Notizen

Das lateinische “cras” bedeutet “morgen”, und davon leitet sich das englische “procrastination” ab. Da mit ist das systematische Aufschieben von wichtigen Entscheidungen oder Tätigkeiten gemeint. Es gibt in der angelsächsischen Literatur ganze Bücher darüber, etwa den Klassiker “Procrastination and task avoidance: A practical guide”, der schon in den 1990er Jahren für den Diagram-Preis nominiert wurde [Nachr. Chem. 2008, 56, 1227].
Dem deutschen Wesen ist das Aufschieben so fremd, dass das Deutsche kein Wort für procrastination hat. Deshalb fällt es uns auch schwer, das Phänomen zu verstehen, das der Quantenmechaniker Seth Lloyd in einem Kommentar im Wissenschaftsmagazin Science als Quantenprokrastination (ich deutsche das jetzt ganz frech ein) bezeichnet hat.1 Als Kurzfassung bietet Lloyd die neue Wortschöpfung proquastination.
Im Prinzip handelt es sich dabei um ein Gedankenexperiment in der Tradition von Schrödingers Katze, das den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts belegen soll. Zwei Arbeitsgruppen haben nun den bereits im Jahr 1978 von John Archibald Wheeler formulierten Ansatz in experimentelle Realität umgesetzt.2 Sie zeigten erneut, dass wir in einer Quantenwelt leben und dass diese sich jedem Versuch widersetzt, sie zu verstehen.
Hier ist die grundlegende Idee — soweit ich sie verstehe; also keine Angst, wir tauchen nicht sehr tief in die Quantenmechanik ein: Licht wird mit einem Strahlteiler in zwei Komponenten gespalten. Beide reisen in verschiedene Richtungen, werden von Spiegeln reflektiert und finden auf einem zweiten Strahlteiler wieder zusammen.
Ein einzelnes Lichtquant, das sich als Teilchen verhält, kann nur den einen oder den anderen Weg einschlagen. Verhält es sich hingegen als Welle, so kann es beide Wege gleichzeitig nehmen und dort, wo die Wege sich wieder treffen, mit sich selbst interferieren. Wenn am Ort der Wiederbegegnung ein zweiter Strahlteiler steht, dann werden sowohl Welle als auch Teilchen in die selbe Richtung geleitet. Wenn der Teiler hier jedoch fehlt, dann lässt sich experimentell zwischen Welle und Teilchen unterscheiden.
Der Witz mit der Quantenprokrastination ist nun der, dass die Arbeitsgruppen die Entscheidung, ob der zweite Strahlteiler wirksam ist oder nicht, mit einem anderen Quantenzustand verschränkten. Die Messung dieses mit der Wirkung des Strahlteilers verschränkten Zustands stellten die Forscher erst an, nachdem das Licht diesen passiert hatte.
In der Quantenwelt lässt sich also eine Entscheidung so lange aufschieben, bis es zu spät ist, und sie beeinflusst dennoch — rückwirkend — das Versuchsergebnis. Allerdings beruht das auslösende Ereignis nicht auf einer freien Entscheidung des Experimentators in dem Sinn, dass er wählen könnte, ob der Strahlteiler wirksam ist oder nicht. Es ist lediglich eine Entscheidung, die der Forscher indirekt durch die Messung des Quantenzustands des verschränkten Systems erzwingt (ohne sie beeinflussen zu können).
Seth Lloyd spekuliert, dass sich ein in der Vergangenheit ausgeführtes Experiment rückwirkend beeinflussen ließe, wenn es Methoden gäbe, die den verschränkten Quantenzustand speichern könnten, ohne ihn zu messen.
Daraus lässt sich aber leider nicht ableiten, dass es eine Steuerrückzahlung gibt, wenn das Formular nach Fristende abgeschickt wurde. Auch wenn man sich nach einem Wettbewerb retrospektiv entscheidet, teilzunehmen, kann man in der makroskopischen Welt nicht mehr gewinnen.
Wenn Sie weitere Verständnishilfe benötigen, kann ich leider nicht helfen, ich muss ganz dringend prokrastinieren (ich weiß wirklich nicht, wie ich bislang ohne dieses Wort auskommen konnte) und im Internet nach lustigen Videoclips suchen.
Einen Hinweis habe ich noch: Wenn jede Quantenentscheidung das Universum in zwei Versionen spaltet, also zum Beispiel eine Version, in der der Strahlteiler wirkt und eine, in der er nicht wirkt, dann wird alles relativ einfach. Diese Interpretation der Quantenmechanik benötigt nur wenige Annahmen, aber dafür ziemlich viele Universen.
Michael Groß
<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>



