Antivirale Ausrüstung textiler Oberflächen mit Kupferpigmenten 

Medizintechnik 10. 05. 2014

Neue Anwendungsgebiete im Gesundheitssystem

Von Christin Glöckner und Mihaela Szegedi, Hohenstein Institute, Fachbereich Hygiene Umwelt und Medizin der Hohenstein Institute in Bönnigheim

Eine Reihe klinisch relevanter Viren ist in der Lage, über längere Zeiträume auf unbelebten Oberflächen zu persistieren. In den letzten Jahren wurden daher Kupferdotierungen entwickelt, um harte Oberflächen mit antibakteriellen und antiviralen Eigenschaften zu versehen. Bei faserbasierten Werkstoffen wie Textilien stieß diese Technologie bislang jedoch an ihre Grenzen, obwohl insbesondere Textilien bei der Reinigung von Oberflächen eine wichtige Rolle in der Virusübertragung einnehmen. Eine neue Textilausrüstungsmethode für metallisches Kupfer erzeugt nun erstmals beständige antivirale Wirkungen auf Textilien und anderen Gebrauchsgegenständen.

Antiviral Outfit of Textiles Surfaces with Copper Pigments – New Fields of Application in Healthcare

A number of clinically relevant viruses are able to persist for longer periods on inanimate surfaces. In recent years a process has been developed to endow hard surfaces with antibacterial and antiviral properties, using copper. However, in fiber-based materials such as textiles, this technology has its limits, although textiles used to clean surfaces play an important role in virus transmission. For the first time, a new resistant antiviral finishing method for textiles and other objects with metallic copper has now been developed.

1 Einführung

Im Gesundheitswesen werden klinisch relevante Krankheitserreger primär über die Hände übertragen. Daneben existieren mit kontaminierten Kontaktflächen sowie mit Oberflächen von Textilien zwei weitere Übertragungswege für Bakterien, Pilze oder Viren [1, 2]. In den letzten Jahren wurden antimikrobielle Ausrüstungen etabliert, die wirksam gegen Bakterien und Pilze sind und die zum Beispiel Silber, Biguanide oder quaternäre Ammoniumverbindungen enthalten. Gegen Viren gerichtete, sogenannte antivirale Technologien, wurden bislang nicht entwickelt, obwohl zahlreiche wissenschaftliche Studien die Überlebensrate von Viren auf Textilträgern mit Wochen und sogar Monaten angeben [3]. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen eines von der AiF geförderten Forschungsvorhabens (IGF-Nr. 17407N1) an den Hohenstein Instituten eine auf Kupferpigment basierte Ausrüstung für Textilien aus Synthesefasern entwickelt, die neben antibakterieller und fungizider Wirkung zugleich auch antivirale Eigenschaften besitzt.

Anlass zur Verwendung von Kupfer als anti­virales Veredlungselement waren Laborversuche und Feldstudien anderer Arbeitsgruppen, die zeigten, dass Oberflächen mit beziehungsweise aus Kupferlegierungen­ gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen und Erregern einschließlich Viren wirksam sind [4]. In diesen Studien wurde vor allem die Wirksamkeit gegenüber Bakterien untersucht, wie beispielsweise Staphylococcus aureus, Enterobakter sp. und Escherichia coli. Doch neben Bakterien spielen zunehmend auch Viren für die Bevölkerung und insbesondere für unser Gesundheitssystem eine zunehmende Rolle bei den Infektionskrankheiten. Die Persistenz zahlreicher Viren bei der Übertragung durch Hautkontakt und Textilien ist hoch, weshalb das Infektionsrisiko durch mit Kupfer ausgerüstete textile Flächenerzeugnisse gesenkt werden könnte.

Für das Forschungsprojekt wurden Mustertextilien (gewirkte Mikrofaserreinigungs­tücher) aus Polyester (PES) und Polyamid (PA) verwendet. Die Funktionalisierung der Faseroberfläche beruhte auf einer kupferbasierten Veredlung.

Für eine stabile Kupferausrüstung wurden Kupferpigmente (Eckart GmbH) verwendet, die einen mittleren Durchmesser von etwa 17 µm besitzen und in Wasser dispergiert wurden. Anschließend wurde die Ausrüstung der textilen Fläche mit Hilfe des aus der Textilfärberei bekannten Hochtemperaturverfahrens durchgeführt, das hauptsächlich zum Färben von Polyester genutzt wird. In einem Becherfärbeapparat wurden daher die Kupferpigmentdispersion und die PES/PA-Gewirke unter Einfluss hoher Temperatur (130 °C) in druckdichten Gefäßen behandelt. Mit diesem standardisierten Verfahren konnten Kupferteilchen auf die Faseroberfläche des PES/PA-Gewirkes aufgebracht werden (Abb. 1). Mit Hilfe dieses sogenannten Aufziehverfahrens wurde eine antivirale und antibakterielle Ausrüstung der Faseroberfläche ­erreicht.

