Atmosphärendruckplasma in der Medizintechnik – Teil 3

4 Plasmaanwendungen an Oberflächen

Plasma zur Vorbehandlung und Beschichtung von Oberflächen ist schon seit vielen Jahren im Einsatz. Mit Plasma können Oberflächen gereinigt werden, ihre Oberflächenspannung erhöht sowie zahlreiche funktionelle Beschichtungen hergestellt werden, insbesondere auch solche, die für die Medizintechnik von Interesse sind. Ein weiterer Einsatzbereich für Plasma ist die Sterilisation. Durch seine diversen aktiven Komponenten ist Plasma in der Lage, verschiedenste Mikroorganismen abzutöten.

Sowohl für die Vorbehandlung und Beschichtung von Oberflächen als auch für die Sterilisation werden bislang vorwiegend Niederdruckplasmen verwendet. Durch die Entwicklung diverser geeigneter Quellen für Atmosphärendruckplasma ist es vorstellbar, einige Anwendungen in den Normaldruckbereich zu verlagern. Hierdurch ergeben sich neue Möglichkeiten für sehr spezielle Anwendungen. In den folgenden Kapiteln wird ein kurzer Überblick über die Anwendung von Atmosphärendruckplasma zur Reinigung und Aktivierung von Oberflächen sowie zur Herstellung von verschiedenen medizinisch relevanten Beschichtungen mithilfe von Plasmapolymerisation gegeben. Auch die Wirkungsweise und die Einsatzmöglichkeiten von Plasma zur Sterilisation werden erläutert.

4.1 Reinigung und Aktivierung

In der Medizintechnik wie auch in vielen anderen Bereichen werden unterschiedliche Materialien zur Erfüllung bestimmter­ Funktionen kombiniert. Einzelne Teile aus Kunststoff, Metall, Glas oder Keramik müssen miteinander verbunden werden. Hierbei sind gerade in der Medizintechnik hohe Qualitätsanforderungen hinsichtlich Sauberkeit, Sterilität, Dichtigkeit, Zuverlässigkeit, Belastbarkeit, Haltbarkeit und Biokompatibilität zu erfüllen. Zudem müssen diverse Behälter und Hilfsmittel zuverlässig und dauerhaft lesbar beschriftet werden. Das Ergebnis eines Klebe-, Druck-, Anspritz- oder Beschichtungsprozesses kann jedoch nur dann optimal sein, wenn einwandfreie Bauteiloberflächen zur Verfügung stehen. Das heißt die Werkstücke müssen zuvor sorgfältig gereinigt und/oder aktiviert ­werden.

4.1.1 Reinigung

Zunächst muss die Oberfläche beispielsweise von Staub, Produktionshilfsmitteln, Abgasen oder Abrieb von Transportzwischenlagen gereinigt werden. Je nach Materialart stehen diverse Verfahren zur Verfügung. Hierzu zählen im Bereich der Medizintechnik neben nasschemischen Verfahren das Micro-Cleaning mittels Schwertbürsten sowie die Reinigung mit Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneisgranulat, das fest anhaftende Verschmutzungen versprödet und abträgt. Eine Möglichkeit zur Entfernung von weniger fest anhaftenden Verschmutzungen bietet darüber hinaus die Ionisation. Die von Ionisatoren erzeugten Ionen (kein Plasma) treffen auf die Oberfläche und neutralisieren vorhandene elektrostatische Ladungen, sodass anschließend die dann nur noch lose aufliegenden Partikel abgesaugt werden können [58].