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1 

 
S. Lloyd, 
<source>Science 
(2012), 
338, 
621.
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<li>
2 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Wheeler%27s_delayed_choice_experiment" target="_blank">http://en.wikipedia.org/wiki/Wheeler%27s_delayed_choice_experiment</a></ext-link>.
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Proquastination

Das lateinische “cras” bedeutet “morgen”, und davon leitet sich das englische “procrastination” ab. Da mit ist das systematische Aufschieben von wichtigen Entscheidungen oder Tätigkeiten gemeint. Es gibt in der angelsächsischen Literatur ganze Bücher darüber, etwa den Klassiker “Procrastination a...

Magazin

Salzsäure im menschlichen Magen schützt den Dünndarm vor pathogenen Bakterien aus der Nahrung. Die menschliche Haut verfügt über einen Säureschutzmantel aus kurzen bis mittellangen Fettsäureketten. Saure Reinigungsmittel — etwa auf Basis von Essigsäure — und Desinfektionsmittel wie Peressig- oder Ameisensäure sind schon lange im Einsatz.
Säuren wirken also antimikrobiell. Gilt das auch für saure Oberflächen? Versuche bewiesen diese Vermutung.1 Dabei ist das Anion nicht entscheidend: Es ist das H+-Ion, das als antimikrobielles Agens auftritt. So zeigen manche Linoleumböden, die freie Linol- und Linolensäure enthalten, antimikrobielle Wirksamkeit. Auch frisches Silikon, das Reste von Ameisensäure aus dem Herstellungsprozess enthält, sowie fermentierte ätherische Öle, in Glycerin und Fettsäuren aufgespalten, wirken antimikrobiell.
Für das Wachstum der meisten Bakterien ist ein pH-Wert um 7,0 optimal. Sie wachsen allerdings auch in leicht saurem bis leicht alkalischem Milieu (6,0 bis 8,9).2 Wird der pH-Wert zu stark aus dem Neutralen ausgelenkt, entstehen lebensfeindliche Bedingungen für die meisten Bakterien, darunter zahlreiche pathogene Arten.


<h2>Effekt des pH-Werts auf Bakterien</h2>
Wie Säuren auf Bakterien wirken, ist bekannt.3,4 Bakterien besitzen Protonenpumpen, um den cytoplasmatischen pH-Wert aufrecht zu erhalten. Dabei erfolgt der Transport von H+-Ionen gegen einen Konzentrationsgradienten aktiv, also unter ATP-Verbrauch. Speziell für Escherichia coli gilt, dass dem Erhalt der pH-Homöostase ein hoher Verbrauch an ATP zugrunde liegt. Experimente von Bender und Marquis5 machten deutlich, dass leichte Membranschäden erst bei einem pH-Wert von weniger als 4 auftreten — massive Membranschäden finden sich ab einem pH-Wert von 3 oder weniger. Inhibierung der ATP-Synthase stoppt den Transport von H+-Ionen aus der Zelle, der zum Erhalt des cytoplasmatischen pH-Werts beiträgt. Foster und Hall fanden im Jahr 1991, dass zum Erhalt der pH-Homöostase sowohl die ATP-Synthase als auch die Kalium-Proton-Pumpe und Natrium-Proton-Antiporter verantwortlich sind.6 Die Daten zeigen, dass der interne pH-Wert durch einen niedrigen äußeren pH-Wert sinkt und ein interner pH-Wert von 5,4 ausreicht, um den Zelltod hervorzurufen.
Verschiedene Faktoren sind für den Bakterientod bei niedrigem pH-Wert verantwortlich; wie schwer wiegend ein Faktor ist, hängt vom jeweiligen Bakterium ab. Die Faktoren sind:
Ein niedriger intrazellulärer pH-Wert bringt die zellulären Prozesse zum Stillstand, bis hin zur Denaturierung von Proteinen.
Die Möglichkeiten der Zelle, Protonen auszuschleusen, sind von der Kapazität oder der Energie her begrenzt, die Zelle stirbt an Protein-Denaturierung oder an ATP-Mangel.
Das Membranpotenzial sinkt soweit, dass eine effektive Energiegewinnung nicht mehr möglich ist.
Bei sehr niedrigem pH-Wert treten Membranschäden auf; dadurch steigt der Influx von Protonen, der nicht mehr kompensierbar ist.
Es gibt somit multiple Mechanismen der Säureschädigung von Bakterien. Die Keime haben deshalb wenige Möglichkeiten, Resistenzen zu entwickeln.


