Innovative Korrosionsschutzschichten für die Medizintechnik

Bericht zum Workshop des MedicalMountain-Expert Table Oberflächentechnologien am 27. November 2013 in Tuttlingen

Der Workshop, zu dem etwa 25 Teilnehmer in die Berufliche Bildungsstätte Tuttlingen (BBT) gekommen waren, befasste sich mit der Entwicklung von Ansätzen für Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu Einsatzmöglichkeiten des ALD-Verfahrens für den Korrosionsschutz bei Medizinprodukten. Dazu stellte Dr. Klaus Teichmann die Vorgehensweise zur Einrichtung eines Netzwerks am Beispiel des MedTec BW vor. Mit der Funktion und den Eigenschaften von ALD-Schichten befasste sich Jan Mokros. Mit dem Verfahren ist es möglich, sehr gleichmäßige Schichten in einer außerordentlich guten Schichtverteilung zu erzeugen. Über Anwendungen dieser Technologie aus dem Bereich der Medizintechnik berichtete Prof. Dr. Volker Bucher.

Netzwerkmanagement

Dr. Teichmann, i.con. innovation, stellte die Möglichkeit vor, innerhalb von MedTec BW mit Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und gegebenenfalls weiteren Medizintechnikunternehmen Forschungsthemen und daraus F&E-Förderprojekte (z. B. ZIM-Projekte) zu entwickeln. Die Unterstützung bei der Entwicklung und der Förderanträge erfolgt dabei über das Netzwerk MedTec BW. MedTec BW deckt als Dienstleistungspartner alle Bereiche der Entwicklung, des Engineering, der Zulassung und regulatorischen Anforderungen, klinischen Studien bis hin zu Markteinführungsfragen oder Kostenerstattung ab. Diese können zumindest zum Teil in ZIM-Projekte (ZIM DL) eingebunden werden.

ALD-Verfahren und -Anlagentechnik

Wie Jan Mokros einführend betonte, ist die Plasma Electronic GmbH sowohl Niederdruck-Plasmaanlagenhersteller als auch Oberflächenbeschichter. Seit kurzem werden auch Anlagen für das plasmaunterstützte ALD (Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD)) angeboten. Die Beschichtung mit dem Atomic Layer Deposition-Verfahren (ALD) zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Beschichtung Lage für Lage einzeln hoch­gradig definiert und vernetzt aufgebaut wird, wobei sich der Prozess selbst begrenzt. Damit wird eine sehr homogene, gleichmäßige und skalierbare Beschichtung mit exzellenter Haftung erreicht. Zudem wird das PEALD-Verfahren bei geringen Temperaturen durchgeführt und ist somit auch für temperaturempfindliche Kunststoffsubstrate einsetzbar. Prozessbedingt entstehen pro Beschichtungsdurchgang nur atomare Monolagen, wodurch einerseits eine sehr genaue Steuerung der Schichtdicke im Nanometerbereich möglich wird, andererseits aber auch ein kaum zu übertreffendes Aspektverhältnis von mehr als 2000:1 erzielt wird. Bisher wird bei Plasma Electronic mit Aluminium beziehungsweise Aluminiumoxid beschichtet. Sollten andere Materialien gewünscht sein, so müssen hierzu die Verfahrenstechnologien angepasst werden.

Korrosionsschutz durch ALD – Erste Ergebnisse

Prof. Dr. Bucher ging in seinen Ausführungen auf erste Anwendungserfahrungen mit der ALD-Technologie in der Medizintechnik ein, die bevorzugt Edelstahl als Substrat einsetzt. Üblicherweise erfolgt der Korrosionsschutz bei Edelstahl mit der sich selbst ausbildenden Chromoxidschicht auf Basis einer Oxidationsreaktion mit dem Legierungsanteil an Chrom. Äußere Einflüsse, wie zum Beispiel durch Chlorid aus Arbeits- oder Reinigungsmedien, können jedoch zur Verletzung der Passivschicht führen und stellen eines der wichtigen Probleme in der Medizintechnik dar. Die ALD-Beschichtung könnte hier neue Lösungsansätze liefern.

