Plasmen unter Normaldruckbedingungen 

Neue Oberflächen für die Medizintechnik

Von S. Spange¹⁾, J. Schmidt¹⁾, A. Pfuch¹⁾, E. Jäger²⁾, O. Beier¹⁾ und A. Schimanski¹⁾

Mit Hilfe modernster Verfahren lassen sich Oberflächen für den Einsatz in medizinischen Bereichen maßgeschneidert zur Verfügung stellen. Es werden einige aktuelle Beispiele aus der anwendungsnahen Forschung vorgestellt, die in unterschiedlichen Applikationsfeldern ihre Anwendung finden können.

Plasma at ambient conditions – new surfaces designed for applications in the field of medical engineering

Using state-of-the-art-processes customized surfaces can be supplied for using in the field of medical applications. We report on current examples from industry-related research which can be implemented in different medical engineering fields.

1 Atmosphärische Plasmen

Atmosphärische Plasmen als Werkzeuge zur Oberflächenbeschichtung wurden an dieser Stelle schon vorgestellt [1, 2]. Diese­ Formen der Gasentladung, insbesondere die sogenannten Freistrahlplasmen, sind seit einigen Jahren dabei, vom rein akademischen Untersuchungsgegenstand wegzukommen und den Weg in die praktische Anwendung zu finden. Charakteristisch für diese Verfahren ist der Einsatz von Plasmen unter Normaldruckbedingungen zur chemischen Gasphasenabscheidung funktioneller Beschichtungen (APCVD – atmospheric pressure plasma chemical vapour deposition). Dabei werden sogenannte Precursormaterialien, die für die angestrebte funktionelle Beschichtung geeignet erscheinen, in den Gasstrom der Plasmajets eindosiert. Im Resultat dessen erfolgen die chemische Umsetzung der Precursoren und das Aufwachsen der Beschichtung auf dem Trägermaterial. Die Beschichtungen selbst sind sehr dünn, üblicherweise im Bereich bis etwa 200 nm mit einstellbaren Rauheiten, die ebenfalls im Bereich von wenigen Nano­meter liegen.

Als Beispiele für funktionelle Beschichtungen seien Hydrophil- oder Hydrophobausstattungen von Oberflächen oder die Bereitstellung fluoreszenter Markerschichten genannt [3]. Die thermische Belastung ist aufgrund der relativ niedrigen Gastemperaturen des Plasmajets moderat, sodass auch thermisch labile Substrate beschichtet werden können. Aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten der Plasmaanlagentechnik eignen sich die Freistrahlplasmen sehr gut für die Beschichtung komplexerer 3D-Geometrien.

2 Plasmachemische Oxidation

Mit Hilfe des Prozesses der plasmachemi­schen Oxidation (PCO®) lassen sich auf sperrschichtbildenden Metalloberflächen komplexe keramikartige Oxidschichtsysteme­ erzeugen. Dabei werden die zu beschichtenden Materialien im geeigneten wässrigen Elektrolytsystem anodisch polarisiert. Bei einem, für jede Metall/Elektrolyt-Kombination charakteristischen Anodenpotenzial treten, von sichtbaren Funkenentladungen begleitete, plasmachemisch-elektrochemische Hochtemperaturreaktionen an den Phasengrenzen Metall/Oxid/Elektrolyt auf. Die aus diesen Reaktionen resultierenden mikrometerdicken Schichten zeigen gegenüber herkömmlichen anodischen Oberflächen neuartige Struktur-Eigenschafts-Rela­tionen, woraus sich wiederum zahlreiche neue Applikationen ableiten lassen.

Als Teilbereich der anodischen Oxidation, wie sie zum Beispiel für Aluminium schon seit 1923 in Deutschland angewendet wird, ist die plasmachemische Oxidation noch recht jung in der technischen Anwendung. Derzeitige Applikationen umfassen insbesondere den Bereich der optischen Technologien [4, 5], verstärkt aber auch den medizintechnischen Markt (Abb. 1).

Nach diesem kurzen Ausflug in die technischen Grundlagen sind nachfolgend einige­ Praxisbeispiele, in denen die benannten Verfahren zum Einsatz kommen, dargestellt.

3 Bakterizide Ausstattung

3.1 Textilien für Wundauflagen

Mit Hilfe der APCVD lassen sich textile ­Materialien, zum Beispiel für Wundauflagen, mit bakteriziden Beschichtungen versehen. Zu diesem Zweck wird eine silikatische Depotschicht auf einem geeigneten Trägermaterial (z. B. Lyocell®, Bakteriencellulose, PES/Cellulose-Verbund) aufgebracht. Durch Zugabe von geeigneten Wirkstoffen, wie beispielsweise Silber, in Form von löslichen oder dispergierbaren Medien, die während des Beschichtungsprozesses in den Arbeitsgasstrom des Plasmas eindosiert werden, kommt es zur Implementierung von entsprechenden nanopartikulären Wirkstoffclustern in die silikatische Schichtmatrix (Abb. 2). Von dort können Ionen in einer wässrigen Umgebung, wie zum Beispiel dem umgebenden Wund­milieu, in Lösung gehen und gegenüber Bakterien­stämmen ihre Wirkung entfalten.

