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Donnerstag, 10 September 2020 07:00

Omniphobe Beschichtungen auf medizinisch relevanten Oberflächen (Teil 1)

von Tina Tölke
Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten
Abb. 1: Verschiedene medizinische Spritzenkörper Abb. 1: Verschiedene medizinische Spritzenkörper

1 Einleitung

An Medizintechnik-Produkte sowie allgemein für die Medizintechnik relevante Oberflächen werden aus gutem Grunde ausgesprochen hohe Ansprüche gestellt. Je nach Einsatzort und Anwendungszweck variieren diese Anforderungen recht stark. So dürfen z. B. Spritzenkörper nicht mit den Wirkstoffen der Injektionslösung wechselwirken. Implantate wiederum sollen gut und möglichst ohne Komplikationen im Körper einwachsen – Fixateure oder andere Osteosynthese-Materialien dagegen sollen sich nach einer gewissen Zeit wieder gut entfernen lassen.

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, sind häufig Modifizierungen der Materialoberflächen notwendig. Oftmals gibt es jedoch weitere Anforderungen an die Produkte, die gleichzeitig erfüllt werden müssen. Bei Spritzenkörpern für sogenannte vorgefüllte Spritzen ist das z. B. die Notwendigkeit des gleichmäßigen Gleitverhaltens des Kolbens. Dies wird durch eine Silikonisierung erreicht. Dabei werden geringe Mengen Silikonöl in die Glasspritzenkörper eingebracht und gleichmäßig auf der Mantelfläche verteilt. Dadurch werden die Gleitreibungskräfte des Kolbenstopfens beim Einsatz der Spritze verringert. Bei bestimmten Medikamenten kann jedoch eine Wechselwirkung zwischen überschüssigem Silikonöl und dem Wirkstoff zu unerwünschten Reaktionen führen. Zur Vermeidung solcher Reaktionen wurde die sogenannte Einbrennsilikonisierung entwickelt, bei der zum einen deutlich weniger Silikonöl in die Spritzenkörper eingebracht wird und zum anderen eine zusätzliche thermische Fixierung erfolgt [1, 2]. Andererseits kann infolge dieses Prozesses die Gleitreibungswirkung bei zu geringem Silikonöleinsatz herabgesetzt sein, so dass die erforderliche gleichmäßige Bewegung des Kolbenstopfens nicht mehr vollkommen gewährleistet werden kann. Vor diesem Hintergrund stellen alternativ aufgebrachte omniphobe Beschichtungen eine interessante Alternative dar [3].

Besonders interessant in der Medizintechnik sind Implantatmaterialien. Als Osteosynthesematerial wer-den neben rostfreiem Edelstahl (V4A-Stahl) entweder reines Titan oder entsprechende Titan-Legierungen (z. B. Ti-6Al-4V) genutzt [4, 5]. Ein Teil der eingesetzten Implantate verbleibt für längere Zeit oder im Idealfall dauerhaft im Körper, andere Implantate wie Knochenschrauben oder Kirschnerdrähte aus Metall müssen jedoch nach der Heilungsphase häufig wieder entfernt werden. Titanmaterialien zeichnen sich zwar einerseits durch eine ausgezeichnete Osteointegration aus, andererseits kann das gute Einwachsverhalten bei einer notwendigen Entfernung des Materials von Nachteil sein, da dann eine aufwändige Befreiung von umgebendem bzw. eingewachsenem Knochenmaterial notwendig ist [6]. Auch in diesen Fällen könnte, zumindest für nur temporäre Osteosynthesematerialien, eine entsprechende Oberflächenmodifikation in Form einer dünnen Beschichtung von Vorteil sein.

Weitere im medizinischen Bereich interessante Substratmaterialien sind Kunststoffe. Diese werden in der Medizintechnik insbesondere im Bereich Spritzen, Katheder, Hygienezubehör und Verbandsmaterialien eingesetzt. Dabei werden für Einwegartikel insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und PVC als Material genutzt [7]. Zudem werden häufig Kunststoffgehäuse genutzt, um medizinische Anlagen oder Geräte zu schützen. Ganz aktuell sind Faceshields als Alternative zu Mund-Nasen-Bedeckungen aus Textilien – diese werden aus PET hergestellt, und sind für Mehrfachanwendungen geeignet. Hier ist es daher wichtig, dass eine leichte Reinigung möglich ist.

Um den steigenden Anforderungen, z. B. an die Sterilisierbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber aggressiven Reinigungsmitteln, gerecht zu werden, arbeiten die Kunststoffhersteller an entsprechend modifizierten Formulierungen für die jeweiligen Kunststoffe. Andererseits könnte jedoch auch mit gezielten Beschichtungen eine entsprechende Optimierung, z. B. zur Abweisung von verschiedenen Flüssigkeiten und damit leichteren Reinigung, erreicht werden.

Auch für verschiedene andere Oberflächen im medizinischen Bereich, z. B. Patientenstühle, Nasszellen im Klinikbereich etc. können hydrophob ausgerüstete Oberflächen, an denen die meisten Flüssigkeiten abperlen und bei denen damit die Verschmutzungsneigung reduziert ist, von Vorteil sein.

2 Material und Methoden

Als Substratmaterialien wurden unterschiedlichste Materialien wie nicht silikonisierte Glasspritzenkörper sowie entsprechende planare Borosilikatglassubstrate, verschiedene Kunststoffplatten (ABS, POM, PET, PMMA, PA6, PP) sowie Platten aus Ti-6Al-4V-Legierung benutzt.

Die verwendeten Chemikalien zur Herstellung der omniphoben Beschichtungslösung waren Schwefelsäure, Dimethoxydimethylsilan (95 %) und Isopropanol. Da die omniphobe Beschichtung nur auf glasartigen Untergründen eine kovalente Bindung zum Substrat eingeht, wurde auf allen Substratmaterialien, außer Glas, jeweils bei einer Versuchsreihe eine Pyrosil-Haftvermittlerschicht aufgebracht [8]. Anschließend erfolgte die Benetzung mit der Beschichtungslösung – diese kann durch Sprühen, Tauchen oder auch Polieren aufgebracht werden. Die Proben wurden mit der Beschichtungslösung benetzt, mindestens 15 Minuten bei Raumtemperatur getrocknet, anschließend mit Isopropanol und abschließend mit destilliertem Wasser abgespült.

Die gebildete Schicht ist nur wenige Nanometer dünn, und chemisch gesehen eine Art an der Oberfläche gebundenes Silikonöl. Die Schichtstruktur wird auch als „Polymerbürste“ bezeichnet, da das während der Beschichtung gebildete Polymer wie die Borsten eine Bürste von der Substratoberfläche absteht [9]. Aufgrund dieser Schichtstruktur wirkt die Schicht nicht nur hydrophob, sondern auch als Gleitschicht. Dies wird nachfolgend am Beispiel der Spritzenkörper unter Beweis gestellt.

Zur Untersuchung der Benetzungseigenschaften wurde jeweils der Wasser-Kontaktwinkel auf der unbeschichteten sowie der beschichteten Substratoberflächen gemessen. Dazu wurde das optische Kontaktwinkelmessgerät und Konturanalysesystem OCA-15plus von Dataphysics GmbH (Filderstadt) verwendet. Die Benetzungseigenschaften wurden mit der SCA 20 Software von Dataphysics ausgewertet. Die Abriebfestigkeit der Schichten auf den planaren Substraten wurde mittels eines Belastungstests nach ASTM D2486 als Nassprüfung mittels Nylonbürsten (Ti-6Al-4V) bzw. mittels Mikrofasertuch (Kunststoffplatten) durchgeführt. Dazu wurden nach verschiedenen Abriebzyklen erneut die Wasser-Kontaktwinkel auf den Substraten gemessen.

Bei den beschichteten Spritzenkörpern wurden weiterhin Gleitreibungsuntersuchungen durchgeführt. Dazu wurden an leeren Spritzen ohne Nadel der Kolben manuell gesetzt, und mit einer Universalprüfmaschine (Fa. Hegewald und Peschke, Nossen) mit einem speziellen Prüfwerkzeug die Losbrech- und Gleitreibungswirkung getestet. Um die Werte besser einordnen zu können, wurden zudem entsprechende Untersuchungen an mit Sprühsilikonisierung ausgestatteten Spritzenkörpern (Nipro Pharma Packaging
GmbH) durchgeführt.

-wird fortgesetzt-

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Tina Tölke, Jenny Rudolf, Uwe Gitter, Andreas Pfuch, Innovent e. V., Jena

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