Een antibacteriële coating is essentiëel anders dan een desinfectant. De laatste is een - vaak vloeibaar - middel, dat eenmalig alle bacteriën doodt die ermee in aanraking komen. Het middel verdwijnt daarna weer, zoals alcohol van een scalpel, wasmiddel van het beddegoed of chloorbleek uit de wc-pot. Pakt een vuile hand het voorwerp op, dan zit het oppervlak weer vrolijk onder de besmettingshaarden. Een antibacteriële laag daarentegen zit vast op een oppervlak en doet langdurig zijn werk. Het voorkomt dat micro-organismen er zich kunnen vestigen gedurende enkele maanden tot jaren, afhankelijk van de slijtage van de laag. De meeste antibacteriële coatings werken bovendien zo dat micro-organismen er niet resistent tegen kunnen worden.
Zilver en titaniumdioxide zijn wel de meest bekende antibacteriële stoffen die in allerlei materialen worden verwerkt. Zilver is bekend van synthetische antibacteriële (sport)kleding. Het polymeer waarvan de textiel is gemaakt wordt gesmolten en gemengd met een nanozilvercomposiet zoals Ag/TiO2. Daarna worden er vezels van gesponnen die bacteriën doden. Zilverionen reageren met de thiol-groep van enzymen van het organisme waardoor deze niet meer actief zijn. Men denkt dat ze ook met DNA kunnen reageren waardoor de replicatie verstoord wordt. Ten slotte katalyseert zilver de reactie van water met zuurstof tot peroxide en andere actieve zuurstofverbindingen. Ook die zijn dodelijk voor micro-organismen.
Dodelijk licht
Titaniumdioxide heeft een geheel andere werking. Dit is een zogeheten fotokatalytisch materiaal dat gevoelig is voor UV-licht en daarbij zuurstof kan omzetten in reactieve radicalen (zie kader). Deze radicalen zijn op hun beurt weer dodelijk voor micro-organismen. Het Nederlandse bedrijf NanoServices maakt coatings op basis van titaniumdioxide. De deeltjes in deze Environ-X coating zijn slechts acht nanometer groot, vertelt directeur Dimmen Breen. 'Onze coating bestaat uit 90% water en met een liter kunnen we vijftig vierkante meter oppervlak behandelen. Hij is dus heel actief en milieuvriendelijk.' In de coating zit eveneens een kleine hoeveelheid zilver. Die dient als 'accu'; zilver kan als een elektronenvanger fungeren om de scheiding van het elektron-gat-paar van titaniumdioxide te helpen.
De Environ-X coating wordt door de hygiëntis van het Canisius Wilhelmina Ziekenhuis in Nijmegen en in een ziekenhuis in Doetinchem getest. De resultaten uit Doetinchem zijn net binnen, vertelt Breen. 'We hebben de coating aangebracht op een beddengordijn, een kussensloop en een perspex plaatje uit een couveuse. We hebben die met specifieke ziekenhuisbacteriën geïnfecteerd zoals ESBL, MRSA (Methicilline Resistente Staphylococcus Aureus) en VRE (Vancomycine Resistente Enterokokken). Na drie uur zijn er al significant minder bacteriën te vinden. Als je twee tot drie dagen zou wachten is het oppervlak schoon en blijft het aantal bacteriën voor lange tijd zeer laag. De ziekenhuishygiënist is erg verbaasd door dit resultaat.' De coating blijft ook zitten: pas na een jaar op de muur of dertig tot vijftig keer wassen van de stof wordt de werking minder.
Veiligheid
Naast de toepassing in ziekenhuizen onderzoekt Breen of de coating in de voedselverwerkingindustrie de vorming van een biofilm kan voorkomen, zoals op bakkerijmachines, eierverwerking of groentensnijmachines. 'Onze coating zorgt ervoor dat er geen infecties plaatsvinden als er een hoekje van de machine wordt vergeten bij het schoonmaken. Dat is een stukje extra veiligheid.' Volgens Breen lopen we in Nederland achter wat betreft toepassingen van antibacteriële coatings. 'In Azië en ook in de VS wordt dit al jaren toegepast,' zegt hij.
