Sicherheits- und Nachhaltigkeitsbewertung von nicht-metallischen antiviralen und antibakteriellen Beschichtungen, aufgebracht auf porösen und nicht-porösen Oberflächen

Abstract

Antimicrobial coatings have become a pivotal technology for tackling pathogen spreading, particularly in healthcare settings. Novel coatings are designed to prevent microbial survival and biofilm formation on various surfaces, thereby reducing the risk of infections from person to person by inhibiting the growth and spread of pathogens. The mechanisms of action include the release of antimicrobial agents (biocidal), the retention of agents on the surface (contact-killing), and anti-adhesion properties (anti-fouling). Frequently applied antimicrobial coatings often contain silver or other metals which are suspected to cause skin sensitization or allergies, and the metal ion release may pose an environment treat. The need for novel metal-free antimicrobials is therefore evident. New coatings based on quaternary ammonium, antimicrobial polysaccharides or peptides, oxidizing agents releasing radical oxygen species (ROS) to name only a few are at the research forefront. Despite recent progress, several challenges remain, including human safety assessment, long-term functionality, broad-spectrum antimicrobial activity and the potential environmental impact of these materials. History thought us that the human biocompatibility aspects were not given much attention during the development of novel antibiotics. Therefore, the safety aspects of the newest generation of antimicrobial coatings according to “safe by design” (SbD) principles, directly from the start of their development should be assessed. Two case studies were defined, including highly infectious nosocomial hospital settings and highly dense public transportation systems such as trains and airplanes. In-vitro models were adapted and improved to assess the potential adverse effects of tailored coatings, directly on the most likely exposure ways of skin and lungs identified. At the beginning of the COVID-19 pandemic, the safety assessment of newly emerging mask textiles had the highest priority due to the proximity of textiles to our airways as well as their prolonged wearing time. Here, acute lung toxicity evaluation of fiber and particle debris release from diverse types of textiles were investigated. No acute in-vitro cytotoxicity was observed in the human alveolar basal epithelial lung cell model for any facemask textiles investigated. After investigation of the lung toxicity of textile debris from mask textiles, the skin irritation and sensitization capacity of a novel metal-free coating based on quaternary ammonium compounds developed by BASF was assessed. This technology allows rapid functionalization by an easy-to-apply coating for textiles that provide antiviral and antibacterial properties. The functionalized hospital curtains demonstrated an excellent antibacterial and antiviral activity against pathogens like Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, and Acinetobacter baumannii, with a 98% to 100% reduction and murine hepatitis virus (MHV) with a >99% reduction. A conducted KeratinoSens® skin sensitization & irritation assay, according to OECD guidelines No. 442D, showed no acute in-vitro skin toxicity or sensitization in the functional applied coating concentration. For the transportation case study, the incineration toxicity of light-activated antimicrobial coatings, intended for high-traffic enclosed spaces such as airplanes, was investigated with an improved co-culture lung model. This new class of antimicrobial coatings includes hydrophobic carbon quantum dots (hCQDs) and silicate-based upconverters (UPC) which release ROS or UV-light when irradiated with blue light. An in-depth hazardous fume assessment was conducted using a cone calorimeter incineration platform also considering the potential hazards during accidents, such as the formation of harmful polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Finally, the airborne soot particles were assessed for their acute in-vitro cytotoxicity on the co-culture lung model and their potential to cause a pro-inflammatory cytokine response. No changes in burning and smoke toxicity behavior and no severe acute toxicity response on the studies lung model of the coated substrates was observed in contrast to the controls. This thesis highlights the potential of novel non-metal based antimicrobial coatings since their antimicrobial efficacy is similar, and their human safety aspects are superior to the previous applied metal-based antimicrobial coatings. These promising results may lead the way for a substitution of harmful antimicrobials with more safe and environmentally friendly alternative coatings. However, continued research and development is needed to overcome existing challenges, enhance the effectiveness and durability of these coatings, and ensure their safe application in diverse use-case scenarios. The integration of these advanced coating materials will likely contribute to improved public health care systems by reducing infection rates in the future.Antimikrobielle Beschichtungen, fortlaufend als "Coatings" bezeichnet, sind insbesondere im Gesundheitswesen zu einer zentralen Strategie im Kampf gegen mikrobielle Infektionen geworden. Indem sie das Wachstum und die Ausbreitung pathogener Mikroorganismen hemmen, verhindern neuartige Coatings das mikrobielle Wachstum und die Bildung von Biofilmen auf verschiedenen Oberflächen, was das Risiko von Infektionen von Mensch zu Mensch