Hygiene: "Der Sensor greift das Prinzip der sogenannten photonischen Strukturen auf"

Interview mit Prof. Holger Schönherr, Physikalische Chemie, Universität Siegen

Infektionen schnell und zuverlässig mit dem bloßen Auge erkennen. Das wünschen sich viele Behandler im Krankenhaus und in der Arztpraxis. Damit dieser Traum Wirklichkeit wird, forscht der Siegener Wissenschaftler Prof. Dr. Holger Schönherr an einem Sensor, der durch einen Farbwechsel eine Infektion anzeigen soll.

01/08/2014

Foto: Forscher mit Brille am Mikroskop - Prof. Holger Schönherr; Copyright: Universität Siegen

Prof. Holger Schönherr; ©Universität Siegen

Herr Prof. Schönherr, wie funktioniert der von ihrem Team entwickelte Sensor?

Prof. Holger Schönherr
: Der Sensor greift das Prinzip der sogenannten "photonischen Strukturen" auf. Das sind Strukturen, wie man sie beispielsweise auf den Flügeln von Schmetterlingen findet. Es handelt sich um eine Farbgebung, die ohne Farbstoffe auskommt. Grundlage ist eine spezielle Struktur - und die können wir mit Silizium- oder Aluminiumoxid nachbilden. Man kann sich das folgendermaßen vorstellen: Das Material hat Poren und je nachdem was in den Poren drin ist, gehen wir von Luft und Flüssigkeit aus, ändert sich bei einem Wechsel die Farbe. Das funktioniert auch, wenn man auf der Wand der Pore eine Schicht abbaut oder anlagert. Es finden also innerhalb der Poren Veränderungen statt, die zu einem Farbwechsel führen - das Prinzip ist letztendlich eine Überlagerung von Lichtwellen. Und das ist in der Natur beispielsweise bei Schmetterlingen der Fall, die je nach Lichteinfall eine andere Farbe zu haben scheinen.

Sie möchten ein Pflaster entwickeln, das bei Brandwunden, in denen sich eine Infektion ausbreitet, die Farbe wechselt. Was genau würde innerhalb des Materials passieren?

Schönherr
: Man würde die Poren so konstruieren, dass sie auf bestimmte Anlagerungs- und Abbauprozesse der Absonderungen von Bakterien reagieren. Ich könnte mir auch vorstellen, dass die ganze Pore mit einem enzymsensitiven Material gefüllt ist, welches dann abgebaut wird. Dadurch würde sich die Pore öffnen und sich der Brechungsindex ändern, was wiederum zu einer Farbänderung führt.
Foto: Photonischer Kristall, der grün und rot leuchtet; Copyright: H. Schönherr et al.

Aus grün wird rot: Ein photonischer Sensor aus nanoporösem Silizium zeigt durch einen Farbumschlag den Austausch von Luft in den Nanoporen mit Alkohol an. Nach dem gleichen Prinzip sollen zukünftig Infektionen angezeigt werden; ©H. Schönherr et al.

Wären für ein solches Pflaster mehrere Anwendungsgebiete denkbar oder wäre es auf eine bestimmte Anwendung begrenzt?

Schönherr
: Das hängt davon ab, welches Material verwendet wird. Wir haben in einem anderen Projekt Ansätze untersucht und entwickelt, um selektiv Enzyme von Bakterien oder Toxinen nachzuweisen, die von pathogenen Bakterien produziert werden. Natürlich sind Enzyme in gewisser Weise sehr spezifisch. Aber krankmachende Bakterien - Pseudomonas, Staphylokokken - haben ein eigenes Enzymspektrum. Es gibt jedoch auch Enzyme, die von verschiedenen Bakterien produziert werden. Deshalb ist es eine grundsätzlich Frage: Entwickle ich einen Sensor, der auf verschiedene Bakterien grundspezifisch anspricht oder einen, der speziell auf ein Bakterium ausgerichtet ist? In Brandwunden ist es zum Beispiel so, dass verschiedene Arten von Bakterien vorherrschen. Wenn man sich auf alle konzentriert, dann hat man zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit die Infektion detektiert.

Es gab bereits verschiedene Ansätze, ein sogenanntes "Intelligentes Pflaster" zu entwickeln, bei dem ebenfalls ein Farbumschlag stattfindet. Dabei wurden verschiedene PH-Werte gemessen. Was ist der Vorteil Ihrer Methode?

Schönherr
: Er greift an einer wichtigeren Stelle an. Eine PH-Wertänderung ist generell sehr unspezifisch und eine Wunde, die heilt, durchläuft ganze Bereiche von PH-Werten. Wir weisen letzten Endes direkt über Enzyme die Bakterien nach, was letztendlich sicherer ist.

Sie arbeiten in diesem Projekt auch mit Wissenschaftlern aus Australien zusammen. Empfinden Sie es als Vorteil, weltweit vernetzt an einem solchen Projekt zu arbeiten?

Schönherr
: Ja, denn man kann die Expertise des jeweils anderen nutzen. In diesem Projekt ist es auch so, dass das Mawson Institute der University of South Australia in Adelaide als Teil eines größeren australischen Programmes andere Möglichkeiten hat, als wir sie hier haben. Das bezieht sich auf die Ausstattung und auf bestehende lokale Netzwerke. Darüber hinaus kann man Lösungen für komplexe Probleme nicht allein finden. Dass es Australien ist und nicht ein anderer Ort in Deutschland ist, ergibt sich aus der Natur der laufenden Projekte. Die Australier haben ein großes Programm gestartet, das auf chronische Wunden fokussiert ist. In Europa gab es hingegen ein großes Programm zum Thema "Brandwunden". So haben wir eine Schnittmenge definiert und herausgefunden, dass wir gut zusammen passen. Es ist eine gegenseitige Befruchtung. Das ist sowohl für das Projekt als auf für die Doktoranden sehr positiv und essenziell.
Foto: Simone Ernst; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Simone Ernst.
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