– Recherche zur Technologie - Teil 3

Von Annabelle Schofer, Markus Niemann und Volker Bucher, Hochschule Furtwangen, Fachbereich Mechanical and Medical Engineering

Katheter und Führungsdrähte werden in verschiedenen medizinischen Fachbereichen sowohl für diagnostische wie auch für therapeutische Zwecke eingesetzt. Aufgrund der vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten gibt es Form und Aufbau betreffend eine sehr große Variantenvielfalt. Die wichtigste Eigenschaft eines Medizinprodukts, die grundsätzlich vorhanden sein muss, ist die Biokompatibilität. Da es sich bei Kathetern und Führungsdrähten um medizinische Produkte handelt, deren Anwendungsbereich innerhalb des Körpers liegt, müssen Katheter und Führungsdrähte darüber hinaus zahlreichen anwendungsspezifischen Anforderungen gerecht werden. Um die Reibung zu reduzieren, werden auf die Katheter und Führungsdrähte spezielle Beschichtungen aufgebracht. Bei der Auswahl einer Beschichtung für diese Anwendungen stehen die Eigenschaften hydrophob und hydrophil im Vordergrund. Diese wirken sich unter anderem auf die Haftung der Katheter beziehungsweise Führungsdrähte an den Wänden der Körperteile aus, woraus dann unterschiedliche Kräfte bei der Bewegung oder Zug- und Druckkomponenten zwischen Körper und medizinischem Gerät resultieren können. Die Auswahl der Beschichtung richtet sich zudem nach dem Anwendungsgebiet der Gerätschaften.

-Fortsetzung aus WOMag 5/2018-

4 Konzepte zur Reibungs­verminderung am Markt

4.1 Grundlagen hydrophober und hydrophiler Oberflächen

4.1.1 Oberflächenspannung

Innerhalb einer Flüssigkeit wirken zwischen den einzelnen Molekülen Kohäsionskräfte. Ein Teilchen inmitten der Flüssigkeit, das an jeder Seite von gleichen Molekülen umgeben ist, geht in jede Richtung gleich starke Bindungen ein. Ein Teilchen an der Oberfläche hat nach außen keine gleichen Nachbarmoleküle, es kann daher nach außen keine beziehungsweise nur wesentlich schwächere Verbindungen eingehen (Abb. 45). Diese Teilchen befinden sich daher in einem energetisch höheren Zustand. Wird die Oberfläche verkleinert, indem sich ein Teilchen von der Oberfläche ins Innere der Flüssigkeit bewegt, so wird dabei Energie frei. Ohne Einwirken äußerer Kräfte streben Flüssigkeiten somit danach, ihre Oberfläche möglichst klein zuhalten.

Abb. 45: Entstehung der Oberflächenspannung [104]

Um die Oberfläche der Flüssigkeit zu vergrößern, muss eine gewisse Energie aufgewendet werden. Diese Energie, bezogen auf die dadurch entstehende Flächenänderung, wird als Oberflächenspannung bezeichnet.

In gleicher Weise befinden sich auch in einem Festkörper die Moleküle an der Oberfläche auf einem energetisch höheren Niveau als die Moleküle im Inneren, mit dem Unterschied, dass Festkörper ohne Einwirken von äußeren Kräften ihre Oberflächengröße nicht verändern können. Die hierbei nötige Energie um die Oberfläche zu vergrößern, wird als freie Oberflächenenergie bezeichnet. Die Einheit ist in beiden Fällen J/m2. Je stärker die Kohäsionskräfte sind, desto größer ist die Oberflächenspannung beziehungsweise die freie Oberflächenenergie.

4.1.2 Benetzung

Wird ein Festkörper mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht, so wirken zwischen den Randmolekülen der Flüssigkeit und denen des Feststoffes Adhäsionskräfte. Es kommt zu chemischen Bindungen und es entsteht eine gemeinsame Grenzfläche. Die Adhäsionskräfte sind in der Regel jedoch deutlich schwächer, als die Kohäsionskräfte der beiden beteiligten Stoffe, sodass sich die Teilchen der Grenzfläche ebenfalls in einem energetisch höheren Zustand befinden. Das System ist daher einerseits bestrebt, die Grenzfläche möglichst klein zu halten. Andererseits sorgt eine kleinere Grenzfläche wiederum für eine größere Oberfläche der einzelnen Stoffe. Wie groß die Grenzfläche ist, die dabei entsteht, hängt nun vom Verhältnis der Adhäsionskräfte zu den Kohäsionskräften der beteiligten Komponenten ab. Die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit sorgen dafür, dass diese eine tropfenförmige Gestalt bildet. Die Adhäsionskräfte dagegen ziehen die Flüssigkeit an den Festkörper heran.

