Jeder fünfte Patient, der in den Vereinigten Staaten in ein Krankenhaus eingeliefert wird, benötigt einen Blasenkatheter, die häufigste Ursache für im Krankenhaus erworbene Infektionen. Tatsächlich ist bei Patienten, die ihren Urin auf einen Plastikschlauch verlassen, praktisch garantiert schon nach vier Wochen eine Infektion durch die Bildung von Biofilmen an der Katheterwand zu entwickeln. Ingenieure der Duke University haben ein Harnkatheterdesign entwickelt, das fast den gesamten Biofilm beseitigen kann. Anstatt sich auf teure antibakterielle Beschichtungen zu konzentrieren, verwenden die Forscher eine physikalische Verformung, um den infektiösen Film aus seiner Verankerung zu schlagen.
Biofilme werden von Bakterienkolonien gebildet, die extrem schwer abzutöten sind. Einmal etabliert, wird der Biofilm zu einem Wirt für andere, gefährlichere Bakterien oder beginnt, den Urinabfluss zu ersticken, was zu Leckagen oder sogar zu einem Trauma des Patienten führt.
„Ein Biofilm ist wie eine Stadt, die schädliche Bakterien schützt und beherbergt“, sagt Vrad Levering, Doktorand in Biomedizintechnik bei Duke, in einer Pressemitteilung, die auf der Website der Universität veröffentlicht wurde. „Unsere Lösung ist wie ein Erdbeben, das die Infrastruktur zerstört und den Schutt einfach von einer Urinflut wegspülen lässt.“
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| Links der gelbe Abguss eines neuen Katheterdesigns aus dem 3D-Drucker, rechts der fertige Prototyp. Die Markierungen kennzeichnen den Harnweg (U), die flexible Innenwand (iw) zwischen Harnweg und Aufblaskanal (I) und die steife Außenwand (ew). Durch Druckbeaufschlagung der engen Kammer wird der Hauptkanal verformt und der Biofilm entfernt, sodass er aus dem Schlauch gespült werden kann. |
Um die Bildung von Biofilmen zu verhindern, haben sich Forscher traditionell auf die Entwicklung antimikrobieller Behandlungen konzentriert. Diese Technologie ist jedoch teuer und bringt technische Herausforderungen mit sich. Darüber hinaus befürchten viele Ärzte, dass antimikrobielle Lösungen die Entwicklung antibiotikaresistenter Superbugs fördern könnten.
Also beschlossen die Ingenieure von Duke, über den Zylinder hinaus zu denken.
„Wir haben Experimente durchgeführt, die zeigen, dass man verschiedene Arten von klebrigen Biofilmen direkt von seiner Oberfläche lösen kann, wenn man ein elastisches Stück Gummi mit einer angemessenen Geschwindigkeit dehnt“, erklärt Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, dessen Team mit zusammenarbeitet die von Gabriel Lopez, Professor für Biomedizintechnik.
„Diese Tests zielten ursprünglich darauf ab, untergetauchte Oberflächen in Meeresumgebungen zu reinigen, aber das Prinzip hat viele Anwendungsmöglichkeiten“, fuhr Lopez fort. „Also dachten wir, warum nicht Katheter?“
Ihr erstes Modell verfügt über einen einzigen Kanal, der mit Flüssigkeit oder Luft aufgeblasen werden kann und parallel zum Hauptharntrakt verläuft. Eine dünne, flexible Barriere trennt die beiden Pfade. Das Drücken von Flüssigkeit durch den kleinen Aufblaskanal zwingt die dünne Wand in den Harntrakt, während die Außenabmessungen des Katheters intakt bleiben.
Ein Prototyp, der aus einer 3D-gedruckten Form geformt wurde, funktionierte wunderbar, sagt Levering. Die plötzliche Verformung löste mehr als 90 % des Biofilms, der durch eine Strömung weggespült wurde, die der langsamen Bewegung des Urins entsprach. Der Biofilm an der Wand gegenüber dem Aufblaskanal blieb weitgehend unbeschädigt, aber das Team der Zusammenarbeit plant die Herstellung eines neuen Prototyps mit Aufblaskanälen, die auf beiden Seiten des Hauptkanals verlaufen.
Lopez glaubt, dass die Demonstration ein klarer Beweis dafür ist, dass ihre einfache mechanische Lösung die Katheterindustrie revolutionieren könnte. Da das Design niedrige Implementierungskosten hätte, sich eng an die Abmessungen aktueller Katheter halten würde und für Mediziner einfach zu bedienen wäre, hofft das Team, es auf den Markt bringen zu können, und sucht derzeit nach Partnern.
Mehr als 30 Millionen Katheter werden jedes Jahr verwendet, und diese Zahl wird aufgrund einer alternden Bevölkerung in den kommenden Jahrzehnten weiter steigen.
Laut den Forschern hat das Konzept potenzielle Anwendungen für eine Vielzahl von Branchen, die derzeit von Biofilmen geplagt werden, wie z. B. Milchverarbeitung, Erdöltransport, städtisches Trinkwasser und Wärmetauscher.
Die Studie erschien online am 25. März in Advanced Healthcare Materials .
Das unten eingebettete Video zeigt, wie das Katheterdesign funktioniert.