Die Plasmareinigung als weiteres Verfahren kann mit Niederdruckplasmen, aber auch mit Atmosphärenplasmaquellen wie Openair von Plasmatreat vorgenommen werden. Die hierbei erzielte Reinigungswirkung beruht auf einer physikalischen und einer chemischen Komponente. Bei der physikalischen Wirkung werden durch das Auftreffen von Ionen auf das Substrat die Verunreinigungen durch Stoßprozesse weggeschossen. Als chemische Wirkung erfolgt durch die reaktiven Plasmabestandteile ein Aufbrechen der Verunreinigungen in ihrer­ Struktur. Je nach Gasgemisch wirkt das Plasma hierbei oxidierend oder reduzierend. Enthält ein Plasma etwa angeregten Sauerstoff und Sauerstoffionen, so können diese mit Kohlenwasserstoffen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren. Mit oxidierenden Plasmen lassen sich somit insbesondere organische Verunreinigungen entfernen. Reduzierende Plasmen sind hingegen eher zum Abtragen von anorganischen Ablagerungen geeignet [59].

4.1.2 Aktivierung

Vor dem Verkleben, Umspritzen oder Bedrucken von Bauteilen ist in der Regel ein Aktivieren der Oberfläche beziehungs­weise auch eines Oberflächenbereichs (z. B. beim partiellen Bedrucken) erforderlich. Ziel ist es, die Oberflächenspannung so anzupassen, dass eine optimale Benetzbarkeit mit der aufzubringenden Flüssigkeit (z. B. Druckfarbe oder Klebestoff) möglich ist.

Hierbei ist zu beachten, dass jede Oberfläche, ob fest oder flüssig, eine bestimmte Oberflächenspannung hat. Wasser zum Beispiel ist aufgrund seiner Wasserstoffbrückenbindungen polar. Im Inneren heben sich die Anziehungskräfte insgesamt auf, da sie von allen Seiten gleichermaßen wirken. An der Oberfläche jedoch werden Teilchen einseitig nach innen gezogen. Um Moleküle an die Oberfläche zu bringen, muss folglich Arbeit verrichtet werden; die dort befindlichen Moleküle haben eine potenzielle Energie, die sogenannte Oberflächen­energie. Um den energieärmsten Zustand zu erreichen, neigt Wasser zur Bildung einer Ansammlung von Molekülen mit einer möglichst kleinen Oberfläche. Damit entsteht eine Kugel, da sich hierbei die kleinste Anzahl an Teilchen außen (d.h. an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft) befindet. Die Oberflächenspannung, das heißt der Quotient aus der zur Oberflächenvergrößerung nötigen Arbeit (dW) und der Oberflächenvergrößerung (dA), ist hierbei hoch [60].

Damit eine Oberfläche gut benetzbar ist, muss ihre Oberflächenspannung größer sein, als die der Flüssigkeit. Kunststoffe haben meist eine geringe Oberflächenspannung (häufig kleiner als 28 mN/m). Diese muss deutlich erhöht werden, um ein optimales Verkleben, Bedrucken oder Beschichten zu ermöglichen. Zum Bedrucken mit Lösungsmittelfarben werden beispielsweise Oberflächenspannungen über 40 mN/m benötigt, für UV-trocknende Systeme über 56 mN/m und für wasserbasierte Farb­systeme mehr als 72 mN/m [61].

Eine wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang ist auch der Kontaktwinkel, also der Winkel, den ein aufliegender Flüssigkeitstropfen zur Festkörperoberfläche bildet (Abb. 55). Zur Bestimmung der Oberflächenspannung eines Materials können Testtinten mit bekannten Oberflächenspannungen verwendet werden (Abb. 56) oder der Kontaktwinkel mit verschiedenen anderen Verfahren gemessen werden [61].

Um Oberflächen zu aktivieren, können unterschiedliche Verfahren verwendet werden. Die Eignung eines Verfahrens hängt vom Ausgangsmaterial ab. Verfahren wie beispielsweise die Beflammung, die Korona­behandlung oder die Fluorierung weisen unterschiedliche Nachteile auf: So ist die Beflammung für temperaturempfind­liche Materialien nicht geeignet; die Korona­behandlung ist durch die Spannungsübertragung für elektronische Bauteile weniger geeignet und kann eine Schädigung der Oberfläche bewirken. Die Fluorierung erfolgt in einer Gaskammer und ist nicht ­inline-fähig. Eine vielfältig einsetzbare Aktivierungsmethode ist die Behandlung mit Plasma, sowohl mit Niederdruck- als auch mit Atmosphärendruckplasma [40, 63]. Wird eine Plasmajet-Quelle verwendet, so kann eine partielle oder vollflächige Behandlung von Oberflächen auch inline erfolgen, das heißt die Aktivierung lässt sich gut und mit überschaubaren Investitionskosten in die Produktionsabläufe integrieren [40, 64]. Als Aktivierungsverfahren mit Atmosphärendruckplasma kommt beispielsweise eine dielektrisch behinderte Entladung [65, 66] in Betracht.

