Reibung von Führungsdrähten und Katheterschläuchen

Medizintechnik 05. 08. 2018

Recherche zur Technologie - Teil 4

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, wobei hier der Aspekt der beim Ein- und Ausführen auftretenden Reibung betrachtet wird. Die Funktionalisierung von Kathetern und Führungsdrähten wird häufig durch eine angepasste Beschichtung erreicht oder deutlich verbessert. Dabei müssen Beschichtungen unter anderem das Gleitverhalten verbessern, aber auch die Biokompatibilität erfüllen oder die Infektionsgefahr verringern. Dazu bieten sich unterschiedlich aufgebaute Polymere an, bei denen beispielsweise durch eine Aktivierung die erforderliche Haftfestigkeit gewährleistet ist.

-Fortsetzung aus WOMag 6/2018-

4.3 Beschichtungen: Überblick zum Stand der Technik

4.3.1 Beschichtungsverfahren

Ob eine Oberfläche hydrophob oder hydrophil ist, wird durch Struktur und Eigenschaften der in der Oberfläche enthaltenen Moleküle bestimmt. Besitzt eine Oberfläche aufgrund der in ihr enthaltenen ­Moleküle nicht die gewünschten Eigenschaften, so ist es notwendig, sie in ihrer Molekülstruktur zu verändern. Eine Möglichkeit hierfür bietet, wie bereits erwähnt, die Beschichtung der Oberfläche. Auf die Oberfläche wird eine zusätzliche dünne Schicht aufgetragen, die entsprechende Moleküle enthält und so den jeweiligen Anforderungen gerecht wird. Ein Beschichtungsverfahren besteht üblicherweise grob aus drei Schritten.

Im ersten Schritt wird die Substratoberfläche für das Aufbringen der Beschichtung vorbereitet. Damit Beschichtungen auf dem Sub­strat haften können, muss die Oberfläche aktiv genug sein. Das heißt, sie muss Moleküle enthalten, die mit den Beschichtungsmolekülen Verbindungen eingehen können.

Ist die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats zu hydrophob, ist vor der Beschichtung in der Regel eine Vorbehandlung notwendig, da die Beschichtung sonst nicht auf dem Substrat haften würde. Eine solche Vorbehandlung kann unter anderem über eine Plasmaaktivierung erfolgen. Ziel der Plasma­aktivierung ist die Erhöhung der Oberflä­chenenergie des Substrats. Dazu werden spezielle funktionelle Gruppen, zum Beispiel polare Hydroxy-Gruppen (OH-Gruppen), in die Oberflächenmoleküle des Festkörpers eingebaut.

Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas. Es enthält Elektronen sowie positive Ionen und angeregte Gasmoleküle. Die Durchführung der Plasmaaktivierung erfolgt beispielsweise in einer Vakuumkammer. In dieser Kammer befindet sich ein Gas, beispielsweise Sauerstoff. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden die sich im Gas befindlichen freien Elektronen beschleunigt, sodass es zu Stoßprozessen zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen kommt. Die Moleküle werden dadurch zunächst in einen angeregten Zustand versetzt. Haben die Elektronen genug Energie kommt es zu einer Stoßionisation. Es entstehen zusätzliche Elektronen sowie positiv geladene Ionen, das Plasma wird gezündet. Die entstehenden positiven Ionen lösen zur Rekombination Elektronen aus der Sub­stratoberfläche heraus. Dadurch entstehen offene Bindungsstellen. Diese werden gleichzeitig mit Hydroxy-Gruppen besetzt (Abb. 47). Die polaren Hydroxy-Gruppen sind in der Lage, mit anderen Molekülen, so auch mit denen der Beschichtung, Bindungen einzugehen. Die Oberflächenenergie wird somit erhöht, die Oberfläche wird hydrophiler und die Beschichtung kann besser anhaften.

Abb. 47: Ablaufende Reaktionen bei der Plasmaaktivierung mittels Sauerstoffplasma (schematisch) [106]

Abb. 48: Prinzip der Plasmapolymerisation [107]

 

Der zweite Schritt beinhaltet den eigentlichen Beschichtungsvorgang. Für medizinische Instrumente werden unterschiedliche Technologien angewendet. Eine Möglichkeit, bei Kathetern und Führungsdrähten Beschichtungen aufzutragen, ist die Plasmapolymerisation mit einem Niederdruckplasma. Die Plasmapolymerisation ist eine spezielle Art der chemischen Gasphasenabscheidung. Das Prinzip der Plasmapolymerisation zeigt Abbildung 48.

Das zu beschichtende Substrat befindet sich in einer Vakuumkammer. Über ein eingeleitetes Gas werden sogenannte Precursor-Monomere zugeführt, aus denen die Beschichtung erzeugt wird. Durch die Zündung des Plasmas werden die Precursor-Monomere aktiviert. Die dabei entstehenden ioni­sierten Molekülfragmente verbinden sich zu kettenartigen Strukturen und lagern sich auf der Substratoberfläche ab. Die Reaktionen führen zu einer geschlossenen Fläche und beschichten so das gesamte Sub­strat gleichmäßig. Auf diese Art können auch komplexe Formen mit schwer zugänglichen ­Bereichen beschichtet werden. Je nach ­verwendeten Precursor-Monomeren verfügt die entstehende Beschichtung über spezielle Eigenschaften. Mit der Plasmapolymerisation können sowohl hydrophile als auch hydrophobe Oberflächen erzeugt werden.

Ein anderes, für Katheter und Führungsdrähte anwendbares Verfahren, ist die Tauchbeschichtung. Das zu beschichtende Instrument wird nach entsprechender Oberflächenvorbereitung in das flüssige Beschichtungsmaterial für eine je nach Substrat und Beschichtung variierende Zeitperiode eingetaucht. Anschließend muss die Beschichtung getrocknet werden. Dieses Verfahren eignet sich vor allem für die Massenproduktion, da große Mengen schnell beschichtet werden können.

