01.11.2007
ForschungUmwelt

Polymere Biozide - Ein sicherer Weg zur Umwelthygiene?

  • Abb. 1: Modell der Wirkungsweise von Biozid-freisetzenden Polymeren am Beispiel Ampicillin durch Hydrolyse aus Poly(maleinsäureanhydrid-alt-ethylen)Abb. 1: Modell der Wirkungsweise von Biozid-freisetzenden Polymeren am Beispiel Ampicillin durch Hydrolyse aus Poly(maleinsäureanhydrid-alt-ethylen)
  • Abb. 1: Modell der Wirkungsweise von Biozid-freisetzenden Polymeren am Beispiel Ampicillin durch Hydrolyse aus Poly(maleinsäureanhydrid-alt-ethylen)
  • Abb. 2: Vorschlag für die Wechselwirkung eines amphipatischen Polymeren mit einer bakteriellen Phospholipidmembran.

Polymere Biozide - Ein sicherer Weg zur Umwelthygiene? Biozide rücken in jüngster Zeit mehr und mehr in das Visier der Umwelt- und Verbraucherschützer. Einerseits sind sie als Gesundheitsschutz aber auch zur Vermeidung wirtschaftlicher Schäden durch lebende Organismen unabdingbar, andererseits verbreiten sie sich unkontrolliert in der Umwelt und werden zur Ursache unerwünschter Effekte und Schädigungen. Deshalb beschäftigt sich die Polymerforschung verstärkt mit der Frage, ob diese unerwünschten Nebenwirkungen von Bioziden durch makromolekulare Strukturen eingeschränkt oder sogar vermieden werden können. Eine Bestandsaufnahme und neueste experimentelle Ergebnisse führen zunächst zu folgenden Aussagen: Polymere Biozide können in freisetzende Systeme, polymerisierte Wirkstoffe und polymere Wirkstoffe unterteilt werden. Ihre antimikrobielle Wirkung wird in der Regel durch den Wert der MIC (Minimal Inhibitory Concentration) charakterisiert. MIC ist die Konzentration, bei der 99 % aller getesteten Mikroben am Wachstum gehindert werden, sie liegt bei sehr guten Bioziden im Bereich von 0.5 –10 ppm.

Polymerisierte Biozide

Eine Reihe hochwirksamer antimikrobieller Makromoleküle besteht aus polymerisierten Bioziden. Schon früh wurde gefunden, dass Polymere aus dem antimikrobiellen Monomer 5-Vinylsalicylsäure antimikrobiell aktiv sind. Ein weiteres Beispiel für polymerisierte Biozide ist das Poly(hexylenbiguanidiniumhydrochlorid), welches strukturell auf dem verbreiteten Desinfektionsmittel Chlorhexidin basiert. Das Polymer besteht aus 6 –12 Wiederholungseinheiten und weist sehr gute MIC-Werte im Bereich von 1– 5 ppm gegenüber Gram-positiven und Gram-negativen Bakterienstämmen auf.

Neben dem weniger wirksamen Chitosan ist dieses Polymer als Desinfektionsmittel bereits zugelassen. Weitere antimikrobielle Polymere sind von amphiphilen quartären Ammoniumsalzen, wie Trimethylalkylammoniumchlorid und NAlkylpyridiniumchorid, abgeleitet. Die Alkylketten müssen für eine antimikrobielle Wirksamkeit aus mindestens 10 Kohlenstoffen bestehen.

In den meisten Fällen erfolgt die Einführung der quartären Ammoniumgruppen durch polymeranaloge Umsetzung von Polymeren, wie Poly(4-vinylpyridin), Poly(dimethyla minoethylacrylat), Poly(ethylenimin) und Poly(propylenimin).

Auch natürliche Makromoleküle, wie Chitosan, Stärke und Cellulose können durch Ausrüstung mit quarternären Ammoniumgruppen und langen Alkylspacern in antimikrobielle Polymere umgewandelt werden. Neben quartären Ammoniumgruppen wurden auch quartäre Phosphonium- und tertiäre Sulfoniumgruppen nach dem gleichen Konzept erfolgreich eingeführt.

Makromolekulare Biozide

In einigen Fällen zeigen Polymere mit quartärer bzw. tertiärer Ammoniumgruppe antimikrobielle Wirkung, obwohl die funktionelle Gruppe die für niedermolekulare Biozide notwendigen 10 Kohlenstoffe enthält. Solche Polymere bestehen formal aus nicht bioziden Wiederholungseinheiten, d. h. erst die Polymerisation führt zu einer antimikrobiellen Wirkung.

Ein Vergleich von typischen Beispielen bakterizid wirksamer Polymere mit quartären Ammoniumgruppen zeigt, dass nur Makromoleküle mit einem hydrophoben Rückgrat keine langen Alkylspacer an den funktionellen Gruppen benötigen. Vergleicht man letztere mit einer Klasse von natürlichen Bioziden – den membranaktiven antimikrobiellen Peptiden – so fällt auf, dass beide Wirkstoffklassen ein hydrophobes Rückgrat und kationische Seitengruppen tragen.