Ein Vorteil ist, dass die ALD-Beschichtung nicht quellen-, sondern oberflächenkontrol­liert ist. Das heißt, die Qualität und Eigenschaften anderer Beschichtungsverfahren hängen stark vom verwendeten Beschichtungsmaterial und dessen Einsatzzustand ab, weshalb die Beschichtungen zumeist nachbehandelt werden müssen. Die ALD-Schicht bietet 100-prozentige Konformität, eine genaue Dickenkontrolle in einem Niedertemperaturprozess, exzellente Uniformität und nicht zuletzt die Freiheit von Pinholes und Schichtdefekten. Zudem sind die Schichten spaltgängig, das heißt, dass auch feinste Vertiefungen mit einer gleichmäßig dicken Beschichtung versehen werden, wie das hohe Aspektverhältnis vermittelt.

Am NMI werden derzeit verschiedene erste Untersuchungen zu ALD-Schichten mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt. Durch die Messung von Leckströmen im Bereich von wenigen Pikoampere wird die hohe Korrosionsfestigkeit der Schichten bestätigt. Allerdings muss das Langzeitverhalten der Beschichtungen noch geprüft werden. Messungen der Durchschlagsfestigkeit zeigen die Pinhole-Freiheit. Weitere Korrosionstests sind in Planung beziehungsweise in der Entwicklung.

Das ALD-Verfahren kann mit verschiedenen Materialien durchgeführt werden, vorwiegend werden derzeit Schichten aus Aluminiumoxid (Al2O3) und Titanoxid (TiO2) verwendet. Diese biokompatiblen Korrosionsschutzschichten können ohne großen Aufwand für medizintechnische Anwendungen herangezogen werden. Entwicklungsbedarf besteht vornehmlich bezüglich der Evaluation der Langzeitstabilität, der möglichen Anlagen für sehr große Chargen beziehungsweise Teile, der Haftung von ALD auf Polymeren sowie Folien. Zu überprüfen ist zudem die Wirtschaftlichkeit. ALD ist nicht einzusetzen für sehr schnelle­ Prozessanforderungen, Schüttgut und als Hartstoff für Werkzeuge.

Anforderungen an den Korrosionsschutz

Herr de Gaudenzi, Regio-Link Hochschule Furtwangen/Charité, stellte das Projekt Regio-Link vor. Dieses wird als eine Kooperation der FH Furtwangen (Tuttlingen) mit der Charité, Berlin, gefördert, um gemeinsam die Verwertung von Forschungsergebnissen voranzutreiben. Ziel ist der Aufbau einer Kontaktvermittlungsstelle sowie einer Verwertungsstruktur zwischen den Unternehmen des Medizintechnikzentrums Tuttlingen und der Charité.

Die Charité sieht einen großen Bedarf bei der Verbesserung des Korrosionsschutzes für Medizinprodukte. Probleme durch Korrosion finden sich in den unterschiedlichsten Bereichen, wie die sehr vielfältigen Beispiele aus der Praxis zeigen. Dazu gehören Nitinol-Endoprothesen, wie zum Beispiel Aorten-Endoprothesen (Dissertationen Uniklinik Hamburg-Eppendorf 2010 und Charité 2012), chirurgische Instrumente (Klinikum Braunschweig), Markraumbohrer, Schienensysteminstallationen von Deckenliftern oder Implantate wie Hüft­endoprothesen.

Diskussion

In der abschließenden Diskussion wurde unter anderem über die Einsatzmöglichkeiten des ALD-Verfahrens für den Korrosionsschutz bei Medizinprodukten gesprochen, wobei sich das Interesse auf konkrete Anforderungen der Unternehmen und sich daraus ableitende Ansätze für F&E-Projekte konzentrierte.

Fragen zielten in diesem Bereich auf die Art der Reinigung und Vorbehandlung von Substraten für eine Beschichtung, die Kosten für die Herstellung solcher Schichten sowie die Inhalte von derzeit laufenden Forschungen auf dem Gebiet der ALD-Beschichtung. Ein interessanter Aspekt könnte die Oberflächenbehandlung von Bereichen auf Medizinprodukten sein, auf denen diverse Beschriftungen zur Charakterisierung der Werkzeuge vorgenommen werden. Diese zeigen derzeit nur bedingt die geforderte Beständigkeit. Eine weitere zu lösende Aufgabe ist die Verbesserung von Klebeflächen bei Teilen aus Kunststoff oder solchen mit Werkstoffkombinationen.

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