Die Spritzbeschichtung (Spray coating) stellt eine weitere Alternative dar. Die flüssige ­Beschichtungslösung wird mit speziellen Düsen fein zerstäubt und nebelartig auf das zu beschichtende Substrat aufgesprüht. Für die Massenproduktion ist dieses Verfahren oftmals weniger geeignet.

Für Führungsdrähte wird sehr häufig das sogenannte Reel-to-Reel-Beschichtungsverfahren angewendet. Der auf einer Rolle aufgewickelte Draht wird abgerollt, durch ein flüssiges Medium mit dem Beschichtungsmaterial sowie anschließend durch einen Ofen zum Trocknen gezogen und schließlich wieder aufgewickelt.

Im dritten Schritt geht es um die Nachbehandlung der Beschichtung. Zum einen dient dieser Schritt zur Trocknung der Beschichtung. Zum anderen findet auch eine Aushärtung statt. Das bedeutet, dass die in der Beschichtung enthaltenen Moleküle untereinander noch stärker vernetzt werden. Teilweise wird in diesem Schritt auch eine stärkere Bindung der Beschichtung an das Substrat erreicht. Grundsätzlich kann ­dieser dritte Schritt über thermische Energie oder mittels UV-Strahlung durchgeführt ­werden. Bei einer Temperaturbehandlung wird das beschichtete Substrat für einen gewissen Zeitraum in einen Ofen gehalten. Durch die Hitze verdampft das flüssige Lösungsmittel und die Beschichtung trocknet. Gleichzeitig werden im Inneren der Beschichtung chemische Reaktionen ausgelöst, wodurch die Beschichtung an das Substrat gebunden und die innere Vernetzung der Beschichtung erhöht wird. Durch das Verdampfen des Lösungsmittels kann es zu einer Reduktion der Schichtdicke kommen.

Eine Behandlung mit UV-Licht hat im Grunde den gleichen Effekt. Die Trocknung beruht in diesem Fall jedoch nicht auf einer Verdampfung des flüssigen Lösemittels, sondern auf einer Polymerisation der enthaltenen Moleküle. Mit UV-Licht behandelbare Beschichtungen enthalten eine photoreaktive Komponente. Absorbiert diese die UV-Strahlung, löst sie letztendlich eine Vernetzung der in der Beschichtung enthaltenen Moleküle aus, wodurch die Beschichtung trocknet und gleichzeitig stärker vernetzt wird. ­Teilweise kann auf diese Art auch eine bessere Bindung an die Substratoberfläche erreicht werden. Da es keine Verdunstung gibt, bleibt die aufgetragene Schichtdicke erhalten.

Darüberhinaus nimmt die Behandlung mit UV-Licht wesentlich weniger Zeit in Anspruch, als eine thermische Behandlung. Ein weiterer großer Vorteil der Methode ­mittels UV-Licht ist die niedrigere Temperatur, bei der sie durchgeführt werden kann. Material und Beschichtung werden moderaten Temperaturen ausgesetzt, sodass sich diese Methode auch für temperaturempfindliche Grundmaterialien eignet.

4.3.2 Beschichtungen für Katheter und Führungsdrähte

Damit eine Beschichtung hydrophob ist, muss ihre Oberflächenenergie sehr gering sein.

Als hydrophobe Beschichtung wird in der Medizintechnik in der Regel eine PTFE- Beschichtung (Polytetrafluorethylen), allgemein unter dem Handelsnamen Teflon bekannt, verwendet. Polytetrafluorethylen entsteht durch Polymerisation von Tetrafluorethen (Abb. 49). Es handelt sich um ein lineares, unverzweigtes Polymer, bei dem jedes Kohlenstoffatom mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen sowie zwei Fluoratomen verbunden ist.

Abb. 49: Reaktion zur Entstehung von Poly­tetrafluorethylen (PTFE) [108]

 

Fluor ist das elektronegativste Element. Daher ist die C-F-Bindung sehr stark, wodurch die PTFE-Moleküle sehr reaktionsträge werden. Kaum ein Molekül ist in der Lage, diese Verbindungen aufzutrennen. Des Weiteren ist die C-F-Bindung zwar polar, aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist das gesamte PTFE-Molekül jedoch unpolar. PTFE-Moleküle gehen sowohl untereinander als auch mit anderen Molekülen kaum Verbindungen ein. Die Kohäsionskräfte sowie die Adhäsionskräfte zu anderen Substanzen sind sehr gering.

PTFE hat mit 18 mJ/m2 bis 20 mJ/m2 eine sehr geringe Oberflächenspannung. Die ­Adhäsionskräfte reichen somit nicht aus, die Oberflächenspannung einer auftreffenden Flüssigkeit zu überwinden und die Flüssigkeitsmoleküle an sich ­heranzuziehen. Die Flüssigkeit perlt tropfenartig auf der PTFE-Oberfläche ab; es kommt zu keiner Benetzung. PTFE hat dadurch einen sehr geringen Reibungskoeffizienten im Bereich zwischen 0,05 und 0,02. Des Weiteren entspricht die Haftreibung in etwa der Gleit­reibung, sodass ein Übergang aus der Ruhe in die Bewegung ohne Rucken möglich ist. Die antihaftende Eigenschaft verhindert gleichzeitig die Ablagerung anderer Stoffe am Führungsdraht oder Katheter.

Aufgrund der starken Reaktionsträgheit kommt es auch beim Kontakt mit der Gefäßwand zu keinen starken Wechselwirkungen mit den Molekülen der Gefäßwand. Die Reibung gegenüber der Gefäßwand wird somit ebenfalls stark reduziert. Auch ­andere im Körper vorkommende Moleküle ­reagieren nicht mit der Beschichtung. Diese Eigenschaft ermöglicht eine gute chemische Beständigkeit und eine hohe Biokompatibilität.

