SeaCell® Active - Die natürliche Cellulosefaser mit antimikrobiellen Eigenschaften

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Zusammenfassung

Auf der Basis des ZIMMER-Lyocell-Verfahrens erfolgt die Herstellung von SeaCell® und SeaCell® Active-Fasern. Eine besondere Fähigkeit der SeaCell®-Faser ist, Stoffe zu binden und zu absorbieren. Die spezielle Fähigkeit der Metallsorption wird bei der Aktivierung von SeaCell®-Fasern ausgenutzt. Dabei kann das bakterizid wirkende Metall Silber vom bereits fertig ausgeformten cellulosischen Faserkörper absorbiert werden. Die vorliegende Studie zeigt die antimykotische Wirkung von SeaCell®Active in einem In-vitro-Testsystem gegenüber Candida albicans (DSM 11 225), Candida tropicalis (ATCC 1169) und Candida krusei (ATCC 6258). Darüber hinaus wurde die antibakterielle Aktivität der Fasern mit unterschiedlichen Mengen an SeaCell® Active dosisabhängig gegenüber Staphylococcus aureus (ATCC 22 923) und Escherichia coli (ATCC 35 218) nachgewiesen. Ob diese Faser in bioaktiven Textilien Verwendung finden kann, die für spezifische anatomische Regionen und Hautbedingungen mit einer Suszeptibilität für Pilz- und Bakterieninfektionen, speziell Candida-Spezies, Staphylococcus aureus und Escherichia coli geeignet ist, muss durch weitere Untersuchungen, insbesondere In-vivo-Tests am Menschen, unter Berücksichtigung möglicher allergischer und toxischer Effekte der Fasern, sichergestellt werden.

Abstract

SeaCell® and SeaCell® Active fibers can be produced on the basis of the ZIMMER Lyocell process. One particularity of the SeaCell® fiber is its capacity to bind and absorb substances. During the activation of SeaCell® fibers the bactericidal metal silver is absorbed by the fully formed cellulosic fiber through metalsorption. The present study demonstrates the antifungal and antibacterial effect of SeaCell®Active in an in vitro test system against Candida albicans (DSM 11 225), Candida tropicalis (ATCC 1169) and Candida krusei (ATCC 6258). Furthermore, the antibacterial activity of fibers with different amounts of SeaCell® Active fibers in a dose-dependent manner against Staphylococcus aureus (ATCC 22 923) and Escherichia coli (ATCC 35 218) could be demonstrated. If this fiber seems to be suited for bio-active textiles in specific anatomical body regions and skin conditions with a susceptibility for fungal and bacterial infections namely with Candida species, Staphylococcus aureus and Escherichia coli must be examined by means of further investigations, especially in vivo tests in human considering allergic and toxic effects of the fiber.

Einleitung

Das ZIMMER-Lyocell-Verfahren bildet die Grundlage zur Herstellung von SeaCell® und SeaCell® Active-Fasern [1].

Fein gemahlenes Algenmaterial, vor allem aus der Gruppe der Braun-, Rot-, Grün- und Blaualgen, hier speziell die Braunalge (Ascophyllum Nodosum - Knotentang) wird zur Herstellung dieser Spezialfasern verwendet.

Bei der Produktion dieser algeninkorporierten Lyocell-Faser wird eine Cellulosespinnlösung unter Verwendung des Lösungsmittels N-Methylmorpholin-N-Oxid erzeugt, wobei das gemahlene Algenmaterial entweder pulverförmig oder als Algensuspension direkt der Cellulose, der Cellulosemaische oder der Spinnlösung zugeführt werden kann. Die auf diese Weise hergestellte Cellulose-Algen-Spinnlösung wird in der Folge zu Fasern gesponnen (Abb. [1]).

Abb. 1 Schematische Darstellung des SeaCell® Active Herstellungsprozesses.

