten eigenen sich besonders gut für die Beschichtung von Polymermaterialien. Andererseits erfordert die Beschichtung metallischer Oberflächen, z. B. von Trinkwasserrohren, eine ho he mechanische Langzeitstabilität. Dies erreicht man durch ei nen möglichst geringen Anteil organischer Reste im Xerogel und z. B. durch die Zumischung bis zu 30 Gew.-% Phosphor in Form von Phosphorsilikaten. Hierzu werden die Metalloxidsole mit alkoholischen Phosphorestern versetzt. Der Zusatz von Phoshor verbindungen führt neben der Verbesserung der mechanischen Schichteigenschaften zu einer Modifizierung der Oberflächen energie und Oberflächenladung sowie zur Herabsetzung der Ober flächenrauhigkeit. Dadurch wird vorteilhaft der Prozeß der Primärverkeimung verlangsamt.

Zur erfindungsgemäßen Erzielung einer langzeitigen und vor al lem breitbandigen biofilmhemmenden Wirkung ist es wichtig, in der Metalloxidmatrix antimikrobielle Substanzen in bestimmten Kombinationen zu immobilisieren. Die Kombinationen antimikro biell wirkender Substanzen wird vorzugsweise so gewählt, daß sich die Substanzen in ihrem bakterizden und fungiziden Wir kungsspektrum sowie ihrer zeitlichen Reaktion (Antwort) ergän zen. Zur Erreichung einer hohen Wirksamkeit über einen langen Zeitraum wird ein schnell freisetzbares organisches Biozid mit einer Edelmetallverbindung kombiniert, die ihre antimikrobiel le Wirkung erst durch einen in der Schicht ablaufenden Hydro lyse- und Oxidationsprozeß zeitverzögert entfaltet und über einen langen Zeitraum gewährleistet, so daß synergistische Ef fekte bezüglich Wirkstofffreisetzung und Langzeitwirkung re sultieren, d. h. die mikrobielle Besiedlung durch Bakterien und Pilze über einen längeren Zeitraum wird wirksam unterbunden.

Es wurde gefunden, daß es mit drei Materialklassen gelingt, vorteilhafte Kombinationen in Verbindung mit der Immobilisie rung in einem Metalloxid-Xerogel zu erhalten:

Als langzeitig antimikrobiell wirksame Edelmetallverbindungen werden entweder die Metalle oder Legierungen selber oder die Metallsalze oder -komplexe der Elemente Silber, Kupfer, Gold und Palladium oder deren Gemischen in Schichtanteilen bis zu 30 Gew.-% in homogener kolloidaler Verteilung verwendet. Von den aufgeführten Metallen haben sich aus Wirksamkeits- und Kostengründen besonders Silber und seine Verbindungen vorzugs weise in Anteilen von ca. 1 bis 5 Gew.-% bewährt.

In der praktischen Ausführung werden dazu dem Metalloxidsol (vgl. Gleichung 1) entweder (a) die Metalle oder Legierungen in feindisperser Form oder (b) die entsprechenden Metallsalze mit einem Metallreduktionsmittel wie Gallussäure, Hydrochinon oder Trialkoxysilan zugefügt, wodurch die Metallkolloidbildung direkt im Sol erfolgt und durch die Konzentration des Reduk tionsmittel gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß werden den Edelmetallverbindungen organische Biozide zugesetzt, die sich im Wirkungsspektrum und im Frei setzungsverhalten ergänzen. Bewährt haben sich besonders 2 Substanzklassen:

1. schnell und kurzzeitig wirkende Verbindungen mit einem quarternären Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom mit folgender Struktur:
R¹R²R³R⁴N⁺ X^-, R¹R²R³R⁴P⁺ X^-, R¹R²R³ S⁺ X^-, wobei
- a) R¹ = ein Alkylrest mit 8-18 C-Atomen, R², R³, R⁴ = unterschiedliche Alkyl-, Benzalkyl-, Aryl-, Phenacyl-Reste und X^- ein beliebiges Anion sein können, sowie
- b) Verbindungen, bei denen die quarternären Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatome Bestandteile eines heterocy clischen Ringes oder Bestandteil einer polymeren Kette sein können.
Vorzugsweise kommen Alkylbenzyldimethylammoniumhalogenide, N-Cetyltrimethylammoniumhalogenide, N- Cetylpyridiniumhalogenide, N-Cetylimidazoliniumhalogenide, Polydiallyldialkyl-ammonium-salze oder deren Gemische mit bis zu 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, zum Einsatz. Diese Verbindungen haben zusätzlich den Vorteil, daß durch sie kolloidale Bestandteile der Beschichtungslösung stabi lisiert werden.
2. schnell und längerzeitig wirkende phenolische Verbindun gen vorzugsweise 4-Hydroxybenzoesäureester, o-Phenyl phenol, 2,2-Bis-(4-hydroxy-phenyl)-propan oder Bis(-4- hydroxyphenyl)-sulfon. Aufgrund intensiver Wechselwirkun gen mit der Oxidmatrix über Wasserstoffbrückenbindungen, der meist größeren Molekülgestalt und der schlechteren Wasserlöslichkeit werden die phenolischen Verbindungen im Vergleich zu den quartären Salzen (1) beträchtlich lang samer freigesetzt.
Es ist davon auszugehen, daß ähnlich den Phenolen hier nicht geprüfte heterocyclische Biozide, wie z. B. Octy lisothiazolon, in Kombination mit Edelmetallverbindungen, für einen breitbandigen Biozideffekt geeignet sind.

Mittels der oben beschriebenen Biozideinteilung und der Nut zung der Sol-Gel-Technik ist es nun möglich, je nach Anwen dungsgebiet hochwirksame biofilmhemmende Mittel maßgeschnei dert herzustellen.

Als langzeitig biofilmhemmendes Mittel, z. B. für Heißwasserrohre oder Klimaanlagen eignen sich besonders Kombinationen von Silber mit Bisphenolen. Für schnell wirksame biofilmhem mende Mittel mit einer mittleren Nutzungszeit (z. B. Harnkathe der mit durchschnittlich 4 wöchiger Nutzungsdauer) eignen sich z. B. besonders Kombinationen von Silberverbindungen mit Ben zalkoniumsalzen.

Als Träger für die biofilmhemmenden Beschichtungsmittel können Papier, Karton, Textilien, Holz, Kunststoffe, Keramik, Glas, Metalle oder organisches Material beliebiger Dicke und geome trischer Gestalt verwendet werden. Die Beschichtung mit den der Erfindung zugrunde liegenden antimikrobiellen Kompositma terialien kann durch Tauchen ("dip coating"), Sprühen ("spray coating"), Schleudern ("spin coating"), Streichen oder Begie ßen erfolgen.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kommt zur Herstellung des biofilmhemmenden Mittels vorzugsweise folgen des Verfahren mit den Schritten 1 bis 6 zum Einsatz:

1. Herstellung eines Metalloxid-Sols, welches die Bestandteile SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, P₂O₅ oder Gemische enthält, durch saure oder basische Hydrolyse der entspre chenden Metallalkoxide in einem wäßrigen, organischen oder gemischten Lösungsmittel entsprechend Gl. (1),
2. Zumischung einer wäßrig-alkoholischen metallsalzhaltigen oder metallkolloidhaltigen Lösung und der Lösung von Ver bindungen, die ein quarternäres Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom oder einen phenolischen Rest enthalten,
3. ggf. bei metallsalzbasierenden Zubereitungen Erzeugung der kolloidalen Edelmetall-Partikel durch Zusatz einer reduzie renden Lösung, vorzugsweise eines reduzierenden Trialkoxy silans, eines Hydrochinonderivates oder einer Lösung einer organischen Säure,
4. Auftragen der Lösung auf einen Träger, vorzugsweise durch Tauchen, Besprühen, Begießen oder Streichen. Zur Regulie rung des Begußverhaltens können polymere Verbindungen in geringen Mengen (unter 10%) zugesetzt werden. Dazu geeignet sind vorzugsweise Celluose-Derivate, Stärke-Derivate, Po lyalkylenglykole und deren Derivate, Polyacrylate, hydroxy terminierten Poly(dimethylsiloxane) oder Naturharze wie Ko lophonium.
5. Trocknen der Schicht durch Verdampfen des Lösungsmittels,
6. Tempern der Schicht je nach Substratverträglichkeit zwi schen 60°C und 160°C für 0,5 bis 10 Stunden.