Neben der Reibungsverminderung hat die antihaftend wirkende Eigenschaft der PTFE-Beschichtung für mehrfachverwendbare Drähte den Vorteil, dass sie gut zu reinigen und zu sterilisieren sind.

Eine weitere, ebenfalls unter dem Namen Teflon bekannte und in der Medizintechnik verwendete hydrophobe Beschichtung, ist die FEP-Beschichtung (Fluorethylenpropylen). Dabei handelt es sich um ein lineares, kettenförmiges Copolymer, das aus den beiden Monomeren Tetrafluorethylen und Hexafluor­propen besteht (Abb. 50). Je nach Hersteller variiert das Verhältnis von Tetrafluorethylen zu Hexafluorpropen zwischen 4:1 und 7:1. Die Eigenschaften unterschieden sich dadurch jedoch nicht gravierend.

Abb. 50: Strukturformel für das FEP-Copolymer [109]

 

Es besitzt grundsätzlich sehr ähnliche chemische Eigenschaften wie PTFE. Es ist ebenfalls sehr hydrophob, anderen chemischen Sub­stanzen gegenüber sehr beständig und verfügt über eine hohe Biokompatibilität.

Wird bei der Plasmapolymerisation als Precursor-Monomer ein anderes Fluorid-Monomer als Tetrafluorethen verwendet, können PTFE-ähnliche hydrophobe Schichten mit ähnlichen Eigenschaften erzeugt werden.

Alle diese Beschichtungen erreichen ihre hydrophobe Wirkung durch die starke Bindung des Fluors. Ebenfalls hydrophobe Eigenschaften besitzen Beschichtungen auf Silikonbasis. Das einfachste, bereits in Abschnitt 2 beschriebene Silikon ist das in Abbildung 51 dargestellte Polydimethylsiloxan (PDMS).

Abb. 51: Polydimethylsiloxan [110]

Abb. 52: Struktur des Precursors Hexamethyldisiloxan [111]

 

Um eine PDMS-Beschichtung zu erzeugen, wird bei der Plasmapolymerisation als Precursor-Monomer ­Hexamethyldisiloxan (Abb. 52) verwendet. Die Methylgruppen sind unpolar. Sie können keine Wasserstoff-
Brückenbindungen ausbilden. Durch eine Orientierung der Methylgruppen zur Oberfläche wird die Si-O-Si-Kette abgeschirmt. Die Oberflächenenergie ist dadurch sehr gering. Sie beträgt etwa 19,9 mJ/m2. Eine PDMS-­Beschichtung ist damit sehr stark hydrophob. Wie in Abschnitt 2 beschrieben, wird Silikon auch als Grundmaterial für Katheter verwendet. Es verfügt über eine sehr gute Biokompatibilität, wirkt nicht toxisch und kann recht kostengünstig hergestellt werden. PDMS-Beschichtungen wirken darüberhinaus auch antithrombogen.

Beschichtungen mit hydrophilen Eigenschaften enthalten hydrophile ­Polymere mit funktionellen Gruppen, die mit den Wassermolekülen der auftreffenden Flüssigkeit Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Dadurch wird Wasser an die Sub­stratoberfläche gebunden und es kann sich ein Wasserfilm zwischen der Oberflächen ­eines Festkörpers und der angrenzenden Fläche einstellen.

Hydrophile Beschichtungen können dabei nur aus einem hydrophilen Polymer oder aus einer Kombination von verschiedenen hydrophilen Polymeren bestehen. Zusätzlich sind in die Beschichtungen, je nach Hersteller, häufig noch weitere Moleküle und Bestandteile ­integriert, die eine spezielle Funktion oder ­Eigenschaft der Beschichtung ermöglichen sollen.

Zu den hydrophilen Substanzen zählen auch die sogenannten Hydrogele. Dabei ­handelt es sich um dreidimensionale Netzwerke hydrophiler Polymere, die Wasser absorbieren und in ihren Zwischenräumen einlagern können, selbst aber wasserunlöslich sind. Auch hierbei entsteht beim Kontakt mit Wasser der gewünschte Flüssigkeitsfilm, mit dem Unterschied, dass die Wassermoleküle nicht nur an der Oberfläche des Polymernetzwerks gebunden, sondern zusätzlich auch innerhalb des Netzwerks eingelagert werden können. Solche Hydrogele finden vor allem bei urologischen Kathetern Anwendung, da im urologischen Bereich das Austrocknen der Katheter beziehungsweise der Katheteroberfläche zu verhindern ist.

Es gibt zahlreiche Hersteller, die in ihrem Sortiment hydrophile Beschichtungen speziell für medizinische Instrumente anbieten. Das beschriebene Grundprinzip der Funktionsweise ist in der Regel bei allen Beschichtungen gleich. Die Unterschiede der einzelnen Beschichtungen liegen in der genauen Zusammensetzung und der Art der Herstellung. William Lee von AST Products Inc. in Massachusetts sagt darüber: Within the lubricious medical coatings market, most compounds are fairly similar. It‘s more about methods that are different [33]. Die genaue Zusammensetzung, die konkrete Funktionsweise und der exakte Herstellungsprozess sind Betriebsgeheimnisse der Hersteller. Jeder beansprucht für seine Beschichtung und seinen Herstellungsprozess die Bezeichnung als momentan bestmögliche zur Verfügung stehende Alternative. Es ist sehr schwierig, hierbei einen qualitativen Vergleich der Beschichtungen oder gar eine abschließende allgemeine Priorisierung einzelner Beschichtungen durchzuführen, denn jede Beschichtung hat letztlich ihre Daseinsberechtigung.

Katheter werden in den verschiedensten anatomischen Bereichen verwendet, wobei verschiedenste Arten von Reibung auftreten können. Eine spezielle reibungsvermindernde Beschichtung kann so für einen Bereich sehr gut, für einen anderen wiederum eher nicht geeignet sein.