<h2>Saure Oberflächen</h2>
Abgesehen von der menschlichen Haut gibt es wenige Oberflächen, die einen vom Neutralen abweichenden pH-Wert aufweisen. In der heterogenen Katalyse sind saure Zentren bekannt, vor allem bei Zeolithen für das Spalten von Kohlenwasserstoffen.7
Um Oberflächen sauer auszustatten, gibt es mehrere Möglichkeiten, etwa die Verwendung saurer Polymere. Zu diesen zählt Nafion, das hoch azide H-Atome neben den stark elektronegativen Gruppen -F und -SO3 auf dem Kohlenstoffgerüst des Polymers enthält. Nafion ist ein Ionomer, das aus Teflon entwickelt wurde. Es handelt sich bei diesem Material um ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE), das unter anderem in Brennstoffzellen als H+-durchlässige Membran dient.
Carbonsäuren eignen sich nicht für eine lang andauernde antimikrobielle Ausstattung von Oberflächen, weil sie zu stark wasserlöslich sind. Bekannt ist ein Verfahren zur antimikrobiellen Ausstattung von Verpackungsfolien, bei dem aus einem Lack an der Oberfläche der Folien Sorbinsäure migriert (active packaging).8
Eine langfristige saure Ausstattung war so bisher nicht zu erzielen.


<h2>Übergangsmetalloxide für lang anhaltend saure Oberflächen</h2>
Einen neuen Zugang zu sauren Oberflächen bieten Lewis-Säuren. Dazu werden schlecht wasserlösliche Metalloxide eingesetzt, die mit Wasser sauer reagieren.1,9,10 Passende Oxide mit etwa 1 µm Korngröße mit einer Konzentration von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent werden in dem antimikrobiell auszustattenden Material homogen verteilt. Für Kunststoffe kann dies in einem Extruder erfolgen, für Farben und Lacke in einem Dispergator (Abbildung 1).
Die Übergangsmetalloxide MoO3 und WO3 wirken in Materialien wie Polymeren, Silikonen, Pulverlacken und Epoxidharz antimikrobiell.10 Polymere lassen sich mit dieser Technik in Extrusion und Spritzguss verarbeiten. Die meisten Polymere sind kompatibel mit dem System der milden Säuren. Hygroskopische Materialien wie Polyamid müssen vor dem Verarbeiten getrocknet werden. Polymere, die empfindlich gegenüber saurer Hydrolyse sind, eignen sich nicht für diese Technik zur sauren Ausstattung. Apolare Werkstoffe wie die Thermoplaste PP, PC, ABS und PS müssen zusätzlich an der Oberfläche hydrophiliert werden, um die Oxide entsprechend zu aktivieren.
Das Materialsystem ist im Wesentlichen eine inerte Matrix, welche die Oxidpartikel an der Oberfläche exprimiert. Die Oxidpartikel, die an der Oberfläche des antimikrobiell ausgestattenden Produkts liegen, reagieren mit Luftfeuchtigkeit zu Säure. Es stellt sich, je nach Konzentration der Oxide, ein Oberflächen-pH von etwa 4,5 bis 5,5 ein — ein Wert zwischen Essigwasser und menschlicher Haut. Diese milde Säure ist somit haut- und schleimhautverträglich. Auf den meisten Metallen zeigt sich keine erkennbare Korrosion, so wird beispielsweise Edelstahl nicht angegriffen.


<h2>Mechanismus der sauren Oberflächen</h2>
Saure Oberflächen greifen bei der Keimabwehr an mehreren Fronten an: Die Adhärenz vermindert sich und Zellanhänge wie Fimbrien und Flagellen verklumpen. Außerdem töten Säuren Keime ab und verhindern dadurch, dass sich Biofilme bilden (Abbildung 2).
Die Oxoniumionen greifen die Zellwand von Bakterien in unspezifischer Weise an, indem sie deren Proteinhülle sowie die Fimbrien dauerhaft denaturieren. Dieser Vorgang heißt Proteolyse oder Koagulationsnekrose. Ferner können die Oxoniumionen die Zellmembran der Mikroorganismen passieren und im Inneren der Zelle sowie in der Zellwand die Wirkung essenzieller Enzymsysteme blockieren.
Die Säure, sprich das H+ oder H3O+-Ion, wirkt als breitbandiges Biozid (Tabelle). Der unspezifische Mechanismus verhindert die Erzeugung von Resistenzen. Auch wurde keine Zytotoxizität festgestellt.11
Die Oxide MoO3 und WO3 dienen dazu, H+-Ionen zu erzeugen; per se wirken sie jedoch nicht antimikrobiell. Reines Mo zeigt keine Aktivität gegen Bakterien, ebenso wenig MoO2, weil beide bei Kontakt mit Wasser keine H+-Ionen erzeugen. MoO3 zeigt eine etwas bessere antimikrobielle Wirksamkeit als WO3. Ursache ist seine höhere Wasserlöslichkeit.
Ein wesentlicher Vorteil saurer Oberflächen ist ihre Robustheit. Ein solches System funktioniert auch in Anwesenheit von Schweiß und Proteinen, im Gegensatz zu silberbeschichteten Oberflächen.