Offensichtlich übernimmt das Rückgrat hier die Funktion der langen Alkylketten. Allerdings sind die Peptide deutlich kettensteifer, was auch Ursache der höheren Aktivität sein könnte. Erste Versuche, antimikrobielle Polymere nach diesem Vorbild zu designen, führten bereits zu neuen, hochaktiven antimikrobiellen Phenylenethynylen-basierenden Polymeren. Ein weiteres antimikrobielles Polymer ist Chitosan. Allerdings wird in vielen Fällen das Bakterienwachstum auf Chitosan-beschichteten Oberflächen lediglich gehemmt. Dennoch wird das Polysaccharid in der Lebensmittelverpackungsindustrie häufig eingesetzt. 

Freisetzende Systeme

Die meisten antimikrobiellen Substanzen sind in polymerer Form nicht aktiv. Hauptursache ist der zumeist hydrophobe Charakter der Biozid-modifizierten Polymeren. Er verhindert, dass die Wirkstoffe ihren Wirkort erreichen, der zumeist die mikrobielle Zellmembran ist. Es wurden bereits eine Vielzahl von Antibiotika, Phenolen und Pestiziden an Polymere gebunden. In den meisten Fällen entfaltete sich die antimikrobielle Wirkung erst nach der Hydrolyse der Bindung zwischen Polymer und Biozid.

Häufig wird Poly(maleinsäureanhydrid-alt-ethylen) als Träger eingesetzt. Ein alternatives Wirkungssystem beruht auf N-Halamingruppen, die bereits erfolgreich in alle gängigen Polymere eingeführt werden konnten. Diese Gruppen setzen Chlor bzw. Hypochlorid frei und können mit letzterem auch wieder regeneriert werden. Solche Polymere sind geeignet für Haushaltsprodukte, die mit Chlorbleiche behandelt werden können. Auch Antifoulingfarben gehören in diese Wirkstoffkategorie.

In aktuellen Systemen wird Cu(II) aus den entsprechenden Polykupferorganylacrylaten freigesetzt. Allerdings sind die Lacke noch zusätzlich mit Pestiziden beladen. Ein weiteres freisetzendes antimikrobielles Polymer basiert auf der Abgabe von Silberionen. Diese können beispielsweise als AgBr Nanopartikel auf Poly(4-vinyl-Nmethylpyridinium bromide) oder als komplexierte Ionen auf Polymeren mit Biguanidiniumgruppen immobilisiert werden. Abbildung 1 demonstriert am Beispiel der Freisetzung von Ampicillin durch Hydrolyse der Bindung an den Träger die Wirkungsweise dieser polymeren Biozidklasse.

Amphipatische Polymere

Aktuelle Arbeiten über Biohybride mit Biozidwirkung untersuchen die Eigenschaften antimikrobieller Gruppen am Kettenende. Erste Ergebnisse zeigen, dass quartäre Ammoniumgruppen, die an ein Kettenende des hydrophilen Polymeren Poly(methyloxazolin) gebunden sind ihre Wirksamkeit teilweise behalten. Gegenüber den Bakterienstämmen Staphylococcus aureus und Escherichia coli weisen sie 10 % der Wirksamkeit der entsprechenden niedermolekularen Gruppen auf. Die Wirkung ist dabei im Bereich von 2.000 –15.000 g/mol nicht von der Kettenlänge des Polymers abhängig.

Neuere Arbeiten beschäftigen sich mit Untersuchungen, bei denen die biokompatiblen Poly(oxazoline) für die Modifizierung von Pestiziden, Peptiden und Antibiotika verwendet werden. Ein neues, aufregendes Ergebnis dieser Arbeiten ist die Beobachtung, dass die Wirkung dieser Systeme über einen Bereich von drei Größenordnungen von der biologisch nicht-aktiven Gruppe am anderen Ende des Poly(oxazolin)s gesteuert wird. Dieser als Satellitengruppeneffekt bezeichnete Parameter stellt eine völlig neue Möglichkeit des Wirkstoffdesigns für Biozide dar.

Vermutlich ist die biozide Wirkung auf den amphipatischen Charakter der Moleküle zurückzuführen. Eine Erklärung gibt folgende Modellvorstellung: Das Polymer, das in Lösung als hydrophiles, statistisches Knäuel vorliegt, faltet sich in Kontakt zu einer hydrophoben Oberfläche, z. B. der bakteriellen Zellmembran, um zu einem amphiphilen Makromolekül mit großer Affinität zur hydrophoben Zellmembran. Ein Modell dieses Wirkprinzips wird in Abbildung 2 vorgeschlagen.

Ausblick

Zukünftige Entwicklungen werden sich verstärkt mit der Synthese von polymeren Peptid-Analoga beschäftigen. Grundlage dafür wird ein besseres Verständnis der Wirkmechanismen der Biozidklassen sein. Dies trifft auch auf toxikologische und pharmakologische Studien an polymeren Bioziden zu, die bisher nur sehr selten durchgeführt wurden. Neben der Entwicklung neuer polymerer Biozide wird auch verstärkt auf deren Anwendung als Additive für die antimikrobielle Ausstattung von Massenkunststoffen geforscht.

Generell bieten solche Additive die Möglichkeit, auf Oberflächen eine biozide Wirkung ohne Freisetzung zu erzielen.

Kontakt:

Dr. Joerg C. Tiller
Institut für Makromolekulare
Chemie, Universität Freiburg
Freiburg
joerg.tiller@fmf.uni-freiburg.de

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.