Beschichtungen für medizinische Instrumente sind insgesamt ein sehr komplexes ­Thema, denn neben der Reduktion von Reibung müssen von den Beschichtungen noch weitere Anforderungen, wie zum Beispiel Biokompatibilität, Hämokompatibilität, Anti­thrombogenität oder geringe Partikelfreisetzung, erfüllt werden. Die Verbesserung einer dieser Aspekte kann gleichzeitig zur Verschlechterung eines anderen führen. Die unterschiedlichen anatomischen Bereiche stellen aufgrund ihrer unterschiedlichen Gewebestrukturen auch in dieser Hinsicht weitere differenzierte Anforderungen an die ­Instrumentenoberfläche, sodass die Wahl der richtigen hydrophilen Beschichtung immer anwendungsspezifisch getroffen werden muss.

Im Folgenden sollen ohne Anspruch auf Vollständigkeit einige der momentan verfüg­baren hydrophilen Beschichtungen der in diesem Bereich führenden Hersteller ­näher dargestellt und deren Vorteile aufgezeigt werden.

Abb. 53: Strukturformel für Polyvinylpyrrolidon [112]

 

Das für hydrophile ­Katheterbeschichtungen am häufigsten verwendete Polymer ist Polyvinylpyrrolidon (PVP), dessen Struktur in Abbildung 53 dargestellt ist. Es entsteht durch radikalische Polymerisation aus N-Vinyl­pyrrolidon. Je nachdem wie die Polymerisation abläuft, können unterschiedliche Arten von PVP mit unterschiedlichen ­Eigenschaften entstehen, die sich vor allem in ihrer moleku­laren Masse unterscheiden. Die BASF verkauft unter dem Handelsnamen LUVITEC®K mehrere verschiedene solcher Vinylpyrrolidon-Homopolymere entweder als ­Pulver oder als wässrige Lösung. Im Grundzustand ist PVP ein weißes Pulver, das sowohl in Wasser als auch in einigen organischen Lösungsmitteln lösbar ist. PVP verfügt über eine sehr starke Hygroskopie, das heißt das Polymer ist in der Lage, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen und zu speichern. Die Stärke der hygroskopischen Eigenschaft ist von der molekularen Masse nahezu unabhängig. Diese Eigenschaft ermöglicht beim Kontakt einer PVP-Beschichtung mit Wasser die Bildung eines Gleitfilms, der für eine hydrophile Eigenschaft des PVP-Films sorgt. Ein PVP-Film kann durch verschiedene Verfahren im Nachhinein vernetzt werden. Eine Nachvernetzung von PVP lässt dieses in allen Lösungsmitteln unlöslich werden und ­ermöglicht so eine Funktion als Hydrogel in polaren Lösungsmitteln, wie zum Bespiel Wasser. Die Stärke der Quellbarkeit hängt dann von der Stärke der Vernetzung ab.

Werden in die Polymerkette bestimmte Copolymere, zum Beispiel Vinylacetat, eingebaut, können je nach eingebautem Monomer spezielle Eigenschaften des Vinylpyrrolidon-Homopolymers verstärkt oder geschwächt werden. Solche Vinylpyrrolidon-Copolymere werden von BASF unter dem Namen LUVITEC® verkauft, gehören aber nicht zur Reihe LUVITEC®K.

Ein Unternehmen, das PVP für die Herstellung seiner Katheterbeschichtungen nutzt, ist Wellspect HealthCare. Wellspect HealthCare ist ein internationaler Anbieter von Medizinprodukten mit Hauptsitz in Schweden. Das Unternehmen bietet bereits seit mehr als 30 Jahren unter dem Markennamen LoFric® diverse hydrophile Blasenkatheter.

Für die Oberflächenbearbeitung der Katheter benutzt das Unternehmen die eigens entwickelte und patentierte UrotonicTM Surface Technology. Dabei handelt es sich um eine Beschichtung aus PVP, die zusätzlich ein Salz enthält. Beim Kontakt mit Wasser entsteht auf der Oberfläche der gewünschte Flüssigkeitsfilm. Durch das in der Beschichtung enthaltene Salz ist nun die Oberfläche des Katheters gegenüber dem Urin isotonisch. Da so kein Salzkonzentrationsgefälle ausgeglichen werden muss, bleibt das Wasser an der Katheteroberfläche gebunden und schützt den Katheter vor einer Austrocknung. Nach Angaben des Herstellers sind die LoFric®-Katheter weltweit die einzigen mit dieser Oberflächentechnologie vertriebenen Ka­theter.

Die LoFric®-Katheter sind durch zahlreiche Studien mit am besten untersucht und dokumentiert. Im Jahr 2005 führten vier dänische Forscher, J. Stensballe, D. Looms, P. N. Nielsen und M. Tvede, eine prospektive, randomisierte Studie durch, bei der ein unbeschichteter, mit Gel arbeitender Katheter sowie der hydrophil beschichtete Katheter Speedi­Cath® der Coloplast GmbH mit dem LoFric®-Katheter verglichen wurde [52]. Gemessen wurde die zum Herausziehen notwendige Kraft. Zusätzlich wurde bei jedem Probanden eine Untersuchung des Urins auf Blut, Nitrat und Leukozyten durchgeführt. Ziel der Studie war herauszufinden, ob hydrophil beschichtete Katheter weniger Reibung verursachen und somit weniger schädlich für die Harnröhre sind. Durchgeführt wurde die Studie mit 49 männlichen, gesunden Probanden, die mindestens 18 Jahre alt waren. Jeder Proband unterzog sich drei Untersuchungen im Abstand von je zwei Tagen. Bei jeder Untersuchung wurde der Proband mit einem der drei Katheter je zweimal katheterisiert. Die Reihenfolge der Katheter wurde per Zufall festgelegt. Es wurden nur Probanden berücksichtigt, die mit allen drei Kathetern getestet wurden. Von den 49 Probanden haben 40 die Studie abgeschlossen und flossen in die Analyse mit ein. Die Ergebnisse der Studie sind in den Tabellen 2 bis 4 zusammengestellt.