<h2>Hydrophilierung</h2>
Es gilt quasi als Dogma in der antimikrobiellen Ausstattung von Materialien, dass diese möglichst hydrophob sein müssen. Dahinter steckt der Gedanke, dass Keime für ihr Wachstum Wasser brauchen, und dass hydrophobe Strukturen wasser- und schmutzabweisend sind. Es zeigt sich jedoch, dass Biozide in apolaren Systemen wie Polypropylen schlecht bis gar nicht wirken, in Stoffen mit einer Gleichgewichtsfeuchtigkeit von 2 bis 5 % hingegen eine gute Wirksamkeit aufweisen. Dies gilt für Silber und Kupfer, die Metallionen freisetzen, ebenso wie für die Metalloxide MoO3 und WO3, die erst durch Feuchtigkeit aktiviert werden.
Ein entscheidender Aspekt für eine gute Wirksamkeit der hier beschriebenen Technik in hydrophoben Materialien ist demnach, diese an der Oberfläche leicht hydrophil und leicht hygroskopisch auszustatten, so dass eine relative Luftfeuchtigkeit von bereits 10 % ausreicht, um die benötigte Säure zu bilden.
Die Hydrophilierung erfolgt durch Einmischen von Hilfsstoffen. Dazu zählen Polyethylenglykol für Farben und Glycerinmonostearat (GMS) für Kunststoffe. GMS dient in Polyolefinen als Antistatikum. Es bildet einen Wasserfilm an der Oberfläche, sodass Ladungen abfließen können. GMS besteht aus einem Glyceringrundkörper mit zwei freien OH-Gruppen sowie einer veresterten Fettsäuregruppe. Die Kohlenwasserstoffkette der Fettsäure verankert das GMS im Material, und die OH-Gruppen ziehen Feuchtigkeit an. GMS migriert an die Oberfläche und ist daher zur Hydrophilierung von Produkten geeignet, die eine beschränkte Lebensdauer aufweisen.
Für lang anhaltende Hydrophilierung eignen sich beispielsweise Alkylalkoxyamine. Wichtig ist, dass die zugesetzten Hydrophilierungsmittel nicht quellen und in Wasser nur wenig löslich sind. Sie dürfen kein Nährmedium für Mikroorganismen darstellen; ungeeignet ist deshalb Stärke, gut geeignet ist unter anderem Gelatine.
Über Hydrophilierung lassen sich Stoffe wie PP, ABS, PC, PS und viele Lacke mit der Säuretechnik antimikrobiell ausstatten. Dieser Trick kann auch die Wirksamkeit anderer Systeme, beispielsweise Silber, verstärken.


<h2>Anwendungsbeispiele</h2>
Es existieren bereits einige auf Basis der Säuretechnik entwickelte Produkte. EKG-Ableitungskabel sind seit einem Jahr auf dem Markt.12 Untersuchungen haben gezeigt, dass die schwierig zu reinigenden Ableitungskabel von EKG-Geräten zu über 75 % mit multiresistenten Keimen besiedelt sind.13
Antimikrobielles Bodenwachs senkt das Infektionspotenzial von Krankenhausböden.14 Es soll dieses Jahr in den Markt eingeführt werden. In China beschichteten Krankenhäuser im letzten Jahr bereits erfolgreich ihre Einrichtungen, darunter Böden, Tische und Wände, durch Aufsprühen von antimikrobiell ausgestattetem Epoxidharz bei minimalen Kosten und Stillstandzeiten.
Potenzial hat die Methode zudem für Medizinprodukte wie urologische Katheter15 und Endoskope, die Landwirtschaft (Ohrmarken, fleisch- und milchverarbeitende Industrie), die Öl- und Erdgasindustrie (Verhinderung von Dieselpest und Fouling) sowie den öffentlichen Bereich, dort unter anderem für Handläufe, Halteschlaufen in Verkehrsmitteln oder Stadionsitze. Vorversuche haben ebenfalls eine Wirksamkeit gegen Algen gezeigt.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Auf Basis von Lewis-Säuren lässt sich das Modell des natürlichen Säureschutzmantels der menschlichen Haut kopieren, um lang anhaltend keimfreie Oberflächen zu schaffen.
Die Technik setzt keine Nanopartikel ein und wirkt gegen ein breites Spektrum an Keimen, darunter auch multiresistente Bakterien.
 Der Einsatz erscheint vor allem im Gesundheitswesen, im öffentlichen Sektor sowie in der Industrie sinnvoll.