Die nach dem oben genannten Prinzip erzeugten biofilmhemmenden Mittel eignen sich vorzugsweise zur Beschichtung von Mate rialoberflächen von Anlagen und Behältnissen für Nutz- und Brauchwasser, zur algenabweisenden Beschichtung von Wasser fahrzeugen und maritimen Anlagen, zur antimikrobiellen Ausrü stung medizinischer, pharmazeutischer und biotechnischer Gerä te und Gegenstände sowie zur antimikrobiellen Imprägnierung von Textilien.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen biofilmhemmenden Mittel liegen vor allem in der Kombination mehrerer bakterizider, bakteriostatischer und fungizider Substanzen, die in immobili sierter Form in einer anorganischen Polymermatrix eingebettet sind. Durch die Kombination der Wirkstoffe mit der Sol-Gel- Technik sind erstmals biofilmhemmende Mittel mit langzeitiger Breitbandwirkung verfügbar. Bedingt durch die nanopöröse Struktur der anorganischen Matrix stehen auch die in den tie feren Bereichen der Beschichtung fixierten Wirkstoffe zur Ver fügung. Dadurch wird ein Depoteffekt gewährleistet. Durch die langsame, aber stetige Freisetzung der unterschiedlichen Wirk stoffe ergibt sich eine nachhaltige antimikrobielle Wirksam keit über einen langen Zeitraum. Durch die Kombination ver schiedener Wirkstoffe ergeben sich neben der antimikrobiellen Breitbandwirkung positive Effekte in der Freisetzungsdynamik. So werden, wie oben bereits beschrieben, ionogene leichtlösli che Wirkstoffe rasch freigesetzt und erzeugen somit ohne Inhi bitionsphase einen sofortigen antibakteriellen Effekt auf der Beschichtung und bilden durch den Auswaschvorgang nanoporöse Känale, die die nachfolgende Diffusion der Edelmatallionen aus dem Schichtinneren fördern. Damit wird insbesondere in der sensiblen Phase der Primärkontamination ein hoher Schutz vor mikrobieller Besiedlung gewährleistet. Die Kombination sichert einen langanhaltenden antimikrobiellen Effekt sowohl gegen Bakterien als auch Pilze und beugt einer möglichen Resistenz entwicklung und Nischenbildung vor.

Weitere entscheidende Vorteile der erfindungsgemäßen biofilm hemmenden Mittel ergeben sich aus der Verwendung einer anorga nischen Matrix. So ist das biofilmhemmende Mittel, bedingt durch die Verwendung von SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, und P₂O₅ weitgehend inert gegen mikrobielle Biodeteration, denn diese Verbindungen werden von Mikroben nicht oder nur schwer akkumuliert.

Durch die hohe mechanische Stabilität der Beschichtung und die Tatsache, daß sich die biofilmhemmenden Mittel auf nahezu alle Werkstoffe beliebiger Geometrie applizieren lassen, erschlie ßen sich viele neue Anwendungsbereiche in unterschiedlichen technischen Bereichen, da neben der biofilmhemmenden Wirkung die mechanischen Oberflächeneigenschaften gleichzeitig verbes sert werden.

Bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen bio filmhemmenden Mittel sind darum z. B. Beschichtungen von Materialoberflächen von Nutzwasseranlagen und -behältnissen, algenabweisende Beschichtungen von Wasserfahrzeugen und mari timen Anlagen, antimikrobielle Ausrüstung medizinischer, phar mazeutischer und biotechnischer Geräte und Gegenstände sowie die antimikrobielle Imprägnierung von Textilien.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Herstellung biofilmhemmender Mittel 1.1. Herstellung von Mittel 1

5,5 g Aluminiumhydroxychlorid werden in 10 ml H₂O mit 40 ml EtOH gelöst. Zu dieser Lösung tropft man 10 ml Tetraethoxysi lan und 10 ml Epoxy-propyl-trimethoxisilan. Die Lösung wird 24 Stunden gerührt und man erhält ein farbloses klares SiO₂/Al₂O₃/SiO_x-R-Sol. Zu 30 ml dieser Lösung gibt man 10 ml ei ner 10% Lösung Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) und 0,5 ml einer 1 M AgNO₃-Lösung. Es entsteht eine zunächst weiße, später violette trübe Suspension, die auf Glasplatten aufgetragen und nach 1-stündiger Luftrocknung bei 50-120°C für 1-5 Stunden getempert wird.

Feststoff-Zusammensetzung des Mittels 1

19% SiO₂

, 18% Al₂

O₃

, 54% SiO_x

-R, 7% CTAB, 2% AgCl (R = Epoxy propyl)

1.2. Herstellung von Mittel 2

0,3 g Bis(-4-hydroxyphenyl)-sulfon (BHPS) und 0,3 g 2,2-Bis- (4-hydroxyphenyl)-propan (BHPP) werden in 20 ml 96% EtOH unter leichten Erwärmen gelöst und 10 ml Tetraethoxysilan, 7 ml Di methyldiethoxysilan und 6 ml Epoxy-propyl-trimethoxisilan in 20 ml Ethanol in Gegenwart von 5 ml 0,01 N HNO₃ hinzugefügt. Nach 24-stündiger Umsetzung werden zu 30 ml dieser Lösung 6 ml einer Lösung eines Phosphoresters (2 g P₂O₅ in 60 ml Ethanol) gegeben. Nach Abklingen der Reaktion fügt man diesem Gemisch unter Rühren 5 ml einer silberkolloidhaltigen Lösung, die man z. B. aus 2 ml 0,1 M AgNO₃ und 2 ml 5% Gallussäure darstellt, hinzu. Die gelb-braune Beschichtungslösung läßt sich mittels üblicher Beschichtungsverfahren auf Glasplatten auftragen und nach 1-stündiger Luftrocknung bei 50-120°C für 1-5 Stunden tempern.

Feststoff-Zusammensetzung des Mittels 2

22% SiO₂

, 4% P₂

O₅

, 68% SiO_x

-R, 2,5% BHPS, 2,5% BHPP, 1% koll. Ag* (R = Epoxypropyl, Methyl)

Beispiel 2 Prüfung der Wirkstoff-Freisetzung aus den Mit teln 1 und 2

Die Detektion der freigesetzten Wirkstoffe erfolgte durch an sich bekannte analytische Methoden (organische Verbindungen durch HPLC; Gerät WATERS PID 996, Ag⁺-Konzentrationen mittels ICP-Analytik; Plasmaquant 110 Carl Zeiss) sowie durch antimi krobielle Wirksamkeitsprüfungen. Das Verhältnis Elutionsvolu men zur beschichteten Oberfläche betrug 1. Als Eluent wurde bidest. Wasser verwendet, das bei den Langzeituntersuchungen zu BHPP und BHPS alle 3 Tage erneuert wurde. Die Ergebnisse sind in Tab. 1 zusammengestellt.

Tab. 1

Wirkstoff-Freisetzung aus der Beschichtungsmatrix

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß bereits nach 4 h das leicht wasserlösliche quartäre Ammoniumsalz vollständig ausge waschen ist. Die Freisetzung der Silberionen erfolgt dagegen nach einer Induktionsphase drastisch langsamer, wobei die rei nen Silberkolloide langsamer als die schwerlöslichen Silberha logenide in Lösung gehen. Die schnelle und prozentual hohe Auswaschung des Quartärsalzes beschleunigt die Freisetzung der immobilisierten Silberionen, weil durch die Auswaschung des Quartärsalzes die Nanoporösität der SiO₂/Al₂O₃-Matrix erhöht wird. Damit ergänzen sich die Biozidfreisetzungen, da in der sensiblen Phase der Primäradhesion ein oberflächenaktives Bio zid und im weiteren Verlauf die stark bakteriziden Silberionen freigesetzt werden.

Die Freisetzung des bakteriostatischen BHPS und des fungiziden BHPP erfolgt in einem mittleren Zeitbereich. Durch Kombination mit den bakteriziden edelmetallhaltigen Komponenten kann man deshalb sehr effiziente langzeitig wirkende biofilmhemmende Mittel erhalten.