4.1.3 Wirkungsweise der Plasmaaktivierung

Die Wirkungsweise der Aktivierung kann anhand der Plasmajet-Quelle Openair von Plasmatreat (Abb. 57) erläutert werden. Die industriell bereits gut etablierte Technologie arbeitet mit Lichtbogenentladungen im Inneren des Geräts; das Plasma wird durch einen entsprechenden Gasstrom (in der Regel Luft als Prozessgas) ausgetrieben und erreicht je nach Konfiguration Temperaturen zwischen 300 °C und 1500 °C. Dennoch beträgt die Erwärmung von Kunststoff­oberflächen bei der Behandlung nur wenige Grad (ΔT < 30 °C) [40, 41].

Verschiedene Forschergruppen haben Versuche mit der Openair-Technik beziehungsweise mit Vorläufermodellen von Plasma­treat durchgeführt. Behandelt wurden Polyethylen (PE) [64], Polypropylen (PP) [68], Polystyrol (PS), Polycarbonat (PC) [67] sowie Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid (PA6) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Auch Metalle wie Aluminium, Edelstahl und Kupfer wurden mit dem Plasmajet bearbeitet [69, 70]. Die Wirkungsweise der Plasmaaktivierung beruht bei diesen Werkstoffen auf den oxidierenden Eigenschaften des Plasmas. Sowohl bei Kunststoff als auch bei Metall wird die Oberflächenspannung erhöht, wobei dies auf unterschiedliche ­Effekte zurückgeführt werden kann.

Bei Kunststoffen initiieren die energiereichen Plasmaspezies chemische Reaktionen, bei denen Sauerstoff und Stickstoff, die beiden Hauptkomponenten des Prozessgases Luft, in die Oberfläche eingebaut werden [64]. XPS-Analysen (Röntgenphotoelektronenspektroskopie) der Oberfläche zeigen nach der Plasmabehandlung zusätzliche Banden (Abb. 58), die sich bestimmten chemischen Gruppen zuordnen lassen. Diese Hydroxy-, Carbonyl-, Carboxy- und Ethergruppen sowie NOx-Verbindungen gehen mit Klebstoffen und Lacken chemische Bindungen ein, sodass eine starke Haftung erreicht werden kann [40]. Tiefere­ Schichten bleiben hiervon unbeeinflusst. Die Oberflächenrauheit wird nicht wesentlich verändert, sodass sie für die verbesserte Haftung nur eine untergeordnete Rolle spielt [63, 64].

Bei Metallen bewirkt bereits die intensive Reinigung durch das Plasma eine Verbesserung der Haftung. Je nach Intensität der Plasmabehandlung kann darüber hinaus auch die Oxidstruktur des Metalls beeinflusst werden [40, 70].

Die Intensität der Plasmabehandlung und der resultierende Effekt auf das Material sind von bestimmten Parametern abhängig. Hierzu zählt unter anderem die Plasma ­Cycle Time, also das Puls-Pause-Verhältnis der Zündungen an der Plasmadüse [67]. Ganz entscheidend sind außerdem der Abstand zwischen Düse und Substrat sowie die Geschwindigkeit, mit der die Plasmaquelle über die Oberfläche bewegt wird [40, 68]. Dies ist auch aus Abbildung 59 ersichtlich. Für das Openair-System stehen darüber ­hinaus verschiedene Düsen zur Verfügung, die das Plasma auf kleinere oder größere Bereiche verteilen und so ebenfalls die Intensität beeinflussen [40]. Für die jeweilige Anwendung müssen die optimalen Prozessparameter ausgewählt werden.

