Der letzte Schritt ist der Wichtigste

Entwicklung und Aufbereitung von Medizinprodukten

  • Abb. 1: Sterilisation von individualisierten Medizinprodukten durch beschleunigte Elektronen. Die Produktführung und der Prozess werden an die speziellen Bedürfnisse des sensiblen Produktes individuell angepasst.Abb. 1: Sterilisation von individualisierten Medizinprodukten durch beschleunigte Elektronen. Die Produktführung und der Prozess werden an die speziellen Bedürfnisse des sensiblen Produktes individuell angepasst.
  • Abb. 1: Sterilisation von individualisierten Medizinprodukten durch beschleunigte Elektronen. Die Produktführung und der Prozess werden an die speziellen Bedürfnisse des sensiblen Produktes individuell angepasst.
  • Abb. 2: Biokompatibilitätstests an Elektronen behandelten (10-100 kGy) und UV-vernetzten Elastomeren. Die vernetzten Proben wurden für 72h in Zellkulturmedium bei 37°C und 5% CO2 extrahiert. Die Extrakte wurden auf vorkultivierte Zellen (NHDF, Passage 6, 4d Vorkultur, 90 % Konfluenz) gegeben und für 24h inkubiert. Anschließend Resazurintest zur Stoffwechselanalyse (und Lichtmikroskopie zur Bewertung der Morphologie). Blanks, sowie Positiv- und Negativ (10 % DMSO) -kontrollen wurden mitgeführt. Die Positivkontrolle wurde auf 100 % normiert, alle anderen Proben in Referenz dazu.

Die Entwicklung neuer Medizinprodukte setzt in vielen Einsatzbereichen auf die Nutzung von Hightech Strategien. Dies reicht von spezialisierten Sensoren und Mikrochips bis hin zu hochfunktionalisierten Oberflächen und Materialien, die auf spezielle Art und Weise mit dem umgebenden Körpergewebe interagieren. Die Aufbereitung solcher Medizinprodukte wird immer öfter zur Herausforderung in der Medizintechnik.

Kunststoffe sind aus der Medizintechnik (MT) nicht mehr wegzudenken und kommen auf vielfältige Weise zum Einsatz. Sie sind durch die Wahl der zugrundeliegenden Polymere in ihrer Charakteristik und Anwendung äußerst vielseitig, ihre Nutzung erstreckt sich über Anwendungen als Verpackung, medizinische Instrumente wie Katheter bis hin zu Gewebeersatzmaterialien und Implantaten. Dabei wird zwischen synthetischen und natürlichen Polymeren unterschieden, zu denen beispielsweise auch Kollagen-basierte Gewebestrukturen wie Bänder, Sehnen oder Herzklappen zählen.

Klassifizierung von Medizinprodukten

Medizinprodukte (MP) sind für den Einsatz am bzw. im Menschen gedacht. In beiden Fällen müssen hohe Standards hinsichtlich der Aufbereitung eingehalten werden. Dieses Thema umspannt die Punkte einer qualitätsgesicherten und nachvollziehbaren Herstellungskette und reicht über Reinigung und Desinfektion bis hin zur Sterilisation, welche als terminaler Aufbereitungsschritt in Deutschland für MP verpflichtend ist. Normative Regelungen, Richtlinien sowie das Medizinproduktgesetzt regeln die Form der Aufbereitung, wobei Einsatzgebiet und -dauer des MP maßgebend sind.

Aufbereitung / Sterilisation von MP

Für die terminale Sterilisation von Medizinprodukten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Zu den traditionellen Sterilisationsverfahren zählen beispielsweise die Heißdampfsterilisation, die Ethylenoxidbegasung oder die Behandlung mit ionisierender Strahlung (Gammabehandlung, hochenergetische Elektronenbehandlung). Der Zeitaufwand für die Sterilisation mit feuchter Hitze ist verhältnismäßig gering, jedoch eignet sich die Methode ausschließlich für temperaturstabile Materialien. Die chemische Sterilisation mit Ethylenoxid oder die Gammabehandlung sind hingegen deutlich zeitaufwendiger.

Ethylenoxid muss nach der Behandlung ausgegast werden, um zu verhindern, dass Rückstände des toxischen Stoffes mit dem Patienten in Berührung kommen. Zusätzlich kann Ethylenoxid Oberflächeneigenschaften verändern oder biologische Beschichtungen zerstören. Die Gammabehandlung ist ebenfalls zeitaufwendig und wird aufgrund der Abschirmungsmaßnahmen ausschließlich in externen Dienstleistungszentren angeboten. Die Produkte sind während der Gammasterilisation sehr lange der radikalischen Prozessumgebung ausgesetzt. Dies kann zu enormen Veränderungen der Produkteigenschaften führen. Ergänzend zur Gammabehandlung ist die Sterilisation mit hochenergetischen Elektronen im MeV-Bereich zu nennen. Auch hier sind enorme Abschirmungen notwendig, was den Prozess zu einer logistischen Herausforderung macht. Zudem ist der hohe Energieeintrag in die MP ebenfalls nachteilig hinsichtlich Funktionalität und Erhalt der Produkteigenschaften. Ebenfalls strahlenbasiert, aber deutlich schneller und damit schonender ist die Sterilisation mit niederenergetischen Elektronen. Die Abschirmungsmaßnahmen sind im Vergleich zur Hochenergie verschwindend gering, sodass die Methode auch vor Ort bzw. inline nutzbar ist. Bei dieser Methode kann die Eindringtiefe präzise eingestellt werden, sodass nur die relevante Produktoberfläche der Strahlung ausgesetzt wird. Zusätzlich tragen Prozesszeiten von wenigen Sekunden dazu bei, dass die Materialeigenschaftendurch den Sterilisationsprozess nicht beeinträchtigt werden und die sterilen Produkte kurzfristig zur Verfügung stehen.