Meeresalgen besitzen die Fähigkeit, die im Meerwasser enthaltenen Mineralien aufzunehmen. Analysiert man die Inhaltsstoffe, so können neben Mineralien auch Kohlenhydrate, Aminosäuren, Fette und Vitamine in Meeresalgen nachgewiesen werden. Aufgrund der Vielfalt der wirkaktiven Inhaltsstoffe werden Algen bzw. Algenextrakte vorzugsweise in der Kosmetik sowie in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.

Aus SeaCell®-Fasern hergestellte Gewebe weisen wegen der guten textilphysikalischen Eigenschaften hohe Formstabilität auf, dazu kommt noch der für cellulosische Fasern typische hohe Tragekomfort von Textilien aus SeaCell®-Fasern bzw. aus Fasermischungen mit SeaCell®.

Eine besondere Fähigkeit der SeaCell®-Faser ist, Stoffe zu binden und zu absorbieren. Die spezielle Fähigkeit der Metallsorption wird bei der Aktivierung von SeaCell®-Fasern ausgenutzt. Dabei können bakterizid wirkende Metalle wie Silber, Zink, Kupfer u. a. vom bereits fertig ausgeformten cellulosischen Faserkörper absorbiert werden [2]. Im Gegensatz zur üblicherweise angewandten Methode der Inkorporation der Wirkstoffe in die Spinnlösung ist es bei der Herstellung von SeaCell®-Active möglich, den Wirkstoff durch einen Aktivierungsschritt an der fertig geformten Faser - bis in den Faserkern hinein - dauerhaft einzubringen.

Es ist davon auszugehen, dass die Metalle über freie Carbonyl-, Carboxy- und Hydroxyl-Gruppen der Cellulose sowie der inkorporierten Algen gebunden werden. Aus der Literatur ist z. B. bekannt, dass die in den Algen vorhandenen Phenole durch die Bildung von Chelatkomplexen Metalle aufnehmen können [3] [4]. Durch das Quellverhalten der Cellulose, sowie aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Algen über den Faserquerschnitt, werden die Metallionen in der Fasermatrix permanent verankert.

Da Silber keine negativen Begleiterscheinungen, wie zum Beispiel Irritationen der Haut, hervorruft, ist die Anwendung von Silber als Aktivierungsmittel zur Herstellung von SeaCell® Active-Fasern das bevorzugte Element [5].

Die geringe Abgabe von Silberionen aus der SeaCell® Active-Faser bewirkt, dass der antibakterielle Effekt langfristig erhalten bleibt. Vom dermatologischen und hygienischen Gesichtspunkt ist damit gewährleistet, dass es nicht zu Reizungen der Haut kommt. Der hervorragende Tragekomfort der cellulosischen Faser bleibt erhalten [6] [7].

Neben quantitativen Analysen mittels Atomabsorptionsspektroskopie, SeaCell® Active enthält rund 6000 ppm Silber, wurde die Silberverteilung über den Faserquerschnitt untersucht. Dazu wurde die SeaCell® Active-Faser in flüssigem Stickstoff gebrochen. Dieser Kryobruch wurde dann im Rasterelektronenmikroskop (LEO Type DSM 962) analysiert. Neben dem Rückstreubild wurde auch mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX-Detektor OXFORD Instruments) die Silberverteilung an der Faserbruchfläche dargestellt (Abb. [2]).

Abb. 2 Silberverteilung in SeaCell® Active-Faser (EDX-Mapping).

In der Abb. [2] ist das jeweilige Elektronen-Rückstreubild der entsprechenden Silber Mapping-Aufnahme gegenübergestellt. Im Rückstreubild, das auch eine Materialkontrastwiedergabe ist (jeweils linkes Bild), weisen dunklere Stellen auf leichte Elemente und helle Stellen auf schwere Elemente wie Silber hin.

Bei den Silbermapping-Aufnahmen (jeweils rechtes Bild), zeigen die hellen Stellen das Vorhandensein von Silber an. Aus diesen Aufnahmen ist deutlich zu erkennen, dass das Silber regelmäßig über den Faserquerschnitt verteilt ist, und sich nicht nur ausschließlich an der Faseroberfläche befindet.