verringert. Zu den Wirkmechanismen gehören die Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe (Biozide), das Verbleiben der Wirkstoffe auf der Oberfläche (abtötend bei Kontakt) und anti-Adhäsionseigenschaften (Kontakt-inhibierend). Häufig verwendete antimikrobielle Coatings enthalten zumeist Silber oder andere Metalle, die im Verdacht stehen, Hautsensibilisierungen und Allergien auszulösen. Die Freisetzung von Metallkomplexen kann zudem eine Umweltbelastung darstellen. Der Bedarf an neuartigen metallfreien antimikrobiellen Coatings ist daher offensichtlich. Neuartige Coatings enthalten quaternäre Ammoniumverbindungen, antimikrobielle Polysaccharide oder Peptide, Oxidationsmittel, die radikale Sauerstoffspezies (ROS) freisetzen, um nur einige Substanzklassen zu nennen. Trotz der jüngsten Fortschritte bleiben einige Herausforderungen bestehen, darunter die Sicherheitsbewertung für Menschen, die langfristige Funktionalität, die antimikrobielle Breitbandwirkung und die potenzielle Umweltbelastung dieser neuartigen Materialien. Aus der Geschichte wissen wir, dass dem Aspekt der menschlichen Biokompatibilität bei der Entwicklung neuartiger Antibiotika nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Daher sollten die Sicherheitsaspekte der neuesten Generation antimikrobieller Coatings nach den Grundsätzen des „vom Design her sicher“ (SbD) direkt zu Beginn ihrer Entwicklung berücksichtigt werden. Dazu wurden zwei Fallstudien definiert, darunter hochinfektiöse nosokomiale Krankenhausumgebungen und hochfrequentierter öffentliche Verkehrssysteme wie Züge und Flugzeuge. Um die potenziellen schädlichen Auswirkungen dieser verbesserten Coatings zu identifizieren wurden in-vitro Zellkulturmodelle für die wahrscheinlichsten Expositionswege von Haut und Lunge angepasst und verbessert. Zu Beginn der COVID-19-Pandemie hatte die Sicherheitsbewertung von neu aufkommenden Maskentextilien höchste Priorität, da sie sich in unmittelbarer Nähe unserer Atemwege befinden und über einen längeren Zeitraum getragen werden. In dieser Arbeit wurde daher zunächst die akute Lungentoxizität der freigesetzten Fasern und Partikeln aus unterschiedlichen Textilien untersucht. Für keine der untersuchten Maskentextilien wurde eine akute in-vitro Zytotoxizität im menschlichen alveolären Basalepithel-Lungenzellmodell beobachtet. Im Anschluss zur Untersuchung der Lungentoxizität von Textilfasern und Partikeln aus Maskentextilien wurde die Hautreizungs- und Sensibilisierungsfähigkeit eines neuartigen metallfreien Coatings auf der Basis von quaternären Ammoniumverbindungen für den vorgesehenen Einsatz in Krankenhausvorhängen analysiert. Dieses von der Firma BASF entwickelte Coating ermöglichte die rasche antivirale und antibakterielle Funktionalisierung durch ein einfaches textiles Beschichtungsverfahren. Die so funktionalisierten Krankenhausvorhänge zeigten eine ausgezeichnete antibakterielle und antivirale Aktivität gegen Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii mit einer 98% bis 100%igen Reduktion sowie eine >99%ige Reduktion gegen das murine Hepatitis-Virus (MHV). Um den Einfluss des Coatings auf die menschliche Haut zu untersuchen, wurde ein KeratinoSens® Hautsensibilisierungs- und Hautreizungstest gemäß OECD-Richtlinie Nr. 442D durchgeführt. Dieser Assay zeigte keine akute in-vitro Hauttoxizität oder -sensibilisierung an, in der funktionalisierten Coating Konzentration, welche auf den Krankenhausvorhängen aufgebracht wurde. In einer weiteren Studie wurde die Verbrennungstoxizität von lichtaktivierten Coatings untersucht, die für stark frequentierte geschlossene Räume wie Flugzeuge vorgesehen sind. Dazu wurde ein verbessertes Lungenmodell angewandt. Zu dieser neuen Klasse antimikrobieller Coatings gehören hydrophobe Kohlenstoff-Quantum Dots (hCQDs) und Silikat-basierte Upconverter (UPC), die bei Aktivierung ROS respektive UV-Strahlung freisetzen. Mit einer Conekalorimeter-Verbrennungsplattform wurde eine eingehende Bewertung der gefährlichen Abgase durchgeführt, wobei auch die potenziellen Gefahren bei Unfällen, wie die Bildung schädlicher polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK), berücksichtigt wurden. Zudem wurden die in der Abluft freigesetzten Russpartikel auf ihre akute in-vitro Zytotoxizität am verbesserten Lungenzellkulturmodell untersucht. Weiter wurde das Potential der Russpartikel, eine pro-inflammatorische Entzündungsreaktion auszulösen, analysiert. Im direkten Vergleich der beschichteten Substrate mit den unbehandelten Kontrollsubstraten, wurden keine Veränderungen im Verbrennungs- und Rauchtoxizitätsverhalten sowie keine gravierenden akute Toxizitätsreaktion an dem Lungenmodell festgestellt. In dieser Arbeit wird das Potential neuartiger antimikrobieller Coatings hervorgehoben, da ihre antimikrobielle Wirksamkeit vergleichbar und ihre Unbedenklichkeit für den Menschen den bisher verwendeten antimikrobiellen Coatings auf Metallbasis überlegen ist. Diese vielversprechenden Ergebnisse könnten den Weg für einen Ersatz schädlicher antimikrobieller Formulierungen durch sicherere und umweltfreundlichere alternative Beschichtungen ebnen. Es ist jedoch weitere wissenschaftliche Forschung erforderlich, um die bestehenden Probleme zu überwinden, die Wirksamkeit und Haltbarkeit dieser Beschichtungen zu verbessern und ihre sichere Anwendung in verschiedenen Anwendungsszenarien zu gewährleisten. Die Integration dieser fortschrittlichen Coatings wird wahrscheinlich zu einer Verbesserung des öffentlichen Gesundheitswesens beitragen, da die Infektionsraten in Zukunft gesenkt werden kann