Nadeel van alle coatings waaraan losse biociden (antibacteriële stoffen) zijn toegevoegd is dat deze componenten ook weer uit de coating kunnen lekken. Soms is de werking van de coating hier zelfs op gebaseerd, zoals die met zilver of waaraan organische biociden zijn toegevoegd. Die werken pas wanneer ze vrijkomen en in direct contact zijn met de micro-organismen. Fotokatalytische verbindingen werken ook als ze in de coating zitten en zijn zelf ook niet giftig voor de omgeving. Pas als actieve zuurstofradicalen worden gevormd worden bacteriën gedood. Maar er is geen fysische belemmering voor de nanodeeltjes van titaniumdioxide om uit de coating te lekken. Dat gebeurt in het geval van Environ-X overigens niet op grote schaal zo liet onderzoek zien. Deze deeltjes gaan een covalente binding aan met het oppervlak, legt Breen uit. 'Environ-X wordt niet als biocide beschouwd en RIVM heeft zich onlangs positief uitgelaten over de werking en veiligheid van onze coating.'
Prikkeldraad
Hossein Mahmoud ontwikkelde tijdens zijn studie aan de TU Eindhoven een antibacteriële coating volgens een heel ander principe. Hij gebruikte acrylaat als bindmiddel, bekend van onder andere muurverf en dus makkelijk op de markt te brengen. Hij voegde een quaternaire ammoniumverbinding toe aan het bindmiddel. Dat zijn bekende antibacteriële verbindingen die ook te vinden zijn in bijvoorbeeld zeep, shampoo en crème. Acrylaat polymeriseert tijdens het uitharden tot polyacrylaat waarbij de quaternaire ammoniumverbindingen ook reageren met het acrylaat. Na het uitharden is de buitenkant van zijn coating bedekt met functionele groepen die enerzijds een positief geladen quaternaire ammonium hebben en anderzijds een apolaire staart.
Als er vervolgens een micro-organisme in aanraking komt met de coating gaat het positief geladen NH4+ een interactie aan met de negatief geladen fosfolipiden in het celmembraan. Zit de cel eenmaal aan de coating vast, dan prikt de apolaire staart de cel lek. 'Zo hebben we een chemisch prikkeldraad gecreëerd,' legt Mahmoud uit. 'Naar analogie met een muizenval versus muizengif werkt de AM technologie als een soort bacteriënval op nano-schaal. Behalve directe veiligheid voor mens en milieu heeft deze mechanische werking ook het grote voordeel dat bacteriën en schimmels niet resistent kunnen worden tegen deze vorm van bestrijding. Dat kan wel bij coatings met zilver of andere gifstoffen,' aldus Mahmoud. 'Dit was voor mij de belangrijkste reden om de technologie verder uit te werken. Bijzonder is verder dat wij zorgen dat de quaternaire ammoniumverbindingen enkel aan de buitenkant van de coating worden ingebouwd tijdens het uitharden. Binnenin de polymeermatrix heb je er natuurlijk niks aan. Op deze procedure hebben wij wereldwijd patent.'
Mahmoud richtte na zijn studie het bedrijf AM Coatings op dat met deze technologie bindmiddelen ontwikkelt voor antibacteriële coatings. TNO heeft de werking onderzocht en concludeerde dat de antibacteriële werking net zo goed is als van conventionele coatings met titaandioxide of zilver. 'Ons product doodt 99.999% van de micro-organismen,' zegt Mahmoud. 'Het voordeel is dat er nooit een werkzame stof uit de coating kan lekken omdat het chemisch gebonden zit, in tegenstelling tot coatings met nanocomposieten als zilver of titaandioxide. Hierdoor is onze technologie veel langer effectief en vormt geen gezondheidsrisico voor mensen, dieren en milieu.'
Twee verfproducenten formuleren nu muurverf met het bindmiddel. In oktober worden de eerste praktijktests verwacht, bijvoorbeeld in ziekenhuizen. Ondertussen heeft Mahmoud alweer een nieuw patent. Hij modificeerde de technologie zodat die ook met polyurethaan werkt. Dat is een bindmiddel voor onder andere houtverf.
Dit artikel is gepubliceerd in C2W18, 29 oktober 2011.
