Nicht jede Verletzung heilt problemlos ab. Besonders Menschen mit Vorerkrankungen wie Diabetes leiden häufig an chronischen Wunden. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickeln spezielle Pflaster, die den Heilungsprozess beschleunigen können.
In Deutschland befinden sich rund eine Million Menschen wegen chronischer Wunden in Behandlung. Die Ursachen reichen von Durchblutungsstörungen über Wundliegen bis hin zu diabetesbedingten Fußleiden. Die Behandlungskosten belaufen sich auf etwa 7,5 Milliarden Euro pro Jahr, das Leid der Betroffenen ist groß. An einer natürlichen, nebenwirkungsarmen Therapie, die bei Antibiotikaresistenzen helfen und das Leid von Patientinnen und Patienten mindern soll, arbeiten Forschende des Fraunhofer IKTS in Dresden.
Peter Schmieder, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IKTS, entwickelt mit seinen Kolleginnen und Kollegen dafür spezielle Pflaster: »In das weiße Material unserer Wundauflage sind, anders als bei herkömmlichen Pflastern, Wirkstoffe integriert«, erklärt der Wissenschaftler. »Damit können die Auflagen eine antimikrobielle Wirkung entfalten – und so die Wundheilung unterstützen.«
Die Auflage stellen die Forschenden aus elektrogesponnenen Membranen her. Zum Einsatz kommt dafür das Elektrospinning. Dieses Verfahren, das bereits seit etwa 100 Jahren existiert, wurde wiederentdeckt und weiterentwickelt. In einem Lösemittel gelöste Polymere werden zunächst in eine Spritze gegeben und anschließend in ein elektrisches Feld gedrückt. Dank der Beschleunigung im elektrischen Feld bildet sich eine dünne Faser, die sich ablagert. Wird dieser Prozess lange genug wiederholt, entsteht ein taschentuchartiges Gewebe – die Basis für die neuen Pflaster.
Während sich bisherige Ansätze auf einzelne Faktoren der Wundheilung beschränkten, integrieren die Forschenden nun erstmals gleich mehrere Wirkstoffe in die Membranen der Auflagen: antibakterielle Bakteriophagen, wundheilungsfördernde Proteine und antiseptische Nanomaterialien namens MXene.
Diese Komponenten werden von Partnern im M-ERA.NET-Projekt »AntiMicroMXen« zuvor im Labor gezüchtet oder aus Krankenhausabwässern gewonnen. Sie erfüllen dabei unterschiedliche Aufgaben: »Bakteriophagen töten Bakterien ab und sind damit eine natürliche Antibiotikaalternative. Die integrierten Proteine fördern das Wachstum neuer Hautzellen und beschleunigen so den Wundverschluss«, erklärt Peter Schmieder. »MXene wirken antiseptisch und bekämpfen dadurch Keime in der Wunde.«
Besonders herausfordernd sind die unterschiedlichen Anforderungen der eingebetteten Wirkstoffe: Bakteriophagen sowie Proteine etwa sind empfindlich und müssen vor Umgebungsfaktoren wie pH-Wert und Temperatur geschützt werden, um ihre Wirkung zu behalten. Beide Komponenten müssen die Forschenden daher möglichst dicht in die Membranfasern verpacken. MXene hingegen können Keime optimal bekämpfen, wenn sie bestrahlt und somit warm werden. Daher müssen sie möglichst außen in der Membran sitzen.
Aktuell bringen Peter Schmieder und das Team der Gruppe »Biofunktionale Materialien und Point-of-Care-Diagnostik« alle Wirkstoffe zunächst einzeln ein und überprüfen ihre Aktivität, bevor sie schließlich gemeinsam integriert werden. Da das Elektrospinning ohne hohe Temperatur auskommt, eignet es sich laut dem Wissenschaftler besonders für die Integration von Biokomponenten; so bleibt etwa die Proteinstruktur unbeschadet. Weil das Verfahren unter hoher Spannung stattfindet, müssen die Projektpartner überprüfen, ob die Biomaterialien den Herstellungsprozess gut überstanden haben.
Neben den medizinischen Wundauflagen könnten die integrierten Wirkstoffe zudem in der Verpackungstechnik nützlich sein, um Lebensmittel vor Erregern wie Salmonellen zu schützen, so Peter Schmieder. Die neuartigen Wundauflagen sind eine von vielen medizinischen Anwendungen, die am Fraunhofer IKTS im Geschäftsfeld »Bio- und Medizintechnik« erforscht werden. Die Werkstoffentwicklung und die Wirkstoffintegration sollen bis Mai 2027 abgeschlossen sein. Interessierte klinische Partner sind eingeladen, sich an den klinischen Tests für eine Zulassung der neuen Materialien zu beteiligen.
Projekt AntiMicroMXen
Ziel:
Im Projekt »AntiMicroMXen – Elektrogesponnene Gerüste mit antimikrobiellen und wundheilenden Eigenschaften unter Verwendung von Bakteriophagen, aus Mesenchymalen Stammzellen abgeleiteten Faktoren und MXenen« werden antibakterielle Bakteriophagen, antiseptische MXene und wundheilungsfördernde Wachstumsfaktoren in eine elektrogesponnene Membran integriert. Die daraus hergestellten Pflaster setzen die integrierten Wirkstoffe direkt an der Wunde frei. Sie sollen die Wundheilung im Vergleich zu herkömmlichen Therapien nachhaltig verbessern und eine Infektion der Wunde wirksam verhindern.
Projektpartner:
- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (Koordination)
- Hirszfeld-Institut für Immunologie und Experimentelle Therapie, Polnische Akademie der Wissenschaften
- Universität von Lettland
- NanoCarbonTech, Polen
Projektdauer:
Juni 2024 bis Mai 2027
Fördergeber:
Sächsische Aufbaubank, Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus, M-ERA.NET, kofinanziert von der Europäischen Union
Fraunhofer-Gesellschaft