Zwar ist eine Lagerung der behandelten Materialien über gewisse Zeiträume – im Fall der Aktivierung mit Openair bis zu einigen Wochen – möglich. Die aktivierende­ Wirkung der Plasmabehandlung ist jedoch nicht langzeitbeständig. Dies könnte auf eine molekulare Umorientierung von Poly­merketten an der Oberfläche, auf Diffusionsvorgänge aus dem Materialinneren sowie auf die Adsorption von Molekülen aus der Umgebungsluft zurückzuführen sein [40].

4.1.4 Anwendungsbeispiele aus der Medizintechnik

In der Medizintechnik bieten sich vielfältige­ Anwendungsmöglichkeiten für die Aktivierung mit Plasma, insbesondere aufgrund der Forderung, vielfältige Werkstoffe sicher und zuverlässig zu kombinieren oder hohe Standzeiten und Zuverlässigkeiten zu gewährleisten. Durch eine Plasmaaktivierung sind diese Aufgaben sehr viel besser oder in einigen Fällen überhaupt erst realisierbar. Zudem werden hierdurch sehr viele Materialkombinationen erst realisierbar, sodass in der Medizintechnik bewährte Standardwerkstoffe vielfältig eingesetzt und verbunden werden können. Hinzu kommt, dass Plasmajet-Systeme sehr flexibel in Produktionsabläufe integriert werden können und so auch die Reinraumfertigung erleichtert wird [40]. Im Nachfolgenden werden einige Anwendungsbeispiele unter Einsatz der Openair-Technik genannt.

Die Openair-Technologie wird in der Industrie beispielsweise bei der Herstellung von Injektionsspritzen verwendet. Der Spritzen­körper aus Polypropylen wird hier vor dem Einkleben der Edelstahlnadel mit Plasma behandelt; dadurch wird eine optimale Verklebung gewährleistet (Abb. 60). Die Plasmatechnik wird zudem eingesetzt, um einen einwandfreien, kratzfesten Druck auf Polyolefinen zu ermöglichen, zum Beispiel auf Spritzenkolben (Abb. 61). Ebenso wird eine Plasmavorbehandlung vor dem Verkleben und Anspritzen von Schläuchen und Kanülen durchgeführt [40].

Auch in der Herstellung von Blutfiltern und Oxygenatoren für Herzlungenmaschinen kommt Openair zum Einsatz. Die Membra­nen bestehen hierbei aus Hohlfasern. Sie werden an der Verbundstelle, an welcher der Verguss mit den Filterendscheiben stattfindet, mit Plasma aktiviert, sodass eine sichere Einbettung in das Gehäuse gewährleistet ist. Eine weitere Kombination aus Plasmabehandlung und 2-Komponenten-Spritzguss findet sich auch an anderer Stelle in der Herzlungenmaschine. Das Unternehmen Gira Kunststofftechnik stellt ­Fittings für den Einsatz an Oxygenatoren der Herzlungenmaschine her (Abb. 62). Diese enthalten ein Metallinsert, das die Bluttemperatur misst. Das Metallteil wird mit Polycarbonat (PC) umspritzt. Um eine feste, dichte und darüber hinaus biokompatible Verbindung zu erreichen, erfolgt davor eine Plasmaaktivierung [40].