Neben der Überprüfung der antibakteriellen Wirkung der auf diesen Textilien aufgebrachten Beschichtungen gegenüber den Keimen Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Klebsiella pneumoniae wurden auch Messungen zur Zellverträglichkeit an HaCAT-Keratinozyten durchgeführt. In durchgeführten Untersuchungen haben die Autoren eine starke antibakterielle Wirkung aller mit Silber dotierten Schichten im direkten Kontakt festgestellt. Ebenso wurde eine Wirksamkeit der Schichten auch im indirekten Kontakt (als Extrakte) nachgewiesen. Zusätzlich wurde mit Blick auf die praktische Anwendung des Verfahrens ein Beschichtungsparameterfeld gefunden, welches parallel starke antibakterielle­Eigenschaften und geringe zytotoxische Wirkung aufweist [6].

3.2 Implantatwerkstoffe

Bei den eben erwähnten silberhaltigen Kompositbeschichtungen auf textilen Materialien spielt aufgrund des Einwegcharakters der Produkte die mechanische Beständigkeit der Beschichtungen eine eher untergeordnete Rolle. Dennoch konnte gezeigt werden, dass derartige Bakterizidbeschichtungen mittels APCVD auch abrasionsstabil auf Festkörperoberflächen abgeschieden werden können [7].

Neben Silber können ebenso alternative Wirkstoffe wie Kupfer oder Zink in geeigneter Form in derartige SiOx-basierte Kompositbeschichtungen eingebettet werden. Dazu wurden Untersuchungen durchgeführt, in denen Substrate wie Titanlegierungen (TiAl6V4) und Edelstahl, wie sie für Implantatprodukte relevant sind, für die Plasmabeschichtungen verwendet und getestet wurden. Für beide Wirkstoffe konnte anhand von Messungen des ATP-Gehalts von Bakteriensuspen­sionen, die diesen Oberflächen ausgesetzt worden waren, ein signifikantes bakterizides Verhalten festgestellt werden, wobei dieses durch die Zudosierung von Kupfer noch stärker ausgeprägt war als im Falle von Zink.

Für Implantatmaterialien spielen allerdings nicht nur die antibakteriellen Oberflächeneigenschaften eine Rolle, sondern auch, wie die Oberflächen von den eigentlich gewünschten Zellen besiedelt werden können. Dazu wurden Zellwachstums­untersuchungen unter Verwendung einer Osteoplastenzelllinie MC 3T3-E1 an kupfer- beziehungsweise zinkhaltigen Titan- und Edelstahloberflächen durchgeführt. Abbildung 3 visualisiert einen Tot-Lebend-Anfärbetest für kupfer- beziehungsweise zinkhaltige-SiOx-Dünnfilme auf den besagten Metalloberflächen. Ein loser grüner Zellrasen (mit einer unbedeutenden Anzahl von roten Totzellen) zeigt die Zellbesiedlung nach insgesamt einem Tag Inkubation (Abb. 3, oben). Die mittlere Aufnahme bezeugt weiterhin kein zytotoxisches Verhalten, sondern vielmehr ein verlangsamtes Zellwachstum nach drei Tagen. Ein dramatischer Anstieg der Zelldichte findet sich auf den Oberflächen nach sieben Tagen, was im Prinzip einem ungehemmten Zellwachstum entspricht (Abb. 3, unten). Die Entwicklung des Zellwachstums ist im Falle einer einfachen SiOx-Beschichtung vergleichbar mit den kupfer- beziehungsweise zinkdotierten­ SiOx-Beschichtungen, was zeigt, dass die Zugabe dieser Wirkstoffe keinen zytotoxischen Effekt auf das Wachstum der verwendeten Zelllinie hat.

Abb. 3: Bilder von Lebend-Tot-Anfärbeversuchen für einen zinkhaltigen SiOx-Dünnfilm auf einer ­Titanoberfläche

4 Bakterizide Beschichtungen

Bakterizide Beschichtungen auf PCO®-behandelten Substraten kombinieren beide oben benannten Verfahren und stellen den aktuellen Stand der Entwicklung bei Innovent auf diesem Gebiet dar. Mit Hilfe der PCO® lassen sich Leichtmetalle mit keramischen Beschichtungen versehen. Von Interesse ist dabei die Herstellung von knochenähnlichen Materialien als Beschichtung auf Leichtmetallen, zum Beispiel von Calciumphosphatbeschichtungen auf Titanlegierungen. Diese Oberflächen, welche mit ihrer speziellen porösen Struktur und ihrem chemischen Aufbau als bioaktive Oberflächen bezeichnet werden, können nun zusätzlich eine antibakterielle Funktionsschicht erhalten.