 

Abb. 1: Stereolupenaufnahme eines mit Kupferleitpigment ausgerüsteten PES/PA-Gewirkes (40-fache Vergrößerung) 

Mit Hilfe des Foulards – einem diskontinuierlichen Verfahren zur Textilausrüstung –wurde anschließend ein aliphatischer Polyurethanbinder mit kationischem Extender (Dr. Petry GmbH) auf die Faser aufgebracht, welcher seinerseits die Kupferpigmente/-ionen an beziehungsweise in den Fasern bindet (Abb. 2), um eine gerichtete Freisetzung von Kupfer­ionen zu ermöglichen. Die Trocknung und Fixierung des Binders erfolgte bei 150 °C in einem Textiltrockner.

Abb. 2: Mikroskopische Aufnahme eines Kupferpigments, welches mit Hilfe eines Binders an der Faseroberfläche haftet

2 Virusinaktivierung

Die Virusinaktivierungsrate der ausgerüsteten Textilien wurde durch ein spezielles, an den Hohenstein Instituten entwickeltes Testverfahren auf Basis der Norm DIN EN ISO 20743 bestimmt, das die Wirksamkeit textiler Oberflächen gegenüber ­Viren prüft (Basistests – Phase 1: Überprüfung der grundsätzlichen antimikrobiellen Wirkung). Als Testvirus für den Wirksamkeitsnachweis wurde der Bakteriophage MS2 verwendet, ein apathogenes Surrogatvirus, welches anhand seiner Struktur und Umweltstabilität vergleichbar ist mit klinisch relevanten Viren, wie zum Beispiel Norovirus, Poliovirus, Hepatitis A oder Enteroviren. Diese Prüfungen ergaben eine signifikante Wirkung (Reduktion um 4 log10-Stufen) der mit Pigment ausgerüsteten Gewirke gegenüber den eingesetzten Surrogatviren. In vergleichbaren Testansätzen konnte zugleich die simultane Wirkung ­gegenüber Bakterien bestätigt werden.

Mit Hilfe von standardisierten Wischversuchen im Labormaßstab sollte zudem die Praxisanwendung der Mikrofasertücher­ ­simuliert werden, insbesondere für Reini­gungsvorgänge im Krankenhaus. Anhand dieser praxisnahen Versuche (Phase 2/Stufe 2) wurde folglich die realitätsnahe Anwendung im Oberflächenversuch simuliert und getestet. Die zu wischende Polymeroberfläche wurde zu diesem Zweck standardisiert kontaminiert mit einer definierten Menge des MS2 Bakteriophagen. Die derart virus­inokulierten Oberflächen wurden mit antiviral ausgerüsteten sowie nicht-ausgerüsteten Mikrofasertüchern abgewischt und zwar in einem Wischmuster in Form einer Lissajous-Figur (Ratio: 0,5/Delta: 90). Zuletzt wurden die Textilmuster nach dem Aufwischen der viruskontaminierten Fläche auf ihren aktiven Virusgehalt untersucht, um Aussagen zur Virusinaktivierungsrate sowie zur Verlaufskinetik zu treffen.

Anhand dieser Kinetik wurde der Wirkungseintritt gegenüber Viren bestimmt. Im Vergleich zu nicht-kupferausgerüsteten Mikrofasertüchern zeigten die mit Kupferpigment veredelten Mikrofasertücher bereits nach drei Minuten eine Phageninaktivierung von 6 log10-Stufen, was einer Virusreduktion auf ein Millionstel der Anfangskonzentration entspricht. Die kurze Verlaufskinetik lässt erahnen, dass mit den veredelten Mikrofasertüchern insbesondere­ eine Verschleppung von Viren durch Reinigungs­vorgänge von Oberfläche zu Oberfläche unterbunden werden könnte.

