Antimikrobielle Aktivität von Nanosilber in Verpackungsmaterialien Markus Schuppler Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit ETH Zürich Fribourg 08.09.2011 www.ethz.ch
Silber wirkt antimikrobiell schon seit Jahrtausenden für seine antimikrobiellen Eigenschaften bekannt in der Antike wurden Silbermünzen benutzt um Wasser zu desinfizieren AgNO 3 und Ag-Sulfadiazin als Antiseptika bei Verbrennungen AgNO 3 zur Gonokokkenprävention bei Neugeborenen (Credé-Prophylaxe) 2
Silber zur Bekämpfung von Bakterien in Gebrauchsgegenständen 3
länger frische Socken durch Silber in den Fasern! 4
Antibakterielle Wirkung beruht auf Freisetzung von Silberionen (Ag+) H 2 O Ag + interagiert mit Bakterienzellen > Reaktion mit Thiolgruppen der Proteine Silber (metallisch) Ag + Störung der Atmungskette Störung der DNA-Replikation Bakterium Beschädigung der Zellmembran 5
Neuartiges Ag-Silica-Kompositmaterial Ag-Silica-Komposit metallische Silberpartikel Ø 5-20 nm ("Nano"-Grösse) Matrix aus porösem amorphem SiO 2 Ø 0.1-1 µm 20% Ag, 80% SiO 2 in wässrigem Milieu erfolgt kontinuierliche Freisetzung von Ag + Einsatz in Polymeren für Textilien, Folien, Verpackungen etc. 6
Antimikrobielle Wirksamkeit von Ag-Silica-Komposit Bestimmung von MHK und MBK Wirksamkeit in funktionalisierten Kunststoff-Folien Wirksamkeit in Kontakt mit Lebensmitteln Hemmung der Biofilmbildung 7
Bestimmung der Minimalen Hemmkonzentration (MHK) und Minimalen bakteriziden Konzentration (MBK) MHK = niedrigste Konzentration ohne sichtbare Trübung Verdünnungsreihe von Ag-Silica-Komposit Inokulation mit 10 7 KbE/ml Aerobe Inkubation: 24 h, 37 C, 180 U/min MBK = niedrigste Konzentration die zu weniger als 200 Kolonien pro Platte führt (99.99% Reduktionsrate) 0.2 ml der trübungsfreien Ansätze ausplattiert und für 24 h inkubiert 8
Minimale Hemmkonzentration (MHK) Ag-Silica AgNO 3 Ag Zeolith Mikroorganismus MHK [µg/ml] MHK [µg/ml] MHK [µg/ml] E. coli 62.5 7.8 3.9 K. pneumoniae 62.5 3.9 7.8 P. fluorescens 62.5 7.8 n.d. S. Enteritidis 62.5 3.9 15.6 E. faecalis 62.5 3.9 7.8 B. cereus 250 31.2 <8 L. monocytogenes 500 31.2 31.2 S. aureus 250 15.6 15.6 C. albicans 250 31.2 62.5 A. niger 2000 15.6 125 9
Minimale bakterizide Konzentration (MBK) Ag-Silica AgNO 3 Ag Zeolith Mikroorganismus MBK [µg/ml] MBK [µg/ml] MBK [µg/ml] E. coli 125 15.6 15.6 K. pneumoniae 125 7.8 31.2 P. fluorescens 250 7.8 n.d. S. Enteritidis 250 7.8 62.5 E. faecalis 250 7.8 7.8 B. cereus 500 31.2 n.d. L. monocytogenes 1000 31.2 62.5 S. aureus 1000 15.6 125 C. albicans 2000 250 250 A. niger n.d. n.d. n.d. 10
Silber wirkt bakterizid Kultivierbarkeit / Respiratorische Aktivität [%] Inkubation in 0.5 mg/ml Ag-Silica-Komposit Suspension [h] CTC: 5-Cyano-2,3-ditolyl Tetrazolium Chlorid als Indikator für Atmungskettenfunktion 11
Standardisierter Test: ISO 22196 Testung der antimikrobiellen Aktivität von flächigen Produkten 1. Inkubation von Bakterien (ca. 10 5 KbE) auf dem antimikrobiellem Produkt 2. Extraktion der Bakterien 3. Ausplattieren, Inkubation 4. Berechnung der spezifischen Aktivität: log der KbE von Referenz material und Testmaterial > 2 gilt als signifikant! 12