So ist es mit Hilfe der APCVD und der PCO® möglich, auf Titanlegierungen zunächst Calciumphosphatbeschichtungen mittels PCO® aufzubringen und diese in einem nachgeschalteten Arbeitsschritt und unter Verwendung der APCVD zusätzlich mit einer bakterizid wirkenden Oberfläche zu versehen. Unter Verwendung unterschiedlicher Silber- und auch Kupferdosierstufen während der APCVD zeigten die hergestellten Präparate (Abb. 4) im direkten Kontakt eine starke antibakterielle Wirkung in allen Dosierstufen, die allerdings von der Art der getesteten Mikroorganismen Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae und Pseudomonas aeruginosa abhängt.

Abb. 4: Eine bakterizid wirkende kupferhaltige SiOx-Beschichtung als Top-Coating auf CaP-beschichtetem TiAl6V4-Substrat; die Cu-SiOx-Schicht wurde mittels APCVD und die CaP-Schicht mittels PCO® hergestellt

Auch in diesen Untersuchungen zeigte sich, dass die kupferdotierten SiOx-Oberflächen im direkten Kontakt mit den getesteten Organismen trotz geringerer Wirkstoffmenge eine ähnliche und teils auch bessere Wirkung auf die getesteten Bakterienstämme als die silberdotierten Oberflächen haben. Für beide Wirkstoffe wurden durch Untersuchungen mit HaCAT-Zellen und Maus-Osteoblasten (MC 3T3-E1) zytotoxische Effekte festgestellt, die beim Kupfer weniger ausgeprägt waren und sowohl für Silber als auch für Kupfer von der Wirkstoffmenge­ abhängig waren. Die Extrakte der beschichteten Probekörper zeigten kein zytotoxisches und ein geringes antibakterielles Potenzial.

5 Zusammenfassung

Mit Hilfe von neuen Verfahren wie der plasmachemischen Oxidation oder der Verwendung atmosphärischer Freistrahlplasmen können maßgeschneiderte Oberflächen für den Bereich Medizinprodukte bereitgestellt werden. Dies wurde am Beispiel antibakteriell wirkender Oberflächen auf unterschiedlichen Substraten, die für Wundauflagen und für Implantate interessant sind, gezeigt. Durch die Einstellung der Verfahrensparameter können sowohl die bakterizide als auch die zytotoxische Wirkung der Oberflächen gezielt beeinflusst werden. Weitere Arbeiten konzentrieren sich auf die Herstellung und Untersuchung von Gradientenschichten, um die Wirkstofffreigabe noch besser beeinflussen zu können.

Danksagung

Diese Arbeiten wurden zum Teil mit finanzieller Unterstützung des BMBF im Rahmen der BMBF-Innovationsinitiative Unternehmen Region innerhalb des Regionalen Wachstumskerns J-1013 – Surface Technologies Net – Jena durchgeführt (FKZ 03WKBR11Z).

Literatur

[1] M. Ramm, A. Pfuch, A. Modes, A. Schimanski, C. Langguth, H.-J. Ulrich, S. Spange: Maßgeschneiderte Oberflächen durch Beschichtung aus der Gasphase unter Atmosphärendruck; WOMag, 2(2013)4, S. 1–4

[2] T. Tölke, O. Beier, A. Pfuch, A. Schimanski: Permanente Trennschichten mittels Atmosphärendruck-Plasmatechnik für die Kunststoffverarbeitung; WOMag 2(2013)12, S. 30–32

[3] A. Pfuch, K. Horn, J. Schmidt, M. Günther, A. Heft, A. Schimanski: Application potential of thin silicon oxide films prepared by plasma assisted CVD at atmospheric pressure; in: Jahrbuch Oberflächentechnik Bd. 66, Hrsg. R. Suchentrunk, Leuze Verlag Bad Saulgau, Germany, ISBN 978-3-87480-259-8, S. 107–113

[4] J. Schmidt, D. Conrad: Beschichtung von Leichtmetallen für Anwendungen in der Laser­technik; Galvanotechnik (2013)1, S. 2–8

[5] J. Schmidt, C. Schrader, M. Tzschach: Die plasmachemische Oxidation von Leichtmetallen für optische und medizinische Anwendungen; in: Jahrbuch Oberflächentechnik Bd. 67, Hrsg. R. Suchentrunk, Leuze Verlag Bad Saulgau, germany, ISBN 978 3 87480 268 0, S. 192–202

[6] S. Spange, A. Pfuch, C. Wiegand, O. Beier, U. C. Hipler, B. Grünler: Atmospheric pressure plasma CVD as a tool to functionalise wound dressings; eingereicht bei Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials

[7] O. Beier, A. Pfuch, K. Horn, J. Weisser, M. Schnabelrauch, A. Schimanski: Low Temperature Deposition of Antibacterially Active Silicon Oxide Layers Containing Silver Nanoparticles, Prepared by Atmospheric Pressure Plasma Chemical Vapour Deposition; Plasma Processes and Polymers, Volume 10, Issue 1, 2013, S. 77–87

DOI: 10.7395/2014/Spange1