Beispiel 3 Vergleich der bioziden Wirkung der Wirkstoffkom binationen der Mittel 1 und 2 gegenüber Mitteln mit nur einer bioziden Komponente

Zur Einschätzung des biofilmhemmenden Potentials der Mittel 1 und 2 wurden Varianten dieser Mittel mit nur einem Biozid er zeugt und mit den Mittel 1 und 2 (Biozidkombinationen) in ih rer Wirkung auf definierte Keime verglichen (Tab. 2 und 3). Als Testkeime wurden die pathogen Bakterienstämme Staphylococcus aureus (gram positiv) und Klebsiella pneumoniae (gram negativ) ausgewählt. Dazu wurden 0,5 ml der Bakteriensuspensionen (physl. NaCl, Phosphat-gepuffert pH 7,8) 1-3 Stunden auf den Mitteln inkubiert. Um den Effekt der Wirkstoffauswaschung auf die biozide Wirkung zu ermitteln, wurden Duplikate der Mittel eine Stunde mit sterilen Wasser (20 ml/Träger) behandelt und nach dem Trocknen analog mit den Bakteriensuspensionen beimpft. Nach Ablauf der Inkubationszeit wurden die Suspensio nen auf CLED-Agar ausgestrichen, 24 Stunden bebrütet, die KBE- Zahl bestimmt. Als Vergleichsmedium dienten unbehandelte Gla sträger, deren Bakterienaktivität mit 100% angenommen wurde (Tab. 2 und 3).

Tab. 2

Biozide Wirkung von Mittel 1 und dessen Varianten

Tab. 3

Biozide Wirkung von Mittel 2 und dessen Varianten

Aus den Ergebnisse ist ersichtlich, daß durch die leichte Aus waschbarkeit der Quartärsalze nach der Wässerung der Mittel 11 und 12 deren Biozidwirkung stark nachläßt. Die verzögerte Freisetzung der bioziden Silberionen bewirkt, daß sich die keimtötende Wirkung erst nach einer längeren Inkubationszeit einstellt. Aber auch nach Wässerung des Mittels 13, bleibt die keimmindernde Wirkung erhalten. Die Kombination der beiden Wirkstoffe, Quartärsalz und Silberverbindung, im Mittel 1 zeigt, daß sich die beiden Wirkstoffe in ihrem Biozidverhal ten, insbesondere in ihrer Freisetzungsdynamik, ideal ergän zen. Auch mit der Kombination von phenolischen und silberhal tige Bioziden erreicht man aber auch hier eine ausreichende biozide Wirkung. Der Vorteil des Mittels 2 gegenüber dem Mit tel 1 besteht, trotz der geringeren Biozidwirkung, in dessen höheren Depoteffekt.

Beispiel 4 Nachweis der fungiziden Wirkung des Mittels 1 und 2

Zum Nachweis der fungiziden Wirkung werden die Mittel 1 und 2 in einer pilzsporenhaltigen Nährlösung (Leptomitus spec., Nährlösung nach Hoagland mit 0,02 g Glukose pro Liter, 20°C) im Vergleich mit unbeschichteten Glasträgern inkubiert. Nach einer Inkubationsdauer von 5 Tagen wird die Menge des Biofilmbewuchses bestimmt. Die Quantifizierung des Biofilms erfolgt durch Anfärben des Pilzmyzels mit Methylenblau-Färbung und anschließende computerunterstützte mikroskopische Auswer tung (analySiS 3.0). In Tabelle 4 sind die Ergebnisse dieser Untersuchungen dargestellt.

Tab. 4

Hemmung Verpilzung durch die Beschichtungen 1 und 2

Die in vitro Versuche belegen, daß die Beschichtungen 1 und 2 über ein hohes fungizides Potential besitzen. So wird das Wachstum von Pilzmycel, welches für die Biofilmbildung in wasserführenden Systemen sehr bedeutend ist, auf den Beschich tungen 1 und 2 wirksam unterbunden (Tab. 4). Es zeigt sich, daß zwischen den Biozidkombinationen der Mittel 1 und 2 im Wirkungsspekrum Unterschiede bestehen. So weist das Mittel 2, bedingt durch den Gehalt an phenolischen Wirkstoffen, eine hö here fungizide Wirkung als Mittel 1 auf.

Claims

1. Biofilmhemmendes Mittel aus einem Metalloxid-Xerogel, das in homogener Verteilung Edelmetallverbindungen und eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem quarternä ren Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom oder einem phenolischen Rest in immobilisierter Form enthält, wobei die Edelmetallverbindungen aus der Gruppe bestehend aus den Metallen, Legierungen, Salzen oder Komplexen der Ele mente Silber, Kupfer, Gold und Palladium oder deren Gemi schen ausgewählt sind.

2. Biofilmhemmendes Mittel gemäß Anspruch 1, bei dem das Me talloxid-Xerogel als fixierende Matrix aus SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂ oder deren Gemischen besteht, wo bei R = H, Alkyl-, Aryl-, Epoxy-alkyl-, Aminoalkyl- ist und n den Wert 1.5 oder 1 besitzt.