Ag-Silica-Komposit beschichtete Folien: Standardisierter Test ISO 22196 PE PE gew. PA PA gew. PP CA Ag-Silica- Albumin-PP spezifische Aktivität E. coli <2 <2 <2 2.75 <2 <2 >2 spezifische Aktivität L. mono. <2 <2 <2 <2 <2 <2 >2 13
Lebensmittelexperimente Abgeschwächte antimikrobielle Wirkung: Silberionen binden an Thiolgruppen von Proteinen im Lebensmittel Chloridionen aus Kochsalz bewirken Ausfällung von Ag + als AgCl Ratio Oberfläche / Volumen ungünstiger 14
Biofilme auf Polymeren Biofilme sind auf Oberflächen anhaftende Gemeinschaften von Mikroorganismen in einer selbstproduzierten Matrix aus extrazellulärem Polysaccharid M. Aragno, Université de Neuchâtel, CH Polystyrol, Polypropylen, Polycarbonat u.a. Wassertanks von Wasserspendern oder Kaffeemaschinen, Kunstoffleitungen, etc. 15
Ag-Silica-Komposit enthaltende Polystyrol-Platten: Standardisierter Test ISO 22196 Kontrolle sofort nach Inokulation Kontrolle nach 24h Ag-Silica nach 24h Antimikrobielle Aktivität Mikroorganismus KbE KbE KbE (log Reduktion) E. coli 3.4*10 5 3.5*10 6 <100 > 4.55 S. aureus 1.7*10 5 1.8*10 5 1.3*10 3 2.12 16
Bildung eines natürlichen Biofilms (Woche 1) Polystyrol (Kontrolle) Polystyrol (mit Ag-Silica) 50µm 50µm Aufnahmen mit Konfokalem Laserscanning Mikroskop 17
Bildung eines natürlichen Biofilms (Woche 2) Polystyrol (Kontrolle) Polystyrol (mit Ag-Silica) a b 50µm 50µm 18
Bildung eines natürlichen Biofilms (Woche 3) Polystyrol (Kontrolle) Polystyrol (mit Ag-Silica) a b 50µm 50µm 19
Bildung eines natürlichen Biofilms (Woche 4) Polystyrol (Kontrolle) Polystyrol (mit Ag-Silica) a b 50µm 50µm 20
Bildung eines natürlichen Biofilms (Woche 6) Polystyrol (Kontrolle) Polystyrol (mit Ag-Silica) a b 50µm 50µm z-achsenschnitt 21
Effekt von Silber auf die Bildung von Biofilmen Slime City auf Plastik ohne... und mit Ag-Silica-Komposit 22
Effekt von Silber auf die Bildung von Biofilmen Slime City auf Plastik ohne... und mit Ag-Silica-Komposit 23
Zusammenfassung Sehr gute antimikrobielle Wirkung des Ag-Silica- Kompositmaterials in wässriger Suspension Schwächere Wirkung bei Verwendung als Additiv zu Verpackungs-relevanten Kunststoff-Folien (PA, PE, PP, CA) Reduzierte Aktivität von Ag-Silica-Komposit Materialien bei direkter Anwendung auf Lebensmitteln Sehr effektive Hemmung der Biofilmbildung auf der Oberfläche von Ag-Silica-Komposit funktionalisiertem Polystyrol Schuppler, M. Mehr Sicherheit im Lebensmittelbereich durch Nanosilber. Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 8/2011. 24
Fribourg, 08.09.2011 www.food-microbiology.net
Lebensmittelexperimente (Ag-Silica-Komposit Albumin-PP Folie) Ag 26
Ag-Silica-Komposit beschichtete Folien: Agarplatten Test Kontrolle Ag-Silica-Komposit PP 27
Biofilme auf Polymeren Biofilme sind auf Oberflächen anhaftende Gemeinschaften von Mikroorganismen in einer selbstproduzierten Matrix aus extrazellulärem Polysaccharid M. Aragno, Université de Neuchâtel, CH Polystyrol, Polypropylen, Polycarbonat u.a. Wassertanks von Wasserspendern oder Kaffeemaschinen, Kunstoffleitungen, etc. 28
Silber wirkt bakteriozid 100 80 Viability [%] 60 40 20 L. monocytogenes BacLight viability stain L. monocytogenes culturability E. coli BacLight viability stain E. coli culturability 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Inkubation in Ag-Silica-Komposit Suspension [h] 29