a) LIPSS-bedeckter Bereich auf V4A-Stahl. b) Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Stahlprobe (V4A), die mit E. coli besiedelt ist (links). Verminderte bakterielle Haftung auf dem laserbehandelten LIPSS-Bereich (rechts).
Quelle: BAM, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen und Fachbereich Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie
Ein Biofilm ist eine mikrobielle Lebensgemeinschaft, die sich an einer Oberfläche befindet und dabei in einer selbstproduzierten Schleimschicht eingebettet ist. Die Entwicklung eines Biofilms ist ein allmählicher Prozess, der mit mikrobieller Oberflächenhaftung beginnt. Die in einem Biofilm organisierten Bakterien zeigen eine erhöhte Resistenz gegen Umweltstress oder Antibiotika. Diese Tatsache macht Biofilme problematisch aber auch attraktiv. Einerseits stellen die Filme ein großes Risiko für bakterielle Infektionen dar, die antibiotikaresistent sein können. Andererseits ist die Robustheit von Biofilmen für industrielle Anwendungen interessant. Ein wichtiger Schritt in der Biofilmbildung ist die mikrobielle Adhäsion, die durch die Oberflächenrauheit beeinflusst werden kann.
Laser-basierte Techniken können verwendet werden, um die Oberfläche von Materialien zu modifizieren. Mittels ultrakurzer Laserpulse ist die Erzeugung so genannter laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen (LIPSS, laser-induced periodic surface structures) auf der Oberfläche nahezu aller Materialien möglich. Häufig werden LIPSS mit einer räumlichen Periode von der Größenordnung der Laserwellenlänge hergestellt. In dieser Veröffentlichung wird die großflächige Herstellung von LIPSS mit räumlichen Perioden von etwa 700 Nanometern mittels 30-Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Wellenlänge von 790 Nanometern auf zwei verschiedenen Stahloberflächen beschrieben.
Die laserstrukturierten Proben wurden danach in einem Fließkammersystem mit Escherichia coli und Staphylococcus aureus als Testbakterien mikrobiellen Besiedelungstests unterzogen. Bei korrosionsbeständigem V4A-Stahl und E. coli als Versuchsbakterium wurde ein Antihaftungseffekt festgestellt, während bei korrosionsanfälligem S235JRC-Stahl dieser Effekt nicht beobachtet wurde. Für die Untersuchung desselben Materials wurde eine Abhängigkeit zwischen bakterieller Geometrie (Escherichia coli ist stäbchenartig und Staphylococcus aureus kugelförmig) und Anti-Besiedelungseffekt beobachtet, da sich das Kolonisationsverhalten von S. aureus signifikant von dem von E. coli unterschied. Es wurde gezeigt, dass die Femtosekunden-Laserbearbeitung eine leistungsfähige Technik zur Kontrolle der Bakterienkolonisation ist, bei der die bakterielle Besiedelung begünstigt oder unterdrückt werden kann.
Influence of femtosecond laser produced nanostructures on biofilm growth on steel
Nadja Epperlein, Friederike Menzel, Karin Schwibbert, Robert Koter, Jörn Bonse, Janin Sameith, Jörg Krüger, Jörg Toepel
Applied Surface Science, Volume 418, Part B, 1 October 2017, Pages 420-424
BAM Abteilung Material und Umwelt, Fachbereich Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen und Abteilung Materialschutz und Oberflächentechnik, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen