Funktionalisierte Oberflächen

| Autor / Redakteur: Autorin | Dr. Heidrun Klostermann / Peter Reinhardt

„Mit dem Vakuumverfahren können sehr saubere Prozesse realisiert und hochreine Materialien ohne unerwünschte Beiprodukte abgeschieden werden. Das ist nicht nur bei Implantaten, sondern in der Medizintechnik allgemein von großer Bedeutung“, Dr. Heidrun Klostermann, FEP Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik.
„Mit dem Vakuumverfahren können sehr saubere Prozesse realisiert und hochreine Materialien ohne unerwünschte Beiprodukte abgeschieden werden. Das ist nicht nur bei Implantaten, sondern in der Medizintechnik allgemein von großer Bedeutung“, Dr. Heidrun Klostermann, FEP Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik. (Bild: Reinhardt)

Auf dem Fachforum „Metal meets Medical“ hat Dr. Heidrun Klostermann vom Fraunhofer Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) einen viel beachteten Vortrag über die Funktionalisierung von Oberflächen gehalten. Für Devicemed fasst sie das Wichtigste noch einmal zusammen.

Gute Biokompatibilität, verbesserte Hygiene – und damit weniger Komplikationen und schnellere Heilung für Patienten: Das ist die Motivation der Forscher des Fraunhofer FEP, die Elektronenstrahlbehandlung und Plasmabeschichtung auf medizintechnische Produkte anzuwenden.

Mit den Verfahren der Elektronenstrahl- und Plasmatechnik können kontaminationsfreie Prozesse realisiert und hochreine Materialien ohne unerwünschte Beiprodukte abgeschieden werden. Das ist nicht nur bei Implantaten von Vorteil, sondern allgemein im Bereich Medizintechnik. Die Anwendungen reichen von Elektronen-induzierter Keimtötung über modifizierte Kunststoffmaterialien bis zur Abscheidung dünner Schichten, um Komponenten neben ihren durch die Grundmaterialien gegebenen Volumeneigenschaften für Einsätze im Körper angepasste Oberflächen zu verleihen.

Bioverträgliche Beschichtungen mit Titandioxid

So kann beispielsweise durch geeignete Barriere-Schichten die Elusion von Stoffen aus Metalllegierungen verhindert werden, die oftmals allergene Zusätze enthalten, welche zur Erzielung ausreichender Festigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit der Grundwerkstoffe nicht gänzlich eliminiert werden können. Durch eine dünne Oberflächenbeschichtung bleiben die vorteilhaften Bulk-Eigenschaften erhalten, lediglich die Grenzfläche zum Körper wird modifiziert. Je nach Anforderungsprofil kommen metallische oder keramische Schichten zum Einsatz, die absolut dicht sein müssen, um die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Andererseits sind in einzelnen Anwendungen auch mikroporöse, bioaktive Schichten gefragt, etwa wenn es um die Zersetzung organischer Substanzen oder unerwünschter organischer Beläge auf Oberflächen geht.

Hier kommt ein weithin bekannter Stoff mit besonderen Eigenschaften zum Einsatz: Titandioxid. Titanoxid ist für seine gute Bioverträglichkeit bekannt. Es bildet sich als sehr dünne native Oberflächenschicht auf Titanoberflächen aus. In einer solchen wenige Nanometer dicken Schicht ist jedoch das Potenzial, welches im Titanoxid steckt, noch nicht ausgereizt. Will man dem Material darüber hinaus funktionale Vorteile abringen, muss man sich bestimmten kristallinen Modifikationen zuwenden.

Kristalline Titandioxid-Schichten können durch Beleuchtung mit UV-A-Licht aktiviert werden und weisen infolge dieser Behandlung superhydrophile Eigenschaften auf, das heißt eine perfekte Benetzbarkeit mit Wasser. Eine Hydrophilierung wird bereits durch kurzzeitige UV-Aktivierung erreicht und hält danach über mehrere Stunden an. Dadurch können Verarbeitungsschritte vorbereitet und Oberflächeneigenschaften temporär verändert werden, ohne dass eine Simultanität der Bestrahlung erforderlich ist. So befördert die Aktivierung initiale Benetzungs- und Adhäsionsprozesse, zum Beispiel bei Implantationen. Die Wechselwirkung von Blutkomponenten im Erstkontakt mit Implantat-Oberflächen beeinflusst entscheidend die folgenden Prozesse der Zelladhäsion, Zellmigration und der Zelldifferenzierung, welche für das Einwachsverhalten entscheidend sind.

Höchste Phasenreinheit für fast alle Grundmaterialien

Am Fraunhofer Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) werden Titandioxid-Schichten mit Vakuumbeschichtungsverfahren wie dem Puls-Magnetron-Sputtern oder der plasmaaktivierten Verdampfung in höchster Phasenreinheit auf Oberflächen aufgebracht. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Grundwerkstoffe metallischer, keramischer oder glasartiger Natur sind. Mit diesen Prozessen werden große Flächen hoch produktiv funktionalisiert oder eine Vielzahl von Formkörpern rotierend und damit gleichmäßig behandelt. Die photoaktivierbaren Eigenschaften dieser robusten, mechanisch stabilen Titandioxid-Schichten können damit in vielfältigen Anwendungen genutzt werden, in denen es auf besondere Reinheit und zweifelsfreie Biokompatibilität ankommt.

Den Anforderungen höchster Reinheit versuchen die Forscher des Fraunhofer FEP auch mit ihrer Kernkompetenz in der Elektronenstrahltechnik gerecht zu werden. Beschleunigte Elektronen dienen zur Desinfektion und Sterilisation von Gegenständen, bei denen alternative Verfahren wie zum Beispiel die Heißdampf-, die chemische oder die Gamma-Sterilisation nicht angewendet werden können. Dies kann an der Empfindlichkeit der zu behandelnden Materialien oder an den Randbedingungen im Bearbeitungsumfeld liegen. Mit einer leistungsfähigen Elektronenstrahlquelle lässt sich die Energie der Elektronen durch Feinabstimmung der Beschleunigungsspannung so wählen, dass Keime und Krankheitserreger an der Oberfläche der behandelten Produkte abgetötet werden. Das Material in der Tiefe wird jedoch nicht durchdrungen und damit auch nicht geschädigt.

In Abfüllanlagen wie auch in Verpackungslinien mit kontinuierlichem Durchlauf und hohem Durchsatz ist diese Methode besonders effizient einsetzbar und wohl etabliert. Flächige Behandlung kann entweder durch eine schnelle Ablenkung der Elektronen realisiert werden oder durch Erzeugung eines Elektronenvorhangs mittels einer Linienquelle, an der das zu behandelnde Gut vorbeigeführt wird. Wenngleich die Anpassung und Validierung des Verfahrens zunächst relativ aufwändig erscheint, werden beschleunigte Elektronen in Zukunft ein breites Einsatzgebiet finden.

Dies ist nicht zuletzt auch der zunehmenden Verbreitung von Kunststoffen und Multimaterialkombinationen zur Optimierung von Gebrauchseigenschaften bei gleichzeitiger Kostenreduktion geschuldet. Bei der Sicherheit in Sachen Sterilität dürfen auch bei einer kostenoptimierten Produktion keine Abstriche gemacht werden.

Optimierte Materialien und Verfahren für neue Geräte

Fazit: Neue Produkte und Medizingeräte basieren heute häufig auf ausgefeilten, vielfach optimierten Materialien und Bearbeitungsverfahren. Das Fraunhofer Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelt seine Technologien zur Oberflächenbehandlung und -beschichtung seit vielen Jahren kontinuierlich fort und passt sie neuen Anforderungen an. Durch eine eigene Komponenten-Entwicklung ist auch die Anpassung auf ganz spezifische Kundenwünsche möglich. Im Dialog zwischen Technologie-Entwicklern und Anwendern wird stets nach der besten Lösung gesucht, welche Anforderungen, Machbarkeit und Kosten unter einen Hut bringt.

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