Herausforderungen und neue Perspektiven

Die Entwicklung des 3D-Druckes hat in den vergangenen Jahren enorm an Fahrt aufgenommen. Im Rahmen der medizintechnischen Anwendungen wird der 3D-Druck auf Forschungsebene bereits genutzt, um Zellen oder Bakterien in Form von gedruckten Bioreaktoren zu immobilisieren. Auch das Beschichten und Verdrucken von biologischen Bestandteilen ist Stand der Forschung. All diese Arbeiten bieten neue, nie dagewesene Lösungen für den Einsatz am Patienten. Zuvor sehen sie sich jedoch mit der Hürde der Sterilisation konfrontiert. Eine äußerst schonende Aufbereitung ist hier unumgänglich. Vor allem durch die schnellen Prozesszeiten und die regulierbare Eindringtiefe, stellt die niederenergetischen Elektronenbehandlung einen sinnvollen Lösungsansatz dar. Auch verkapselte Mikrochips oder implantierbare Sensoren sind mit dieser Sterilisationsmethode schonend aufzubereiten und erleiden keinen Funktionsverlust aufgrund hoher Temperaturen oder Feuchtigkeit.

Machbarkeitsstudie

Am Beispiel des Herzklappenersatzes konnte gezeigt werden, dass die Nachteile der bisherigen Materialaufbereitung von Spenderperikardien (Herzbeutel aus kollagenhaltigem Gewebe) wie übermäßige Vernetzung, d.h. Steifigkeit und Langzeitverkalkung signifikant reduziert werden können, wenn die Aufbereitung des Materials mit einer angepassten Methode zur Stabilisierung und anschließender Sterilisation mit niederenergetischen Elektronen erfolgt [1].

Die vernetzende Wirkung der niederenergetischen Elektronen kann auch für Polymere genutzt und parameterabhängig gezielt eingestellt werden (Abb.1). Somit können Elastomere anders als bisher nicht mit Photoinitiatoren und UV-Belichtung, sondern durch direkte Elektronenbehandlung vernetzt werden. In einer Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass sich so die Biokompatibilität dosisabhängig steigern lässt und Elastomere damit frei von toxischen Photoinitiatoren vernetzt werden (Abb. 2). Gleichzeitig kann die sterilisierende Wirkung der Elektronen genutzt werden, um die Vernetzung und Aufbereitung des MP in einem Schritt durchzuführen.

Im Rahmen medizintechnischer Entwicklungsarbeiten wird das Thema Sterilisation sehr spät, d.h. am Ende der Produktentwicklung und damit unzureichend berücksichtigt. Neuentwicklungen werden oft mit enormer Kraft und finanziellem Aufwand vorangetrieben. Die fertigen MP können oft im letzten Schritt aufgrund von Inkompatibilität mit gängigen Sterilisationsverfahren nicht zielgerecht aufbereitet werden. Dann sind kosten- und
zeitaufwendige Umgestaltungen notwendig, damit das Produkt ordnungsgemäß sterilisiert werden kann und die Produkteigenschaften dadurch nicht verändert oder beeinträchtigt werden. Im FuE-Bereich der MT fehlt es an einer zentralen Anlaufstelle, um diesen Aspekt der Sterilisierbarkeit von Material- und Produktentwicklungen bereits zu Beginn der Entwicklungsarbeiten einfließen zu lassen und damit zielorientiert sowie zeit- und kosteneffizient neue medizintechnische Lösungen voranzutreiben. Aus diesem Grund möchte das Fraunhofer FEP die Gründung eines zentralen Clusters, welches sich mit dieser Fragestellung auseinandersetzt, unterstützen. Damit soll die Forschung sensibilisiert werden, die Sterilisierbarkeit von MP bereits im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen. Zeitgleich ergibt sich daraus die Möglichkeit für neue Sterilisationsverfahren, wie die niederenergetischen Elektronenbehandlung, abzugleichen für welche Produktpalette diese in Zukunft geeignet sind, bzw. welche zusätzlichen Herausforderungen durch Neuentwicklungen an die Sterilisationsverfahren gestellt werden.

Ausblick

Mit der Entwicklung neuartiger Hightech-MP stellen sich immer größere Herausforderungen an die Aufbereitung dieser. Gängige Sterilisationsmethoden sind in ihrer Anwendbarkeit begrenzt und jedes Produkt stellt spezifische Herausforderungen. Mit der Sensibilisierung für diese Fragestellung und durch den Aufbau einer zentralen Anlaufstelle, soll Sterilisationsdienstleistern und Medizinproduktentwicklern eine Möglichkeit gegeben werden, bestehende Verfahren und Neuentwicklungen zielgerichtet an den speziellen Bedarf anzupassen.
 

Autoren
Gaby Gotzmann1 und Ulla König1

Zugehörigkeit
1Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik, Bereich Medizinische und Biotechnologische Applikationen

 

Kontakt
Ines Schedwill

Head of Marketing
Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP
Dresden, Deutschland
Ines.Schedwill@fep.fraunhofer.de
www.fep.fraunhofer.de

Referenzen

[1] Walker et al., Stabilization and Sterilization of Pericardial Scaffolds by Ultraviolet and Low-Energy Electron Irradiation Tissue Engineering Part C: MethodsVol. 24, No. 12 (2018) DOI: 10.1089/ten.tec.2018.0285
[2] Gotzmann & Portillo Casado, Session 1: Additive Manufacturing: Experimental Evaluation of a Polymer Scaffold Platform for Tissue Engineering (2017) DOI: 10.1515/bmt-2017-6001

Kontaktieren

Fraunhofer Institute for Organic Electronics


Das könnte Sie auch interessieren

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.