Der Katheter SpeediCath® erzielte mit einem Wert von 0,142 N das beste Ergebnis bei der Bestimmung der Kraft (Mittelwert aus je 80 Messwerten) zum Herausziehen des Katheters (Tab. 2). Auffallend ist, dass der für den unbeschichteten Katheter gemessene Wert mit 0,204 N unter dem für den LoFric®-Katheter gemessenen Wert von 0,248 N liegt.

 

Nach je zwei Katheterisierungen mit einem Katheter wurde der Urin der Probanden auf das Vorhandensein von Erythrozyten untersucht (Tab. 3). In dieser Untersuchung schnitt der LoFric®-Katheter mit 60 % negativ getesteten Probanden als bester ab. Den schlechtesten Wert erzielte hier mit nur 33 % negativ getesteten Probanden der unbeschichtete Katheter.

Das beste Ergebnis in Bezug auf das subjektive Empfinden der Probanden während der Katheterisierung (Tab. 4) erzielte wiederum der SpeediCath®-Katheter, jedoch wurden beide hydrophil beschichteten Katheter von Probanden als deutlich angenehmer empfunden, als der unbeschichtete Katheter.

 

Erwartungsgemäß hätte der hydrophil beschichtete LoFric®-Katheter in Bezug auf die Reibungsverminderung besser abschneiden müssen, als der unbeschichtete. Die Vermutung, dass hydrophile Oberflächen die Reibung generell stärker reduzieren, kann durch das Ergebnis dieser Studie nicht bestätigt werden. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass der unbeschichtete Katheter in Verbindung mit einem Gleitgel zur Reibungsverminderung verwendet wurde. Die Studie zeigt aber ganz deutlich, dass hydrophil beschichtete Katheter von den Patienten generell als angenehmer empfunden werden, weshalb sie gerade bei neueren Kathetermodellen immer mehr zum Einsatz kommen. Blut im Urin kann unter anderem Anzeichen für eine Entzündung sein. Nach Katheterisierung mit dem LoFric®-Katheter enthielten die wenigsten Urinproben Blut. Das spricht dafür, dass der LoFric®-Katheter für das Gewebe und den Organismus am schonendsten ist.

Das Ergebnis der Studie bestätigt gleichzeitig, wie schwierig es ist, alle Anforderungen an ein medizinisches Instrument mit einer Beschichtung zu erfüllen. Eine Beschichtung, die in einem Bereich sehr gut wirkt, kann dadurch in einem anderen Bereich wiederum schlechter abschneiden.

Ein weiteres Problem von hydrophilen Beschichtungen, vor allem von Hydrogelen, ist die Tatsache, dass sie dazu neigen, sich auf der Oberfläche Bakterien anzusammeln und zu vermehren. Bei Blasenkathetern und Harnleiterschienen kann es darüber hinaus zu Inkrustationen kommen.

Das deutsche Unternehmen Urotech, Hersteller für medizinische Produkte für urologische Anwendungen, bietet unter anderem Ureterschienen mit Phosphorylcholinbeschichtung an. Alle Zellmembranen des menschlichen Organismus bestehen aus einer Doppellipidschicht, die aus Phospholipiden aufgebaut ist. Einige dieser Phospholipide enthalten als hydrophilen Bestandteil Phosphorylcholin. Phosphorylcholin ist ein Zwitterion, das heißt es enthält in seinem Molekül gleich viele negativ wie positiv geladene Ionen, sodass es insgesamt zwar neutral ist, dennoch aber einen Bipolcharakter besitzt. 88 % der Phospholipide in der äußeren Lipidschicht der Erythrozyten enthalten Phosphorylcholin und sorgen für die gute Hämokompatibilität der Erythrozyten [63]. Für die Beschichtung von medizinischen Instrumenten mit Phosphorylcholin wurden nun lipophile Monomere, PC-Monomere sowie weitere Co-Monomere zu einem Polymer zusammengefügt. Mit dieser Beschichtung kann die Oberfläche von körpereigenen Membranen recht gut nachgeahmt werden. Die Biokompatibilität der Instrumente wird dadurch erhöht und die Gefahr der Bildung eines Blutgerinnsels am Instrument reduziert. Durch den bipolaren Charakter von Wassermolekülen kann sich auch auf einer PC-Beschichtung ein Wasserfilm bilden. Dieser reduziert die Besiedlung mit Bakterien und anderen Lipiden, wodurch das Infektions­risiko reduziert wird. Gerade bei urologischen Kathetern wird dadurch auch die Gefahr der Inkrustation minimiert. Die hydrophile Wirkung der PC-Beschichtung, die zur Bildung des Wasserfilms führt, reduziert gleichzeitig den Reibungskoeffizienten. Jedoch ist eindeutig zu erwähnen, dass bei dieser Beschichtung nicht die Reibungsminimierung im Vordergrund steht, sondern es vielmehr um die Verhinderung von Infektionen und Inkrustationen geht. Derart beschichtete Instrumente werden daher eher bei Patienten verwendet, bei denen die Reibung nicht das schwerwiegendste Problem darstellt.

Ein weiteres Problem vieler hydrophiler Beschichtungen ist das Freisetzen von Partikeln, die im Organismus als Fremdkörper unerwünscht sind. Je stärker die Polymere und Moleküle der Beschichtung vernetzt sind, desto höher ist die Beständigkeit und desto geringer die Partikelfreisetzung. Die verstärkte Vernetzung reduziert jedoch die Aufnahmekapazität für Wasser und damit die Gleitfähigkeit der Beschichtung. Beschichtungen, die einen geringen Reibungskoeffizienten ermöglichen, haben also häufig eine hohe Partikelfreisetzung, wogegen Beschichtungen mit geringerer Partikelfreisetzung oftmals eine höhere Reibung aufweisen. Zwei Unternehmen sind der Meinung, eine Lösung gefunden zu haben, die beide Eigenschaften in einer Beschichtung vereint, sowohl eine geringe Partikelfreisetzung als auch einen geringen Reibungskoeffizienten.

