AGXX-Technologie von Heraeus

Annina Schopen,

Antimikrobielle Technologie als Additiv für Kunststoffe

Von Mikroorganismen geht nicht nur eine Gefahr für die menschliche Gesundheit aus, sie verursachen auch wirtschaftliche Schäden. Die von Heraeus vertriebene neue AGXX-Technologie wirkt langanhaltend gegen alle Arten von Mikroorganismen und legt ihnen das Handwerk. Vorgestellt wird sie auch im Webinar „AGXX in Kunststoffen“.

Feines AGXX-Pulver © Heraeus

Mikroorganismen zeichnen sich durch eine hohe Anpassungsfähigkeit aus und sind im täglichen Leben allgegenwärtig. Während das Vorhandensein einiger Mikroorganismen für Menschen nicht schädlich, sondern sogar förderlich für biologische Stoffwechselvorgänge und somit wünschenswert ist, stellen einige Bakterien-, Pilz-, oder Virenstämme eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar.

Wie gefährlich Mikroorganismen sein können, zeigt, neben der Corona-Pandemie, die Tatsache, dass jährlich elf Millionen Menschen in Folge einer Sepsis sterben. Sepsen sind somit für knapp 20% der jährlichen Todesfälle weltweit verantwortlich. In der Regel werden Sepsen durch Bakterien ausgelöst, können nach Angaben der WHO aber auch durch Pilze, Viren oder Parasiten verursacht werden. Insbesondere die steigende Zahl von multiresistenten Keimen, die auch mit den verfügbaren Antibiotika nicht mehr zu bekämpfen sind, stellen vor allem in sensiblen Bereichen wie Krankenhäusern oder Pflegeheimen eine ernsthafte Bedrohung für Patienten dar.

Neben der Gefahr, die von Mikroorganismen für die menschliche Gesundheit ausgeht, verursachen Keime jährlich enorme wirtschaftliche Schäden in Höhe von circa 500 Milliarden Dollar.[1] Zusätzlich zu diesen enormen wirtschaftlichen Schäden, nimmt die Auswahl an geeigneten Bioziden zur Bekämpfung von Mikroorganismen durch die strenger werdende Biozidproduktregulation (BPR) ab und stellt die Industrie vor eine enorme Herausforderung. Um diese meistern zu können, bedarf es neuer innovativer antimikrobieller Technologien. Eine solche Technologie ist die von Heraeus vertriebene AGXX-Technologie, welche durch ihren Wirkmechanismus langanhaltend gegen alle Arten von Mikroorganismen wirkt und diesen somit effektiv das Handwerk legt.

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Die antimikrobielle AGXX-Technologie wurde vom Berliner Startup Largentec entwickelt. Im Jahr 2020 lizensierte dann der Heraeus-Konzern die Technologie und arbeitet nun ihrer Weiterentwicklung und Vermarktung. AGXX ist eine partikelbasierte antimikrobielle Technologie und konnte bereits in verschiedenen Systemen erfolgreich eingebracht werden und seine Wirkung zeigen. Zu den Anwendungen zählen unter anderem Polymere, Textilien, Filter und Lacke.

Was macht AGXX innovativ?

AGXX ist eine neue effiziente antimikrobielle Technologie, dessen Wirkmechanismus auf einer katalytischen Reaktion, ausgelöst durch die Interaktion von zwei Edelmetallen, beruht. Dabei wird Sauerstoff in Anwesenheit von Luftfeuchtigkeit in reaktive Sauerstoffspezies (ROS) umgewandelt. Die ROS töten alle Arten von Mikroorganismen ab, indem sie zunächst deren äußere Membranen und anschließend die Organellen und die DNA der Mikroorganismen zerstören. Der Mechanismus basiert auf einem zirkulären Redoxsystem, d. h. AGXX wird nicht verbraucht, sondern kontinuierlich regeneriert. Darüber hinaus beeinträchtigt das vorhandene mikroelektrische Feld zwischen den beiden Edelmetallen wichtige Funktionen der Zellmembran und beschleunigt so die Abtötung der Mikroorganismen.[2]

Welche Vorteile bietet AGXX gegenüber herkömmlichen Bioziden?

Der AGXX-Wirkmechanismus © Heraeus

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bioziden basiert der Wirkmechanismus von AGXX nicht auf der Abgabe von Metallen oder schädlichen Verbindungen in die Umwelt und bietet daher einen langanhaltenden antimikrobiellen Schutz. Darüber hinaus zeichnet sich AGXX durch eine hohe chemische und thermische Beständigkeit aus. Außerdem verfügt AGXX über eine ausgezeichnete Wirksamkeit gegenüber vielfältigen Keimtypen. Die antimikrobielle Wirksamkeit wurde gegenüber mehr als 130 Mikroorganismen nachgewiesen, darunter gefährliche Bakterien wie Silber-resistente E. coli- oder Methicillin-resistente S. aureus-Stämme (MRSA) und Covid-Viren.[3]

Bei der Vielzahl von Wirksamkeitstests konnten keinerlei Resistenzen gefunden werden. AGXX verhindert ebenfalls die Entstehung von Biofilmen.[4] Neben den auf dem Wirkmechanismus basierenden Vorteilen bietet AGXX auch regulatorische Vorteile. So können die AGXX-Partikel bereits heute im Einklang mit der Biozidverordnung verwendet werden. Dies gilt auch für Produkte, die AGXX-Partikel beinhalten.