3. Biofilmhemmendes Mittel gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Metalloxid-Xerogel bis zu 30 Gew.-% Phosphor in Form von Phosphorsilikaten enthält.

4. Biofilmhemmendes Mittel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bis zu 30 Gew.-% Edelmetallverbindun gen in homogener kolloidaler Verteilung enthalten sind.

5. Biofilmhemmendes Mittel gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem die eine oder mehreren organischen Ver bindungen mit einem quarternären Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% entsprechend der folgenden Struktur
R¹R²R³R⁴N⁺ X^-, R¹R²R³R⁴P⁺ X^-, R¹R²R³ S⁺ X^-
enthalten ist, wobei R¹ = ein Alkylrest mit 8-18 C- Atomen, R², R³, R⁴ = unterschiedliche Alkyl-, Benzalkyl-, Aryl-, Phenacyl-Reste und X^- ein beliebiges Anion ist.

6. Biofilmhemmendes Mittel gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, das die eine oder mehreren organischen Verbindun gen mit einem quarternären Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% ent hält, wobei die quarternären N-, P- oder S-Atome Bestand teil eines heterocyclischen Ringes oder Bestandteil einer polymeren Kette sind.

7. Biofilmhemmendes Mittel gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem das Mittel die eine oder mehrere pheno lischen Verbindungen mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% 4-Hydroxy-benzoe-säureester, o-Phenylphenol, 2,2-Bis-(4- hydroxy-phenyl)-propan oder Bis(-4-hydroxyphenyl)-sulfon umfaßt.

8. Verfahren zur Beschichtung einer Materialoberfläche, bei dem ein biofilmhemmendes Mittel gemäß einem der vorherge henden Ansprüche als Metalloxid-Nanosol auf die Material oberfläche aufgebracht und verfestigt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines biofilmhemmenden Mittels gemäß einem der Vorhergehenden Ansprüche, mit den Schrit ten:

- Herstellung eines Metalloxid-Sols, welches die Bestandtei le SiO₂, R-SiO_n, R₂SiO_n, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, P₂O₅ oder Gemi sche enthält, durch saure oder basische Hydrolyse der ent sprechenden Metallalkoxide in einem wäßrigen, organischen oder gemischten Lösungsmittel,
- Zumischung einer wäßrig-alkoholischen metallsalzhaltigen oder metallkolloidhaltigen Lösung und der Lösung von orga nischen Verbindungen, die ein quarternäres Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom oder einen phenolischen Rest enthalten,
- Auftragen der Lösung auf einen Träger,
- Trocknen der Schicht durch Verdampfen des Lösungsmittels, und
- Tempern der Schicht.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem für metallsalzbasieren den Zubereitungen die kolloidalen Edelmetall-Partikel durch Zusatz einer reduzierenden Lösung, wie eines reduzierenden Trialkoxysilans, eines Hydrochinonderivates oder einer Lö sung einer organischen Säure, erzeugt werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem das Auftragen durch Tauchen, Besprühen, Begießen oder Streichen erfolgt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem zur Regulierung des Begußverhaltens der Lösung polymere Verbindungen zugesetzt werden.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem als polymere Verbin dungen weniger als 10% Celluose-Derivate, Stärke-Derivate, Polyalkylenglykole und/oder deren Derivate, Polyacrylate, hydroxy-terminierten Poly(dimethylsiloxane) oder Naturhar ze wie Kolophonium zugesetzt werden.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Tempern je nach Substratverträglichkeit bei einer Tempera tur zwischen 60°C und 160°C für 0,5 bis 10 Stunden er folgt.

15. Verwendung eines biofilmhemmenden Mittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schutz von Papier, Karton, Texti lien, Holz, Kunststoff, Keramik, Glas, Metallen oder von organischen Materialien beliebiger Dicke und geometrischer Gestalt, zur Beschichtung von Materialoberflächen von Nutzwasseranlagen und -behältnissen, zur algenabweisenden Beschichtung von Wasserfahrzeugen und maritimen Anlagen, zur antimikrobiellen Ausrüstung medizinischer, pharmazeu tischer und biotechnischer Geräte und Gegenstände und/oder zur antimikrobiellen Imprägnierung von Textilien.