Die Produktionstechnologie der SeaCell® und SeaCell® Active-Fasern entspricht den höchsten ökologischen Anforderungen, beide Fasern sind nach ÖKO-TEX Standard 100, Produktionsklasse I für Babyartikel, zertifiziert.

Antimikrobielle Untersuchungen

Die Haut stellt die Grenzfläche zwischen Körper und den manchmal unwirtlichen Umweltbedingungen dar. Textilien haben einen intensiven Kontakt mit der menschlichen Haut. Sie spielen eine entscheidende Rolle insbesondere bei Hautzuständen wie Neurodermitis, vermehrter Schweißneigung, Patienten mit Diabetes und Altershaut; diese werden durch bzw. von Bakterien- und Pilzbefall der Haut verursacht bzw. begleitet. Aus diesem Grund wurden In-vitro-Untersuchungen über die antimikrobiellen Eigenschaften von SeaCell® Active-Fasern durchgeführt.

Antimykotische Eigenschaften der SeaCell® Active-Faser

Die Untersuchung wurde mit dem Ziel durchgeführt, die antimykotische Wirkung von SeaCell® Active gegen verschiedene Pilze der Familie Candida zu prüfen.

Untersucht wurden: Candida albicans, Candida parapsilosis, Candida glabrata, Candida tropicalis und Candida krusei. Candida albicans ist für eine weitverbreitete juckende Hautinfektion durch Hefen, insbesondere in Hautfalten, verantwortlich. Diese Pilzinfektionen werden mit warmen, feuchten und okklusiven Bedingungen in Verbindung gebracht, z. B. in den Armbeugen, unter den Brüsten sowie im Genital- und Analbereich.

Es wurden zwei verschiedene In-vitro-Testsysteme verwendet: zum einem eine klassische Inkubation mit den Standard-Pilzstämmen auf verschiedenen Fasern für einen Zeitraum von 24 Stunden. Die antimykotische Wirkung wurde in einer Neubauer-Zählkammer quantifiziert. Zusätzlich wurde eine Anfärbung mit dem neuen Fluoreszenzfarbstoff FUN-1® durchgeführt. Mit Hilfe dieses Farbstoffes können die aktiven Pilzspezies angefärbt werden [8]. In Abb. [3] ist deutlich zu sehen, dass während der Behandlung mit 100 % Sea Cell® Active fast alle lebenden Candida albicans und Candida krusei abgetötet werden (Abb. [3]).

Abb. 3 Nachweis der fungiziden Wirkung von SeaCell® Active gegenüber Candida albicans und Candida krusei mit Hilfe der FUN-1-Färbung vor und nach der Inkubation.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigten eine hervorragende antimykotische Wirkung gegen verschiedene Pilze der Familie Candida, nämlich Candida albicans, Candida glabrata, Candida krusei und Candida tropicalis. Andere Candida-Spezies wie z. B. C. parapsilosis (Onychomykose), C. glabrata (Genitalinfektion), C. tropicalis und C. krusei reagierten ebenfalls empfindlich auf die SeaCell^® Active-Fasern [9].

Das auffallendste Ergebnis war die Konzentrationsabhängigkeit (Anteil von SeaCell® Active-Fasern im Gewebe) der antimykotischen Wirkung bei allen untersuchten Spezies. Diese Ergebnisse wurden durch die FUN-1-Färbung bestätigt.

Antibakterielle Eigenschaften der SeaCell® Active-Fasern

Neben der antimykotischen Wirkung wurde geprüft, ob SeaCell® Active eine antibakterielle Wirkung aufweist. Dazu wurden zwei verschiedene Staphylococcus-aureus-Stämme und einen Escherichia-coli-Stamm verwendet. Staphylococcus aureus ist für schwere Hautinfektionen verantwortlich und trägt darüber hinaus oftmals zur Exazerbation der atopischen Dermatitis bei. Escherichia coli (E. coli) ist ein Bakterium, das oft bei Infektionen im Zwischenfingerraum und im Genitalbereich auftritt.