Um den Anforderungen zur Anwendung in unterschiedlichen Materialien gerecht zu werden, arbeitet Heraeus an der Entwicklung neuer AGXX-Partikel gemäß Kundenbedürfnissen. Je nach Kundenanforderungen können die Parameter Partikelgröße, Partikelhelligkeit sowie das Trägermaterial der Partikel konfiguriert werden.

Testverfahren

Die vielfältigen Vorteile von AGXX sorgen dafür, dass es in verschiedenen Materialien exzellente Wirkung zeigt, so auch in wasseraufnahmefähigen Kunststoffen wie Polyamid 6 und Polyurethan. Die Wirksamkeit von AGXX wird durch die von Heraeus-Partnern durchgeführten Tests in PA6-Typen, PU-Schaumstoffen, Textilbeschichtungen und -fasern bestätigt.

Im Bereich der Polyamide wurden Versuche vom Kunststoffinstitut Lüdenscheid durchgeführt. Dabei wurde AGXX in unterschiedlichen Konzentrationen im Schneckenextruder in PA6- und PA6/66-Granulat eingearbeitet, das anschließend über das Spritzgussverfahren zu Platten verarbeitet wurde. Mit diesen Platten wurden mikrobiologische Untersuchungen gemäß genormter ISO 22196-Tests durchgeführt, wobei Bakterien-Suspensionen für 24 h auf den Platten inkubiert wurden und anschließend die Keimreduktion im Vergleich zu einer AGXX-freien Referenz bestimmt wurde. Bei diesen Tests zeigten alle getesteten AGXX-Konzentrationen eine exzellente antimikrobielle Wirkung, so wurde bei allen Platten die Bakterienkonzentration der E.coli- und S.aureus-Stämme um mehr als 99,9% reduziert. Neben der sehr guten antimikrobiellen Wirksamkeit der ausgestatteten PA6- und PA6/66-Platten wurden während Extrusion und Spritzguss gute Prozessierbarkeiten für die AGXX-additivierten Kunststoffe beobachtet. Da im Vergleich zur AGXX-freien Referenz keinerlei Veränderungen der Verarbeitungsparameter auftraten, ist davon auszugehen, dass die AGXX-Additivierung die Herstellungsprozesse nicht beeinflusst. Der Einfluss von AGXX auf die Materialeigenschaften von PA wird momentan in Langzeitversuchen untersucht.

Ebenfalls wurden Versuche zu Polyurethan-Schaumstoffen vom Institut für Kunststoffverarbeitung Aachen durchgeführt. In diesen Versuchen wurden unterschiedliche AGXX-Konzentrationen in PU-Weichschaum eingebracht. Nach der Einbringung wurde mit den Weichschäumen Tests zur antimikrobiellen Wirksamkeit sowie Materialtests durchgeführt. Die Versuche verdeutlichen, dass sich die antimikrobiellen Partikel gut in den Schaumstoff einbringen lassen und in diesem homogen verteilt werden, ohne die Schaumstruktur zu beeinflussen.

Zur Untersuchung der antimikrobiellen Aktivität des Materials wurden genormte ASTM E2149-Tests durchgeführt, wobei die Schaumstoffkörper über 24 Stunden in Bakteriensuspensionen inkubiert und die Keimreduktion jede Stunde bestimmt wurde. Hierbei wurden E.coli und S.aureus Bakterienstämme getestet.

Das Ergebnis des ASTM-Tests: Alle AGXX-Konzentrationen zeigten im Gegensatz zur AGXX-freien Referenz eine deutliche Keimreduktion Neben der Untersuchung der antimikrobiellen Wirksamkeit der PU-Schaumstoffe mit AGXX wurden Materialtests an diesen durchgeführt. Dazu wurde in Stauchungsversuchen die Druckspannung der additivierten PU-Schäume direkt nach der Herstellung als auch nach einer Woche Lagerung gemessen. Die AGXX-additivierten Schäume zeigten eine leicht erhöhte Festigkeit im Vergleich zur AGXX-freien Referenz, verhielten sich aber nach Lagerung von einer Woche analog zur Referenz. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass AGXX das PU-Material nicht negativ beeinflusst.