Je stärker die Kohäsionskräfte des Festkörpers und damit die Bindungen zwischen den Festkörpermolekülen sind, desto stärker sind auch die Bindungen, die der Festkörper mit der Flüssigkeit eingehen kann. Sind die Adhäsionskräfte stärker als die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit, steigt die Grenzfläche und es kommt zu einer Benetzung des Festkörpers. Ein Festkörper wird von einer Flüssigkeit also immer dann benetzt, wenn die Oberflächen­energie des Festkörpers größer ist, als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

Ein Maß für die Benetzbarkeit eines Festkörpers ist der Kontaktwinkel. Der Kontaktwinkel ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Festkörpers und der an die Tropfenkontur angelegten Tangente (Abb. 46). Je stärker ausgeprägt die Tropfenform ist, desto größer ist der Kontaktwinkel. Ein großer Kontaktwinkel steht somit für eine geringe Benetzbarkeit des Feststoffes.

Abb. 46: Kontaktwinkel für unterschiedliche Ausbildung von Tropfen an beziehungsweise auf Oberflächen [105]

Für Wasser gilt: Gut benetzbare Oberflächen, bei denen der Kontaktwinkel zwischen 0° und 90° liegt, werden als hydrophil bezeichnet. Schlecht benetzbare Kontaktflächen, bei denen der Winkel zwischen 90° und 180° liegt, werden als hydrophob bezeichnet. Liegt der Winkel zwischen 150° und 180° wird von einer superhydrophoben Oberfläche gesprochen.

4.1.3 ­Reibungsverminderung durch hydrophobe und hydrophile Oberflächen

Von einer hydrophoben Oberfläche perlen wässrige Flüssigkeiten tropfenartig ab. Der beim Einführen eines Katheters spürbare Widerstand, der durch das Anheften der Blutmoleküle an den Katheter entsteht, wird so durch die Beschichtung sehr stark reduziert, da ein Anheften der Blutmoleküle nicht mehr möglich ist.

Die hydrophobe Eigenschaft einer Oberfläche steht, wie bereits erwähnt, mit einer sehr geringen Oberflächenenergie in Verbindung. Eine weitere Folge der geringen Oberflächen­energie ist die Tatsache, dass die Moleküle solcher Oberflächen generell sehr reaktionsträge sind und kaum Verbindungen mit anderen Molekülen eingehen. Hydrophobe Oberflächen reagieren daher auch nicht mit den Molekülen der Gefäßwand, sodass hydrophobe Oberflächen auch auf diese Weise die Reibung reduzieren.

Tritt eine hydrophil beschichtete Oberfläche mit einer Flüssigkeit in Kontakt, so wird diese Oberfläche wie beschrieben gleichmäßig von der Flüssigkeit benetzt. Während an einer hydrophoben Oberfläche die Haftung eingeschränkt ist, also nichts an der Oberfläche anhaftet, zeigt die hydrophile Oberfläche den Effekt, dass die Flüssigkeit über die gesamte Fläche gleichmäßig anhaftet und so ein glatter, gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm auf der gesamten Oberfläche entsteht. Dieser Flüssigkeitsfilm wirkt wie ein Gleitmittel zwischen Katheter und Gewebe.

4.1.4 Hydrophob und ­hydrophil - Qualitativer ­Vergleich in Bezug auf Reibung

Bei den hydrophoben Beschichtungen handelt es sich um die ältere, bei Kathetern zuerst angewandte Methode. Die antihaftend wirkende Oberfläche der hydrophoben Beschichtung sorgt permanent dafür, dass Flüssigkeiten, auch in geringen Mengen, abperlen und auch andere Festkörper keine Wechselwirkungen eingehen können.