Das amerikanische Unternehmen SurModics, Inc. mit Hauptsitz in Minnesota, das im Bereich von Oberflächenmodifikationstechnologien von vaskulären medizinischen Instrumenten und In-vitro-Diagnosetests arbeitet, vertreibt seit 2013 unter dem ­Markennamen SereneTM verschiedene hydrophile reibungsvermindernde Beschichtungen. Um die Zahl der Unternehmen zu vergrößern, die in der Lage sind, die SereneTM-Beschichtungen aufzutragen, wurde die SereneTM-Familie 2016 um einen weiteren Zweig namens SereneTM SC (single coat) erweitert, dessen Beschichtungen in einem Ein-Schicht-Verfahren aufgebracht werden können.

Die Abbildungen 54 und 55 zeigen die Ergebnisse einer vergleichenden Analyse zwischen SereneTM SC beziehungsweise SereneTM und anderen hydrophilen Beschichtungen in Bezug auf Reibungsverminderung und Partikelfreisetzung (Hinweis: Zahlen des Unternehmens SurModics). Unabhängige Studien über die tatsächliche Wirksamkeit der Beschichtungen sind leider nicht verfügbar. Auch über die zum Vergleich genutzten weiteren hydrophilen Beschichtungen sind keine Informationen bekannt.

Abb. 54: Verhalten der Beschichtung SereneTM SC auf PTA-Kathetern [113]

Abb. 55: Verhalten der Beschichtung SereneTM auf Mikrokathetern [113]

 

Jeweils blau dargestellt ist die Beschichtung von SurModics (SereneTM SC bzw. SereneTM). Beide zeigen sowohl eine sehr geringe Partikelfreisetzung als auch eine geringe Reibungskraft (Abb. 53) beziehungsweise einen geringen Reibungskoeffizienten (Abb. 54). Die verglichenen hydrophilen Beschichtungen, in grün und lila dargestellt, haben eine ebenfalls geringe Partikelfreisetzung, dafür jedoch eine deutlich höhere Reibung. Die rot dargestellte Beschichtung kann zwar in Bezug auf die Reibung mit der Beschichtung von SurModics mithalten, weist aber eine deutlich höhere Partikelfreisetzung auf.

Die SereneTM-Beschichtungen von SurModics basieren lediglich auf Wasser und Alkohol und enthalten keine harten Lösungsmittel. Über die genaue molekulare Zusammensetzung der Beschichtungen von SurModics, die letztlich zu diesem Ergebnis führt, ist nichts Näheres bekannt. Ein Faktor, der jedoch zu diesem Ergebnis mit beiträgt, ist die Art der Nachbehandlung der Beschichtung. SurModics verwendet zur nachträglichen Vernetzung der Beschichtungsmoleküle die eigens von ihnen entwickelte und patentierte PhotoLink®-Technology. Dabei handelt es sich um einen UV-Härtungsprozess. Der ­Prozess sorgt letztendlich, wie bereits ­beschrieben, für photochemische kovalente Bindungen zwischen den Molekülen innerhalb der Beschichtung sowie zwischen den Molekülen der Beschichtung und der Instrumentenoberfläche. Durch die starke Bindung an das Instrument wird die Langlebigkeit des Instruments erhöht und ­gewährleistet, dass sich die Beschichtung während des gesamten Eingriffs nicht ablöst. Durch die starke Vernetzung insgesamt wird eine stabile Beschichtung erzeugt und die Partikelfreisetzung reduziert.

Über den wesentlichen Unterschied zwischen der PhotoLink®-Technology und anderen UV-Härtungsprozessen ist leider nichts bekannt. Ein wesentlicher Vorteil der PhotoLink®-Technology ist laut Herstelleranga­ben die Tatsache, dass damit nahezu ­jedes medizinische Instrument, sowohl aus diver­sen Polymeren als auch aus Metall oder Keramik bestehend, beschichtet werden kann und es sich dabei um einen Prozess handelt, der leicht in bestehende Herstellungsprozesse integriert werden kann und somit für viele Hersteller medizinischer Instrumente zur Verfügung steht. Mit PhotoLink®-Technology beschichtete Instrumente können mit gewöhnlichen Verfahren sterilisiert werden. Darüber hinaus nimmt die PhotoLink®-Technology deutlich weniger Zeit in Anspruch, als andere UV-Härtungsprozesse (Abb. 56; Hinweis: Angaben des Herstellers).

Abb. 56: Zeit zur Herstellung einer Serene-Beschichtung mittels PhotoLink-Technologie [113]

 

Das zweite Unternehmen, dessen Beschichtung geringe Reibung und geringe Partikel­freisetzung vereint, ist Harland Medical Systems. Sie bieten neben den Beschichtungen selbst auch Maschinen für den Beschichtungsprozess sowie Geräte zur Durchführung von Reibungsmessungen an. Unter dem Markennamen Lubricent®UV vertreibt das Unternehmen hydrophile Beschichtungen, die ebenfalls mit einem UV-Härtungsprozess nachbearbeitet werden. Die Eigenschaften sind denen der eben beschriebenen SereneTM-Beschichtungen von Surmodics sehr ähnlich. Durch den grundlegend gleichen Nachbearbeitungsprozess verfügen auch diese Beschichtungen über eine hohe Stabilität und starke Bindung an das Substrat, wodurch die Langlebigkeit erhöht und die Partikelfreisetzung reduziert wird. Sie können ebenfalls auf einfache Weise, durch Verwendung einer der angebotenen Beschichtungsmaschinen, auf nahezu jedes Grundmaterial medizinischer Instrumente aufgebracht ­werden.