Neben den bisher aufgezeigten Einsatzmöglichkeiten in Kunststoffen wurden die vielseitig einsetzbaren AGXX-Partikel auch bereits in Textilien eingebracht. Im Anwendungsbereich Textil lässt sich AGXX als Textilbeschichtung auf das gewünschte Textil aufbringen oder direkt in die Textilfasern einarbeiten. Bei den Textilien bedarf es, wie bei allen potenziellen Anwendungen der Technologie, einer gewissen Wasseraufnahmefähigkeit des Materials, um den innovativen Wirkmechanismus auszulösen.

Im Bereich der Textilbeschichtung wurden AGXX-Partikel in hydrophile als auch leicht hydrophobe PU-basierte Systeme eingebracht. Alle Proben wurden mehrmaligen Waschzyklen unterzogen und anschließend auf ihre antimikrobielle Effizienz überprüft. Wie beim Polyamid wurden ISO 22196-Tests zur antimikrobiellen Wirksamkeit durchgeführt, mit dem Ergebnis, dass die AGXX-haltige hydrophile und leicht hydrophobe Probe eine sehr gute antimikrobielle Effizienz gegen die verwendeten S.aureus-Bakterien zeigten (Keimreduktion >99,9%), im Vergleich zu den AGXX-freien Referenzen.

Die Verarbeitbarkeit der AGXX-additivierten Ausrüstungen war problemlos möglich und die AGXX-Additivierung hatte keine Einflüsse auf Eigenschaften der Beschichtungen, wie z.B. Schmutz- und Scheuerbeständigkeit.

Die Untersuchungen zur Textilbeschichtung wurden am Deutschen Institut für Textil- & Faserforschung (DITF) durchgeführt und waren Teil einer Machbarkeitsstudie. Auf Basis der erfolgreichen Ergebnisse wird die Anwendung von AGXX in Textilien, insbesondere die Einbringung in weitere Textilien, Beschichtungen und synthetische Textilfasern, gemeinsam mit dem DITF in einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz öffentlich geförderten Projekt entwickelt und untersucht. Erste Tests zur Einbringung von AGXX-Partikeln in Nylonfasern im Labormaßstab zeigten bereits vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Prozessierbarkeit. Frühere Versuche durch den Technologiepartner Largentec wiesen in ISO 20743-Tests außerdem sehr gute antimikrobielle Wirksamkeiten von AGXX-additivierten PA-Fasern auf. Heraeus nimmt derzeit Partikeloptimierungen vor, um eine optimale Einarbeitung dieser in Textilfasern zu erleichtern. In dem gemeinsamen Projekt mit dem DITF werden ergänzend zur Untersuchung der antibakteriellen und antiviralen Wirkung und Verarbeitbarkeit von AGXX auch Fragestellungen zu Wiederaufbereitungsprozessen, Funktionalität sowie zum Einfluss verschiedener Sterilisationsmethoden bearbeitet werden.

Die Technologie im Webinar

Haben Sie Interesse mehr über die innovative AGXX-Technologie zu lernen?
Dann laden wir Sie herzlich zur Teilnahme an unserem kostenlosen Webinar „AGXX in Kunststoffen“ ein. Das Webinar findet am 11.10.2022 um 10:00 Uhr statt. Alle Informationen zum Webinar finden Sie auf der folgenden Website: https://register.gotowebinar.com/register/3700107740978987278

[1] Lavanya (2021) Journal of Bio- and Tribo-Corrrosion

[2] Lanadau et al. (2017) Galvanotechnik

[3]Guridi et al. (2015) Materials Science and Engineering C 50

[4] Sobisch et al. (2019) Frontiers in Microbiology

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Referenzen

Guridi, A.; Diederich, A-K; Aguila-Arcos, S.; Garcia-Moreno, M.; Blasi, R.; Broszat, M. et al. (2015): New antimicrobial contact catalyst killing antibiotic resistant clinical and waterborne pathogens. In Materials science & engineering. C, Materials for biological applications 50, pp. 1–11. DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.080.

Landau, Uwe; Meyer, Carsten; Grohmann, Elisabeth (2017): AGXX: Beitrag der Oberflächentechnik zur Vermeidung von Biofilmen. In Galvanotechnik 5, pp. 885–1120.

Lavanya, M. A Brief Insight into Microbial Corrosion and its Mitigation with Eco-friendly Inhibitors. In Journal of Bio- Tribocorrosion 7, 125 (2021). https://doi.org/10.1007/s40735-021-00563-y.

Sobisch, Lydia-Yasmin; Rogowski, Katja Marie; Fuchs, Jonathan; Schmieder, Wilhelm; Vaishampayan, Ankita; Oles, Patricia et al. (2019): Biofilm Forming Antibiotic Resistant Gram-Positive Pathogens Isolated From Surfaces on the International Space Station. In Frontiers in microbiology 10, p. 543. DOI: 10.3389/fmicb.2019.00543.

World Health Organization (2020): Sepsis. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/sepsis

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