In den durchgeführten in-vitro-Testungen konnte die Wirkung von SeaCell® Active gegenüber den Bakterienstämmen Staphylococcus aureus und Escherichia coli eindeutig nachgewiesen werden. Diese antibakterielle Wirkung zeigte sich in Abhängigkeit von der Dosierung und war bei einem Gehalt von 100 % SeaCell® Active am höchsten. Eine mittlere Wirkung wurde in einem Mischgewebe mit 5 % SeaCell® Active und eine hohe Aktivität bei einem Anteil von 10 % bis 20 % SeaCell® Active beobachtet [10].

Schlussfolgerungen

Die bisherigen Ergebnisse zeigen die antimykotische und antibakterielle Wirkung von SeaCell® Active-Stoffen in einer standardisierten in-vitro-Testreihe. Ob diese Faser in bioaktiven Textilien Verwendung finden kann, die für spezifische anatomische Regionen und Hautbedingungen mit einer Suszeptibilität für Pilz- und Bakterieninfektionen, speziell Candida-Spezies, Staphylococcus aureus und Escherichia coli geeignet ist, muss durch weitere Untersuchungen, insbesondere in-vivo-Tests am Menschen, unter Berücksichtigung möglicher allergischer und toxischer Effekte der Fasern, sichergestellt werden. Wenn diese Ergebnisse auch bei Tragetests bestätigt werden, scheint SeaCell® Active für den Einsatz in bioaktiven Textilien z. B. für Sportbekleidung, Unterwäsche, Socken, Arbeitskleidung, Heimtextilien und Hygieneartikel, insbesondere auch für Allergiker, gut geeignet zu sein.

Literatur

• 1 Zikeli S. Lyocell fibers with health-promoting effect through incorporation of seaweed.  Chemical Fibers International. 2001;  51 272-276
• 2 Zikeli S. SeaCell® Active - Eine neue cellulosische Faser mit antimikrobiellen Eigenschaften. Avantex - International Forum and Symposium for High-tech Apparel Textiles Mai 2002
• 3 Zhou D, Zhang L, Zhou J, Guo S. Cellulose/chitin beads for absorption of heavy metals in aqueous solution.  Water Res. 2004;  38 2643-2650
• 4 Pedersen A. Studies on phenol content and heavy metal uptake in fucoids.  Hydrobiologia. 1984;  116/117 498-504
• 5 Freudiger A. SeaCell® eine neue Faser in der textilen Welt. 13. Spinnerei-Kolloquium Festhalle Denkendorf; 27./28. April 2004
• 6 Lansdown A B. Silver. I: Its antibacterial properties and mechanism of action.  J Wound Care. 2002;  11 125-130
• 7 Williams R L, Doherty P J, Vince D G, Grashoff G J, Williams D F. The biocompatibility of silver.  Brit Rev Biocompatibility. 1989;  5 221-243
• 8 Millard P J, Roth B L, Thi H P, Yue S T, Haugland R P. Development of the FUN-1 family of fluorescent probes for vacuole labeling and viability testing of yeasts.  Appl Environ Microbiol. 1997;  63 2897-2905
• 9 Fluhr J, Hipler U C, Elsner P. Silver-loaded cellulosic fibers with anti-fungal and anti-bacterial properties new bio-active fibers for intelligent textiles: SeaCell® Active. Proceedings of the Textile Institut 83rd World Conference (83rd TIWC) 23.-27. Mai, 2004 Shanghai, China; 2004 2: 633-637
• 10 Hipler U C, Elsner P, Fluhr J W. Anti-fungal and anti-bacterial properties of a silver-loaded cellulosic fiber. J Biomedical Mat Res: Part B - Applied Biomaterials 2005 (im Druck)