Hydrophil beschichtete Führungsdrähte erreichen ihre Gleitfähigkeit dagegen erst dann, wenn sie recht stark in Kontakt mit einer Flüssigkeit kommen, da sich erst dann der entscheidende Flüssigkeitsfilm bildet. Dieser Unterschied hat Auswirkungen auf die Anwendungen der jeweiligen Beschichtung, die später genauer beschrieben werden. Darüberhinaus weisen die beiden Beschichtungstypen in Untersuchungen bezüglich der tatsächlichen Reibungsverminderung deutliche Unterschiede auf.

Ein Artikel von Kevin Guenther (Mitarbeiter von Harland Medical Systems) befasst sich mit der Auswertung einer vergleichenden Analyse unterschiedlicher, für medizinische Instrumente verwendeter Beschichtungen [16]. Untersucht wurden drei ­verschiedene Beschichtungen: eine PTFE-Beschichtung (hydrophob), eine Silikonbeschichtung (hydrophob) und eine hydrophile Beschichtung. Als Referenzwert wurde zusätzlich ein Probestück aus unbeschichtetem PEBAX® untersucht. Mit Hilfe eines sogenannten Pinchtests und dem in Kapitel 3 erwähnten FTS 6000 Friction Test System von Harland Medical Systems wurde für die verschiedenen Probestücke jeweils der Reibungskoeffizient (CoF, coefficient of friction) ermittelt. Es wurde dabei eine Klemmkraft von 4,9 N angesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Wie die Ergebnisse zeigen, können mit hydrophilen Beschichtungen deutlich niedrigere Reibungskoeffizienten erreicht werden, als mit hydrophoben Beschichtungen. Das ist mit ein Grund, weshalb momentan deutlich mehr in die Weiterentwicklung von hydrophilen Beschichtungen investiert wird. Aber auch die hydrophoben Beschichtungen, die ja durchaus eine deutliche Reduktion des Reibungskoeffizienten gegenüber den unbeschichteten Materialien erreichen, haben in gewissen Bereichen medizinischer Instrumente ihren Nutzen und finden dort nach wie vor Verwendung.

4.2 Anwendung hydrophober und hydrophiler Oberflächen

Wie bereits ausgeführt entsteht sowohl zwischen Instrument und menschlichem Gewebe als auch zwischen ineinandergeschobenen Instrumenten Reibung. Um die Reibung möglichst effizient zu verringern, eignen sich jeweils andere Beschichtungen.

Für die Reibungsverminderung zwischen Katheter und Gewebe sind meistens hydrophile Oberflächen von Vorteil. Der Wasserfilm auf der Oberfläche sorgt nicht nur für eine verminderte Reibung, sondern wird generell von Patienten häufig als angenehmer empfunden. Der Flüssigkeitsfilm schützt in gewisser Weise das Gewebe vor Verletzungen durch den Katheter. Die meisten für die Katheterherstellung verwendeten Kunststoffe haben aufgrund ihrer Unpolarität jedoch eine geringe Oberflächenenergie und lassen sich somit nicht benetzen. Die in diesem Fall hydrophobe Oberfläche der Katheter wird deshalb außen in der Regel hydrophil beschichtet.

Hydrophil beschichtete Katheter für den vaskulären Bereich werden gebrauchsfertig geliefert und können direkt in das Gefäß eingeführt werden. Durch das Blut ist genügend Flüssigkeit vorhanden, um die hydrophile Wirkung der Beschichtung durch das Bilden eines Flüssigkeitsfilms auszulösen. Hydrophil beschichtete transurethrale Blasenkatheter müssen in der Regel vor dem Einführen erst durch Wasser oder eine sterile NaCl-Lösung aktiviert werden. In der Harnröhre ist nicht genügend Flüssigkeit vorhanden, um den für die Reibungsreduzierung notwendigen Wasserfilm hervorzurufen. Bei vielen Modellen, vor allem den für die Selbstkatheterisierung des Patienten vorgesehenen, ist eine entsprechende Flüssigkeit bereits in der Verpackung enthalten, sodass die Katheter noch in der geschlossenen Verpackung aktiviert und dann direkt in die Harnröhre eingeführt werden können. Bei der Verwendung von unbeschichteten Blasenkathetern ist ein zusätzliches Gleitgel nötig. Dieses wird entweder vor Einführen des Katheters in die Harnröhre eingebracht oder ist bereits auf dem Katheter aufgebracht. Das Gleitgel kann gleichzeitig auch eine desinfizierende Wirkung haben.