3 Waschpermanenz

Im Gebrauch sollten die kupferdotierten Mikrofasertücher desinfizierenden Waschverfahren widerstehen. Daher wurde die Waschpermanenz der Kupferpigmentausrüstung mit desinfizierenden Waschmitteln überprüft. Hierzu wurden die kupferdotierten Mikrofasertücher gemäß RKI-Richtlinien [5] mit desinfizierendem Waschmittel für 20 min bei 40 °C und einer Menge von 8 g/l Waschmittel gewaschen. Aufgrund der hohen Temperaturen und Waschmittelzusätze wie Desinfektionsmittel, Bleichmittel und Enzyme stellt die chemothermische Wäschedesinfektion für das Textilgut eine besondere Herausforderung für die Permanenz der antiviralen Ausrüstung dar. Das antivirale Ausrüstungsverfahren erreichte in diesen Versuchen trotz Waschmittelzusätzen eine Waschpermanenz von fünf Waschzyklen und dies ohne das zusätzliche Aufbringen von weiteren Bindersystemen (Abb. 3).

Abb. 3: Virusinaktivierung mit Kupfer ausgerüsteter Mikrofasertücher vor und nach desinfizierender Wäsche (5 Zyklen)

In weiteren Waschversuchen, angelehnt an die DIN EN ISO 105 C12 für industrielle Wäsche – bei der neben dem Einsatz herkömmlicher Waschsubstanzen zusätzlich eine mechanische Beanspruchung der Mikrofasertücher simuliert wird – zeigten die Muster selbst nach 20 Waschzyklen noch eine signifikante antivirale Wirkung [6]. Erst nach 25 Waschzyklen unterschritt die antivirale Wirkung die Signifikanzgrenze (Abb. 4).

Abb. 4: Virusinaktivierungsrate von mit Kupfer ausgerüsteten Mikrofasertüchern nach fünf bis 25 Waschzyklen, durchgeführt in Anlehnung an DIN EN ISO 105-C12

4 Anwendungen

Die kupferausgerüsteten antiviralen Reinigungstücher könnten künftig in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen eingesetzt werden, insbesondere von den dort tätigen Reinigungs- und Facility-Management-Unternehmen. Diese hätten aufgrund der kurzen antiviralen Verlaufskinetik von nur drei Minuten einen unmittelbaren Nutzen von dieser Technologie, in Form einer sekundären Infektionsprävention, und dies ohne personellen Mehraufwand.

Die Technologie von mit Kupfer ausgerüsteten Reinigungstüchern stellt daher lediglich einen Ausgangspunkt für weitere Anwendungen in der Medizintechnik, der Bekleidungstechnik sowie bei den Heimtextilien dar. Sie bildet die Grundlage für weitere textile Produktinnovationen, wie beispielsweise antivirale Filter oder Militär- oder ­Zivilschutzbekleidung. Zukünftig sollen weitere Anwendungsfelder der antiviralen Kupferausrüstung erschlossen werden, wie zum Beispiel technische Textilien und bekleidungstechnische Produkte.

5 Zusammenfassung

Die von den Hohenstein Instituten entwickelte kupferpigmentdotierte Oberflächenveredlung erzeugt auf textilen Flächen­gebilden eine kombinierte antivirale und antibakterielle Wirksamkeit. Sie kann künftig dazu beitragen, das Risiko einer Keimübertragung im Krankenhaus und anderen­ Einrichtungen des Gesundheitswesens zu minimieren. Durch das Verfahren können textile Substrate aus PES und PA so waschbeständig ausgerüstet werden, dass sie über fünf Waschzyklen bei chemothermischer Wäschedesinfektion und bis zu 20 Waschzyklen bei industriellen Waschverfahren überstehen, ohne dass die Virusinaktivierung signifikant beeinträchtigt wird.

Literatur

[1] J. L. Bergen et al.: Spread of bacteria on surfaces when cleaning with microfibre cloths; J Hosp Infect, 71 (2009)2, S. 132–137

[2] A. Gerhardts et al.: On the role of textile surfaces in the chain of infections; Hyg Med, (2012), 37–10

[3] A. Kramer et al.: How long do nosocomial pathogens persists on inanimate surfaces? BMC Infectious Diseases, (2006) 6:130:1-8

[4] G. Grass et al.: Metallic Copper as an Antimicrobial Surface; Applied and environmental microbiology, (2011), S. 1541–1547

[5] Robert-Koch-Institut: Bundesgesundheitsblatt; (2013) 56:1706–1728

[6] DIN EN ISO 105-C12 Textilien-Farbechtheitsprüfungen-Teil C12: Farbechtheit gegen industrielle Wäsche (ISO 105-C12:2004)

Kontakt

Hohenstein Institut für Textilinnovation gGmbH – Hygiene Umwelt und Medizin; Christin Glöckner

DOI: 10.7395/2014/Gloeckner1

 

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