Die Beschichtungen beinhalten ein hydrogelbilden­des Polymer sowie eine photoreaktive ­Verbindung. Als Lösungsmittel wird Isopropyl verwendet. Durch die Behandlung mit UV-Licht eines bestimmten Spektrums wird die photoaktive Verbindung aktiviert und eine Quervernetzung des Polymers veranlasst, sodass dieses zu einem wasserbindenden Hydrogel wird. Gleichzeitig wird die Beschichtung an die Instrumentenoberfläche gebunden.

Das Unternehmen führte mit dem Harland FTS Friction Test System (Abschnitt 3) bei der Lubricent®UV-Beschichtung einen Reibungstest durch, dessen Ergebnisse in Abbildung 57 dargestellt sind.

Abb. 57: Ergebnisse eines Reibungstests mit Lubricent-Beschichtung [114]

 

Die Klemmkraft FK, mit der die beiden Backen das Probestück einklemmen, betrug hierbei 500 g. Das Diagramm zeigt die gemessene Zugkraft FZ, die nötig ist, um das Probestück durch die Klemmbacken zu ziehen. Dabei handelte es sich um ein mit Lubricent®UV-beschichtetes Probestück aus Pebax® 35D [18].

Neben dem Auftreten einer insgesamt sehr geringen notwendigen Zugkraft zeigt dieser Test, dass diese Kraft über zahlreiche Testzyklen hinweg konstant bleibt und nicht ansteigt. Das Reibverhalten dieser Beschichtung erfährt also auch über eine längere Anwendungszeit keine Verschlechterung, was gerade für Katheter in dauerhafter Anwendung von großer Bedeutung ist.

Das amerikanische Unternehmen AST Products, Inc., 1989 gegründet, ist ­spezialisiert auf die Herstellung von augenmedizinschen chirurgischen Instrumenten, entwickelt darüberhinaus aber auch Beschichtungen für medizinische Instrumente im neurovaskulären, kardiovaskulären und urologischen Bereich. Zu ihrem Sortiment gehört unter anderem die unter dem Namen LubriLASTTM lubricious coating vertriebene hydrophile Beschichtung. Diese Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie lediglich auf Wasser basiert und keine organischen Lösungsmittel enthält.

Ein stark quervernetztes Polymernetzwerk, das als Haftvermittler dient, ist kovalent an die Substratoberfläche gebunden. Die Beschichtung enthält ein langes, kettenförmiges, biokompatibles, hydrophiles Polymer. Ein Teil dieses Polymers ist mit dem unterstützenden Polymernetzwerk verflochten. Der andere, an der Substratoberfläche freiliegende Teil des Polymers, ist nun in der Lage, Wassermoleküle zu binden und so einen Wasserfilm auf der Substratoberfläche zu erzeugen. Diese Beschichtung kann über ein einfaches Tauchbeschichtungsverfahren aufgebracht und durch einen Niedertemperatur-Härteprozess nachbehandelt werden.

5 Fazit

Die Bedeutung der Behandlung mittels Katheter und Führungsdraht wird, gerade im Zuge der immer häufiger angewandten minimalinvasiven Behandlungen, zunehmend größer. Bereits heute gibt es ein großes Spektrum an Anwendungsbereichen für Katheter und Führungsdrähte. Da es sich bei der Katheterisierung um eine häufig genutzte Behandlungsart handelt, ist es wichtig und sinnvoll, dafür zu sorgen, dass die Behandlung so zielführend und angenehm wie möglich, sowohl für Patient als auch für die behandelnde Person, durchgeführt werden kann. Ein Aspekt, der die Erfolgschance und das Wohlbefinden während der Behandlung beeinflusst, ist eben die beim Ein- und Ausführen des Instrumentes auftretende Reibung. Diese führt im Wesentlichen zu zwei Problemen:

  • Die behandelnde Person verliert durch aufgrund der Reibung auftretende ruckartige Bewegungen das Gefühl für die Bewegung des Instrumentes. Dadurch ist ein zielsicheres Treffen der zu behandelnden Stelle erschwert. Dies kann zum Misserfolg der Behandlung oder gar zu Verletzungen des Patienten führen.
  • Die Reibung wird vom Patienten als unangenehm und schmerzhaft empfunden und kann bei länger liegenden Kathetern zu zusätzlichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen.

Aus der Analyse dieser Reibung ergeben sich im Wesentlichen drei Aspekte, die bei der Entwicklung einer Lösung zur Reibungsverminderung berücksichtigt werden müssen. Zunächst entsteht eine gewisse äußere Reibung zum einen zwischen Instrument und Gewebe, also beispielsweise der Gefäßwand oder der Wand der Harnröhre und zum anderen zwischen den einzelnen zusammenarbeitenden Instrumenten. Darüber hinaus muss, vor allem in den Blutgefäßen, die innere Reibung der Flüssigkeit, in diesem Falle des Blutes, überwunden werden. Alle drei Aspekte beruhen letztlich auf chemischen Wechselwirkungen zwischen den Oberflächenmolekülen der sich berührenden Substanzen. Die Oberflächen von Kathetern und Führungsdrähten sollten möglichst so beschaffen sein, dass alle drei Aspekte nur in geringem Maße auftreten. Da die Oberflächen der Katheter und Führungsdrähte dies jedoch von sich aus nicht gewährleisten können, ist eine entsprechende Oberflächenbearbeitung notwendig.

Nach ausführlicher Analyse der Entstehung der eben beschriebenen Reibung lässt sich abschließend zusammenfassen, dass das momentan angewandte und auch sehr zielführende Konzept zur Reibungsverminderung bei Kathetern und Führungsdrähten im Aufbringen von hydrophoben und hydrophilen Polymerbeschichtungen besteht. Das Aufbringen der Beschichtung kann entweder durch Plasmapolymerisation oder auch durch einfache Prozesse wie Tauch-, Spritz- oder Reel-to-Reel-Beschichtungsverfahren erfolgen. Hydrophobe Beschichtungen kommen überall dort zum Einsatz, wo es im Wesentlichen um Reibung zwischen Material und Material geht, also hauptsächlich bei den Führungsdrähten und Innenseiten der Führungskatheter, hydrophile Beschichtungen dagegen kommen dort zum Einsatz, wo die Reibung zwischen Material und Gewebe im Vordergrund steht, also hauptsächlich an den Außenseiten der Katheter. Die Funktionsweise hydrophober und hydrophiler Beschichtungen ist zwar sehr verschieden, dennoch führen beide zu einer deutlichen Reibungsverminderung.

