Wie schützen sich Zikaden vor Bakterien und was hat das mit Verpackungsmaterial zu tun?
Zikadenflügel sind mit kegelförmigen Nanostrukturen ausgestattet, die wie winzige Nadeln wirken und eine bakterizide Wirkung haben, indem sie die Membran von Bakterien überdehnen oder gar durchstoßen. Diese Nanostrukturen sind hydrophob, was bedeutet, dass sie Wasser abweisen können und somit eine selbstreinigende Oberfläche schaffen. Bei JOANNEUM RESEARCH MATERIALS hat die Masterandin Tina Spirk diese natürlichen Strukturen untersucht und künstlich nachgebildet. Forschungsgruppenleiterin Barbara Stadlober erklärt den Hintergrund: „Wir haben die Nanostruktur der Zikadenflügeloberfläche mittels Rolle-zu-Rolle(R2R)-UV-Nanoprägens großflächig auf eine Folie übertragen. Dadurch wird die effiziente Produktion einer künstlichen Zikadenflügelfolie möglich, welche, wenn auf Oberflächen von Alltagsgegenständen, Möbeln oder öffentlichen Transportmittel appliziert, diese ohne Chemie antibakteriell macht und außerdem wasserabweisend und antireflektiv ist.“
Die Forscher*innen zeigten die Hydrophobie anhand von Messungen eines hohen Kontaktwinkels von Wasser- und Öl-Tropfen auf der künstlichen Zikadenflügelfolie. Die Lichtreflexion wird durch die nanostrukturierte Folienoberfläche um 1-2 Prozent verringert was mittels optischen Transmissionsmessungen nachgewiesen wurde. Zudem wurden Tests wie Bakterienkoloniezählungen, Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt, um das Verhalten von Bakterien auf den nanostrukturierten Folien zu beobachten. Es zeigte sich, dass die Zikadenflügelstrukturen zu einem signifikanten Absterben von gram-negativen Bakterien, wie z. B. E. coli, führen. Diese überdehnen ihre Zellmembran beim Versuch, sich an den flexiblen Nanokegeln festzuhalten, was zum Absterben führt.
Wie kommt die Struktur auf die Folie?
Die Forscher*innen verfolgen einen nachhaltigen Ansatz und verwenden einen biobasierten UV-Lack, der hauptsächlich aus Sojabohnen und Rizinusöl besteht, sowie Brenztraubensäure als biobasierter lichtempfindlicher Starter für die Polymerisation. Die Replikation der komplexen hierarchischen Struktur eines Zikadenflügels umfasst mehrere Schritte, wie das Fixieren und Planarisieren des Flügels sowie unterschiedliche Antihaft-Beschichtungen. Herausforderungen während des Hochskalierungsprozesses, wie unvollständige Benetzung der Nanostruktur und Ansammlung von Lackrückständen, wurden iterativ verbessert. Das Zusammenspiel aus Lack, Antihaft-Beschichtung und Aushärteparametern musste optimiert werden, um das Ablösen des Stempels zu erleichtern und eine gute Abformungsqualität bei der Herstellung des großen, finalen Prägestempels mittels Step & Repeat UV-Nanoprägen zu gewährleisten.
Die mit diesem Stempel kontinuierlich in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellte Folienrolle weist eine leicht inhomogene Nanostruktur auf, die durch unterschiedliche Höhen (bis zu 140 nm) und Winkel der replizierten Nanokegel bedingt ist. Die R2R-Zikadenflügelfolie hat trotzdem vielversprechende hydrophobe, antireflektive und antibakterielle Eigenschaften, ähnlich denen des Original-Zikadenflügels.
„Die Anwendung unserer Forschung könnte in vielen Bereichen einen großen Einfluss haben, von der Medizintechnik bis hin zur Lebensmittelverpackung. Unser Ziel ist es, die Technologie zur Marktreife zu bringen und damit die Hygiene- und Sicherheitsstandards erheblich zu verbessern“, blickt Tina Spirk in die Zukunft.
