Niederenergetischer Elektronenstrahl als multifunktionales Werkzeug für Antifouling-Beschichtungen

Medizintechnik 06. 11. 2022
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Mit der Elektronenstrahltechnologie können Oberflächen zuverlässig behandelt und funktionalisiert werden. Jetzt gelang am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP die Erzeugung von Antihaftbeschichtungen auf Kunststofffolien durch die Beaufschlagung mit niederenergetisch-beschleunigten Elektronen ohne Einsatz zusätzlicher chemischer Vernetzer.

Antifouling-Beschichtungen verhindern die Ansiedlung unerwünschter Organismen an Oberflächen. Dies ist besonders beim Schiffsbau nötig, aber auch bei medizinischen Geräten und Implantaten wichtig.

Die niederenergetische Elektronenstrahltechnologie (Ebeam) ist ein multifunktionales Werkzeug mit einem breiten Anwendungsspektrum, das gezielt zur Modifizierung von Oberflächen eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz der niederenergetischen Elek­tronenstrahltechnologie können Oberflächen entweder schonend desinfiziert beziehungsweise sterilisiert, Materialien durch Vernetzungsprozesse oberflächensensitiv gehärtet oder Oberflächeneigenschaften, wie Benetzbarkeit, effektiv moduliert werden. ­Innovative oberflächensensitive Funktionalisierungstechnologien garantieren den Erhalt der Materialeigenschaften, während gleichzeitig die Oberflächeneigenschaften angepasst werden können. Die Verwendung von geringen Beschleunigungsspannungen (< 300 keV; keV – Kilo-Elektronenvolt) bei niederenerge­tischen, nicht-thermischen Elektronenstrahlprozessen garantiert die sehr gute Materialverträglichkeit und einen nachhaltigen Materialerhalt.

Was kann ganz konkret bewirkt werden?

Wie Nic Gürtler, Doktorand im Bereich Medizinische und Biotechnologische Appli­kationen am Fraunhofer FEP erklärt, ist die Oberflächenfunktionalisierung mit beschleunigten Elektronen schnell und kommt ganz ohne umweltschädliche Chemie aus. Durch die niederenergetisch beschleunigten Elektronen könnten oberflächennah chemische Bindungen umstrukturiert, vernetzt, gebrochen oder neu gebildet werden. ­Träfen beschleunigte Elektronen auf eine Oberfläche, entstünden verschiedene reaktive ­Spezies wie Ionen und Radikale, die bei oberflächen­spezifischen Modifikationsprozessen eine wichtige Rolle spielen. Die atmosphärischen Umgebungsbedingungen während des Elektronenstrahlprozesses können nach Aussage von Gürtler individuell an das Material angepasst werden und beeinflussen so den gewünschten Grad der Funktionalisierung. Konkret konnten wir eine stabile, nicht-toxische Hydrogelbeschichtung auf hydrophoben Polyethylen (PE)- und Polyethylenterephthalat (PET)-Folien erreichen, so Nic Gürtler.

Das Ebeam-gestützte Beschichtungsverfah­ren Ebeam-Grafting (Pfropfung) bietet die Chance, Materialien mit selektiven Oberflä­chenfunktionen auszustatten, so dass je nach Anforderungsprofil biozide, ­biokompatible oder Antifouling-Eigenschaften erzielt werden können. Alle Prozessparameter des nicht thermischen Ebeam-induzierten Beschichtungsvorgangs können individuell überwacht und modular angepasst werden. Im Rahmen verschiedener Forschungsarbeiten am Fraunhofer FEP konnte das Ebeam-Grafting bereits als zweistufiges Beschichtungsverfahren erfolgreich zur Ausrüstung verschiedener hydrophober Kunststoffoberflächen mit Antifouling-Attributen etabliert werden.

Die nach dem Ebeam-Grafting zellabweisenden und proteinabweisenden Oberflächeneigenschaften können in technischen Branchen sowie speziell im Bereich der Biomaterialforschung als Ausgangspunkt für die Entwicklung von neuen medizinischen Geräten oder Implantaten genutzt werden, wo eine unkontrollierte Biofilmbildung verhindert werden soll. Diese Ebeam-Funktionalisierungsprozesse können beispielsweise in der Dentalmedizin helfen, Zahnimplantate zu optimieren.

Die niederenergetische Elektronenstrahltechnologie und damit auch das Ebeam-
Grafting ist inline-fähig, das heißt, einfach in industrielle Prozesse kundenspezifisch integrierbar. Um beispielsweise eine Modifizierung von großen flexiblen Flächen wie bei Verpackungen zu realisieren, kann die Technologie auch in Rolle-zu-Rolle-Anlagen implementiert werden.

Nach den Worten von Dr. Ulla König, ­Leite­rin des Bereichs Medizinische und Biotechnologische Applikationen, ist eine der Kernkompetenzen des Fraunhofer FEP die Ent­wicklung von speziellen niederenergetischen Elektronenstrahlquellen und -systemen für ein breites Anwendungsspektrum. Der Arbeitsschwerpunkt konzentriere sich auf die technologische Entwicklung individueller kundenspezifischer Anlagenkonzepte.

Text zum Titelbild: Kunststofffolie mit stabiler Antihaftbeschichtung, hergestellt nach dem zweistufigen niederenergetischen Ebeam-induzierten Beschichtungsverfahren Ebeam-Grafting (© Fraunhofer FEP)

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