Eine Oberfläche wirkt dann hydrophob, wenn die Oberflächenenergie des Festkörpers kleiner ist als die Oberflächenspannung der auftreffenden Flüssigkeit. Hydrophobe Beschichtungen müssen daher in ihrer Molekülstruktur so beschaffen sein, dass sie eine geringe Oberflächenenergie haben. Eine Folge der geringen Oberflächenenergie ist die Tatsache, dass solche Beschichtungen sehr reaktionsträge sind und mit anderen Molekülen kaum Verbindungen eingehen können. Wie genau es dabei zu dieser Reaktionsträgheit kommt, hängt vom verwendeten Polymer ab. Im Zuge der Reaktionsträgheit tritt bei hydrophoben Beschichtungen die gewünschte Antihaft-Wirkung ein. Die Instrumente bleiben weder am Gewebe noch an anderen gleichzeitig genutzten Instrumenten haften, da es kaum chemische Wechselwirkungen zwischen den jeweiligen Oberflächen gibt. Dadurch werden die äußere Reibung zwischen Material und Material, aber auch zwischen Material und Gewebe reduziert und ruckartige Bewegungen verhindert. Gleichzeitig sorgt die hydrophobe Eigenschaft dafür, dass Flüssigkeiten, wie beispielsweise das Blut in den Gefäßen, tropfenartig abperlen, wodurch der Einfluss der inneren Reibung des Blutes ebenfalls reduziert wird. Hydrophobe Beschichtungen bestehen meistens aus PTFE, FEP oder PDMS.

Hydrophile Beschichtungen müssen in ihrer Molekülstruktur so beschaffen sein, dass sie eine möglichst große Oberflächenenergie haben. Allgemein wird diese Eigenschaft durch die Verwendung von hydrophilen Polymeren erreicht, die über spezielle funktionelle Gruppen verfügen, die ihnen eine Verbindung mit den Wassermolekülen der auftreffenden Flüssigkeit ermöglichen. Die genaue Zusammensetzung hydrophiler Beschichtungen ist sehr komplex. Sie können aus nur einem hydrophilen Polymer oder aus einer Kombination mehrerer hydrophiler Polymere bestehen, sowie weitere zusätzliche Komponenten enthalten. Darüber hinaus können sie entweder auf Wasser oder auf einem organischen Lösungsmittel beruhen. Es gibt zahlreiche Anbieter, deren hydrophile Beschichtungen sich eben in dieser exakten Zusammensetzung unterscheiden und daher auch über unterschiedliche spezifische Eigenschaften verfügen und somit für jeweils andere Anwendungen optimal geeignet sind. Die hydrophile Wirkung, die bei all diesen Beschichtungen vorhanden ist, sorgt schließlich dafür, dass sich auf der Oberfläche des Instruments ein gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm bildet, der wie ein Gleitfilm zwischen Instrument und Gewebe wirkt. Zum einen reduziert dieser Flüssigkeitsfilm in hohem Maße die Reibung in allen drei Aspekten und zum anderen schützt er das Gewebe vor Verletzungen. Ein weiterer positiver Aspekt hydrophiler Beschichtungen ist die Tatsache, dass der gesamte Katheterisierungsprozess von den Patienten als wesentlich angenehmer empfunden wird.

Mit hydrophilen Beschichtungen kann die Reibung stärker reduziert werden als mit hydrophoben Beschichtungen. Der notwendige Flüssigkeitsfilm bildet sich jedoch erst bei ausreichendem Kontakt mit Wasser. Bei Blasenkathetern ist daher vor Nutzung des Katheters eine Aktivierung der hydrophilen Beschichtung notwendig.

Schlussendlich kann mit hydrophoben und hydrophilen Beschichtungen die Reibung deutlich reduziert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionsweise sind beide Arten für jeweils andere Anwendungen optimal geeignet.

Ein generelles Problem von Beschichtungen ist die Tatsache, dass sie meist nur gegen einen Aspekt wirklich wirksam sind. Katheter und Führungsdrähte sind invasive medizinische Produkte, die als Fremdkörper im Körperinneren fungieren. Sie stellen grundsätzlich eine Gefahr für den Patienten dar und können unter Umständen zu gravierenden gesundheitlichen Schädigungen führen. Daher ist die möglichst geringe Reibung nur eine von vielen Anforderungen, die an sie gestellt werden. Sie müssen zudem biokompatibel sowie hämokompatibel sein und sollten möglichst antithrombogen und antibakteriell wirken. Eine Beschichtung zu entwickeln, die all diese Eigenschaften vereint, ist sehr schwierig. Eine Beschichtung, die eine dieser Anforderungen sehr gut erfüllt, weist oftmals in Bezug auf einen anderen Aspekt eher schlechte Werte auf. Ein allgemeiner qualitativer Vergleich der verschiedenen auf dem Markt erhältlichen hydrophoben und hydrophilen Beschichtungen ist daher auch nur schwer durchzuführen. So bietet beispielsweise eine Beschichtung mit etwas höherem Reibungskoeffizienten eventuell ein geringeres Infektionsrisiko. Die Auswahl der richtigen Beschichtung sollte daher immer anwendungsorientiert und vor allem auch patientenorientiert erfolgen. Die gesamte gesundheitliche Verfassung des Patienten muss bei der Wahl der richtigen Katheterbeschichtung auf jeden Fall mit berücksichtigt werden.

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