Maximilian Lackner studierte technische Chemie an der TU Wien, wo er im Jahr 2003 promovierte und sich 2009 in chemischer Verfahrenstechnik habilitierte. Von 2004 bis 2011 war er in der Kunststoffindustrie tätig. Seit 2011 ist Lackner Geschäftsführer beim High-Tech-Startup Amistec, das Lösungen für antimikrobielle Oberflächen entwickelt. <a href="mailto:lackner@amistec.at">lackner@amistec.at</a> Silke Maninger studierte Biochemie in Bielefeld und Frankfurt. Ihre Promotion über M94 des murinen Cytomegalie-Virus entstand an der LMU München. Seit dem Jahr 2011 ist sie als Mitarbeiterin der Amistec für die mikrobiologische Testung der antibakteriellen Oberflächen zuständig. Josef-Peter Guggenbichler ist emeritierter Vorstand des Instituts für Kinderheilkunde und Präventive Medizin der Universität Erlangen. In seiner Forschungstätigkeit konzentriert er sich auf die Verhinderung von im Krankenhaus erworbenen Infektionen. Er entwickelte zahlreiche erfolgreiche Techniken, etwa mit Nanosilber imprägnierte zentrale Venenkatheter und Ventrikeldrainagen.



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1 

J .P. Guggenbichler, Etiology, incidence, and prevention of implant associated nosocomial infections, Präsentation, Bologna, 2011.
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<li>
2 


Georg Schön, 
<source>Bakterien, die Welt der kleinsten Lebewesen, <publisher-name>C.H. Beck</publisher-name>, <publisher-loc>München</publisher-loc> ISBN 3406410464, 1999.

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3 

 
I. R. Booth, 
<source>Microbiol. Rev. 
(1985), 
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4 

 
T. A. Krulwich, 
G. Sachs, 
E. Padan, 
<source>Nat. Rev. Microbiol. 
(2011), 
9, 
330–<lpage>343.</lpage>
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5 

 
G. R. Bender, 
S. V. Sutton, 
R. E. Marquis, 
<source>Infect Immun. 
(1986), 
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6 

 
J. W. Foster, 
H. K. Hall, 
<source>J. Bacteriol. 
(1991), 
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5129–<lpage>5135.</lpage>
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<li>
7 

 
<source>Zeolites in Chemical Engineering, Hrsg.: <person-group person-group-type="editor">H. Holzapfel</person-group>, <publisher-name>ProcessEng Engineering GmbH</publisher-name>, <publisher-loc>Wien</publisher-loc>, 2011, ISBN 978—3902655080.

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8 


C. Hauser, 
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<source>Procedia Food Science 
Volume 1, 
2011, 
197–<lpage>202.</lpage>

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<li>
9 

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</li>
<li>
10 

M. Lackner, J. P. Guggenbichler, Antimicrobial Activity of Transition Metalloacids: An Innovative Concept to Generate Permanent Germfree Surfaces, Präsentation, SAR 2011 Konferenz, Beijing/China, 3 Dec. 2011.
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<li>
11 

 
C. Zollfrank, 
K. Gutbrod, 
P. Wechsler, 
J. P. Guggenbichler, 
<source>Mater. Sci. Eng. C 
(2012), 
32, 
47–<lpage>54.</lpage>
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<li>
12 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://www.medtechinsider.de/archives/9543" target="_blank">http://www.medtechinsider.de/archives/9543</a></ext-link>, 20. Nov. 2012.
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13 


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2, 
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</li>
<li>
14 

W. A. Rutala, D. J. Weber, J. Hosp. Inf. 2001, 48, Supplement A, 64—68.
</li>
<li>
15 

 
D. Kowalczuk, 
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J. Golus, 
<source>Int. J. Pharm. 
(2010), 
402, 
175–<lpage>183.</lpage>
</li>
</ul>

Proquastination

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