Katheter können prinzipiell innen und außen beschichtet sein. Katheter, durch die keine weiteren Katheter eingeführt werden sollen, sind in der Regel nur außen beschichtet.

Da die Katheter jedoch meistens aus einem hydrophoben Grundmaterial bestehen, weist die unbeschichtete Innenseite eine hydrophobe Eigenschaft auf. Anders ist dies jedoch bei Führungskathetern. Ein Führungskatheter bietet einen sicheren Zugang zu der zu behandelnden oder zu untersuchenden Stelle. Im Inneren dieses Katheters können weitere spezifische Katheter und Instrumente an die entsprechende Stelle gebracht werden. Hierbei handelt es sich um den Kontakt zwischen zwei bewegten Festkörpern. Zur Reibungsverminderung ist in diesem Fall eine hydrophobe Oberfläche besser geeignet, denn innerhalb des Führungskatheters ist nicht immer ausreichend Flüssigkeit vorhanden, sodass eine hydrophile Beschichtung ihre Gleitfähigkeit nicht entfalten könnte. Außerdem sorgt die hydrophobe Oberfläche mit ihrer Antihafteigenschaft dafür, dass die beiden Instrumente nicht aneinander festkleben.

Führungskatheter besitzen auch an ihrer Innenseite meist eine hydrophobe Beschichtung. Die hydrophobe Beschichtung hat oftmals eine noch stärkere hydrophobe Wirkung als das Material selbst.

Führungsdrähte sind in der Regel hydrophob beschichtet. Zwar werden sie als erstes in das Gefäß oder das Hohlorgan eingeführt, sodass auch sie mit dem Gewebe in Berührung kommen. Das Streifen vom Führungsdraht am Gewebe ist jedoch wegen seines wesentlich kleineren Durchmessers viel geringer, als bei einem Katheter. Alle weiteren Katheter werden später über den Führungsdraht in den Körper eingeführt, sodass bei einem Führungsdraht wiederum die Reibung zwischen den beiden bewegten Festkörpern im Vordergrund steht, für deren Reduzierung sich eben die hydrophobe Oberfläche besser eignet. Die beiden Instrumente sollen eben möglichst nicht aneinander haften bleiben. Bei unbeschichteten polymerummantelten Führungsdrähten kann die hydrophobe Oberfläche durch die Verwendung eines entsprechenden hydrophoben Polymers erfolgen.

Dennoch gibt es auch hydrophil beschichtete Führungsdrähte. Diese verfügen über eine noch höhere Gleitfähigkeit und kommen vor allem in stark gewundenen, sehr engen und schwer zugänglichen anatomischen Bereichen zur Anwendung. Wird ein hydrophil beschichteter Führungsdraht verwendet, so besteht dennoch aufgrund der unbeschichteten Katheterinnenseite zwischen Katheter und Führungsdraht eine hydrophobe Grenzfläche, wenn auch nicht so stark ausgeprägt, wie dies der Fall ist, wenn beide Oberflächen hydrophob sind.

Des Weiteren gibt es Ausführungen von Führungsdrähten, die an der Spitze hydrophil und am Schaft hydrophob beschichtet sind. Die hydrophile Spitze ermöglicht ein leichtes Einführen des Führungsdrahts, der hydrophobe Schaft reduziert die Reibung zum dar­über geführten Katheter. Auch bei den polymerummantelten Führungsdrähten stehen Modelle zur Verfügung, bei denen im Bereich von Schaft und Spitze unterschiedliche Polymere verwendet werden.

–wird fortgesetzt–

Literatur

[16] K. Guenther, Understanding Low-Friction Coatings for Medical Devices. [Online] Available: https://www.mddionline.com/understanding-low-friction-coatings-medical-devices. Accessed on: Sep. 11 2017

[104] https://www.uni-due.de/~hc0014/S+WM/
Wirkung/KraWas.gif (28.9.2017)

[105] http://www.bitumen-gestein.de/Benetzungsarten.jpg (28.9.2017)

DOI: 10.7395/2018/Schofer3

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