Wundauflagen aus bakteriellem Alginat

Abb. 1: Alginat-Viskose-Fasern, hergestellt mit bakteriellem Alginat. © Hohenstein Institute / Fig. 1: Alginate-viscose fibres produced us-ing bacterial alginate. © Hohenstein Institute

Abb. 2: Wundauflage (Nonwoven/Vlies) aus Alginatfasern bakterieller Quelle. Bakterielle Alginat-Vliese nehmen bis zu 70% mehr Flüssigkeit auf als marine Alginat-Vliese. © Hohenstein Institute / Fig. 2: Wound dressing (nonwoven/fleece) made from alginate fibres derived from bac-teria. Bacterial alginate nonwoven materials absorb up to 70% more liquid than marine alginate nonwovens. © Hohenstein Institute

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts „AlBioTex“ haben Forscher der Hohenstein Institute, der B.R.A.I.N AG („BRAIN AG“; ISIN DE0005203947 / WKN 520394) und der Kelheim Fibres GmbH die Entwicklung von Wundauflagen aus bakteriellem Alginat erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Vorhabens (Förderkennzeichen 031A126 im BMBF-Programm BioIndustrie 2021) war es, einen biotechnologischen Prozess zur Herstellung von Alginat zu entwickeln und dieses zu faserbasierten Produkten für Wundauflagen zu verarbeiten. Das Bodenbakterium Azotobacter vinelandii diente dabei als natürliche Alginat-Ressource. Die herkömmliche, aufwändige Gewinnung des Biopolymers aus Braunalgen kann so umgangen und durch einen nachhaltigen, biotechnologischen Prozess ersetzt werden.

In dem Forschungsverbund waren das Hohenstein Institut für Textilinnovation gGmbH aus Bönnigheim (William-Küster-Institut für Hygiene, Umwelt und Medizin), das Bioökonomie-Unternehmen BRAIN AG aus Zwingenberg, der weltweit führende Hersteller von Viskose-Spezialfasern Kelheim Fibres GmbH und der Produzent hoch spezialisierter Stoffe für die Medizintechnik rökona Textilwerk GmbH aus Tübingen beteiligt. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Forschungspartner ist es erstmals gelungen, den kompletten Produktions- und Verarbeitungsprozess von der biotechnologischen Herstellung der bakteriellen Alginate über die Faserproduktion bis hin zur Herstellung textiler Flächen abzubilden.

Alginat ist ein Biopolymer (Polysaccharid) aus den glykosidisch verknüpften Monomeren Guluron- und Mannuronsäure. Das industrielle Anwendungsspektrum des Biopolymers wird dabei durch die Abfolge und das Verhältnis dieser beiden Zucker-Bausteine bestimmt. Vor allem der Einsatz in Wundverbandmaterial ist aufgrund der guten Bioverträglichkeit des Alginats sowie seiner enormen Flüssigkeitsaufnahmekapazität und seiner heilungsfördernden Eigenschaften sehr gefragt.

Das aus Algen gewonnene herkömmliche Alginat variiert aufgrund umweltbedingter Einflüsse stark in der Zusammensetzung seiner Zucker-Bausteine. Es erfordert eine aufwändige Aufbereitung, um hochreines und biochemisch definiertes Alginat zu gewinnen, wie es beispielsweise für medizinische Anwendungen benötigt wird. Die biotechnologische Alginatproduktion hingegen bietet die Möglichkeit, Biopolymere mit definierten Eigenschaften und gleichbleibender Qualität für die Verwendung in Medizinprodukten zu synthetisieren.

Die Kultivierung des Bodenbakteriums sowie der biotechnologische Herstellungs- und Isolationsprozess bakterieller Alginate konnten im 2013 begonnenen Forschungsvorhaben etabliert, optimiert und standardisiert werden. Durch die gezielte Optimierung der Alginatbiosynthese des Bakteriums gelang es den Forschern, die Zusammensetzung und somit die Eigenschaften und die Ausbeute des Alginats zu verbessern. Dadurch konnten sie maßgeschneiderte Alginate herstellen, die sich besonders gut zur Faserproduktion für den Einsatz in Medizinprodukten eignen. Auf einer Pilotanlage konnten die Forschungspartner Alginatfasern sowie Alginat-Viskose-Fasern spinnen und diese anschließend im Rahmen des etablierten Prozesses zu innovativen Vliesstoffen bzw. Wundauflagen verarbeiten. Bei Anwendungstests der neuartigen Wundauflagen überzeugte das biotechnologische Alginatprodukt durch ein deutlich verbessertes Flüssigkeitsaufnahmevermögen im Vergleich zu kommerziell verfügbaren marinen Alginat-Wundauflagen. Die bakteriellen Wundauflagen nahmen bis zu 70% mehr Flüssigkeit auf als marine Auflagen.

"Die im erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse bilden die Basis für die Integration von bakteriellem Alginat in die industrielle Produktion", stellt Dr. Guido Meurer, Mitglied der Geschäftsleitung der BRAIN AG fest. "Ein weiteres Ziel für die Zukunft ist es nun zudem, für das bakterielle Alginat weitere Anwendungsfelder zu definieren und somit neue Absatzmärkte für maßgeschneiderte „Spezial-Alginate“ zu erschließen", ergänzt Dr. Daniela Beck von Kelheim Fibres. "Die Variation und Optimierung der Materialeigenschaften von Alginat waren bisher nicht, oder nur unter sehr großem Aufwand möglich. Dank des Einsatzes der Biotechnologie steht dem differenzierten Einsatz von Alginat im textilen Spezialitätenbereich nun nichts mehr im Wege", freut sich Prof. Dirk Höfer von den Hohenstein Instituten.

An Alginat-Produkten aus biotechnologischer Produktion interessierte Industrieunternehmen sind eingeladen, an den Erfolgen der Forschungskooperation zu partizipieren. Eine Reihe möglicher Anwendungsfelder steht für eine Lizenzierung der Technologie zur Verfügung.