Darüber hinaus kann die Plasmaaktivierung­ auch in komplexen Funktionalisierungs- und Beschichtungsvorgängen einen Zwischenschritt bilden, der die weitere Bearbeitung ermöglicht. In medizintechnischen Forschungsarbeiten wurde Openair zudem zur Aktivierung verwendet; so beispielsweise in einer Arbeit zur Schaffung von biokompatiblen Oberflächen bei Oxygenatoren. Ziel war es, die Thrombogenität von Hohlfasermembranen aus Polymethylpenten (PMP) zu reduzieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Anbindung von Endothelzellen. Hierzu wurde die Membran durch ein zyklisches Peptid, das die RGD-Aminosäuresequenz enthält, funktionalisiert. Die RGD-Sequenz ermöglicht die Adhäsion der Zellen durch deren Anbindung mithilfe ihrer Adhäsionsproteine. Aufgrund der hydrophoben PMP-Oberfläche bereitet das Aufbringen eines für die RGD-Sequenz notwendigen Spacer Schwierigkeiten. Eine Plasmaaktivierung mit Openair ermöglichte die Bindung [72, 73].

4.2 Funktionelle Schichten durch Plasmapolymerisation

In der Medizintechnik gibt es eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für die unterschiedlichsten Schichten. Besonders interessant ist hier die Abscheidung dünner Schichten durch die sogenannte Plasma­polymerisation. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Form der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD). Gas- oder dampfförmige Ausgangsstoffe, die als Precursoren (oder auch Präkursoren) bezeichnet werden, werden durch Plasmaeinwirkung in Bruchstücke aufgespalten [74]. Diese Fragmente reagieren miteinander, bilden Oligomere, die wachsen und auf dem Substrat adsorbiert werden. Dort können sie mit weiteren Fragmenten reagieren und eine hochvernetzte Polymerschicht bilden. Auch Atome aus den in der Umgebung vorhandenen Gasen können eingebaut werden, sodass weitere funktionelle Gruppen entstehen [75]. In einigen Fällen finden auch noch eine gewisse Zeit nach dem Beschichtungsvorgang weitere Reaktionen statt, sodass es zu einer Nachvernetzung kommt [40].

Zu beachten ist zum einen, dass als Ausgangsstoffe Moleküle verwendet werden können, die normalerweise keine Polymere bilden [74]. Zum anderen unterscheidet sich die Struktur der entstehenden Makromoleküle von norma­len Polymerisationsvorgängen, da sich keine­ ­linearen Ketten bilden, sondern eine eher chaotische Struktur mit kurzen willkürlich verzweigten Ketten (Abb. 63) [76].

Ein für viele Bereiche interessanter und bereits vielfach verwendeter Beschichtungsprozess ist die Bildung von vernetzten Schichten aus Siliziumoxid (SiOx) oder Siliziumoxid mit Kohlenstoff (SiOx-C). Ausgangsstoffe für diese Schichten sind diverse sili­ziumorganische Verbindungen [74], also Verbindungen, die Silizium und mindestens eine organische Gruppe (z. B. CH₃) enthalten. Hierfür kommen insbesondere Siloxane in Frage. Sie bestehen aus Ketten, in denen sich Sauerstoff und Siliziumatome abwechseln. An diese sind Wasserstoffatome oder auch Kohlenwasserstoffgruppen angehängt [77]. Siloxan-Monomere bieten viele mögliche Reaktanten für Plasmapolymerisationsreaktionen und sind bei Raumtemperatur meist ausreichend volatil, ungiftig, nicht entflammbar, kommerziell verfügbar und relativ kostengünstig. Zwei der meistuntersuchten Precursoren sind HMDSO (Hexamethyldisiloxan) und TEOS (Tetraethylorthosilicat) (Abb. 64) [32].

Bislang wurde die Plasmapolymerisation­ vor allem im Vakuum durchgeführt. Durch neue Entwicklungen bietet sich jedoch zunehmend die Möglichkeit, diese Anwendung in den Normaldruckbereich zu verlagern und so auf die kostenintensive Vakuumtechnik zu verzichten. Diese chemische Gasphasenabscheidung bei Atmo­sphärendruck (atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD) kann beispielsweise mit dielektrischer Barriereentladung erfolgen (Abschnitt 3.3). Hierzu werden die Precursoren als Gas, als Dampf (d. h. als verdampfte Flüssigkeit) oder mithilfe eines Zerstäubers als Aerosol (d. h. als Gemisch aus festen/flüssigen Schwebeteilchen und Gas) in die Entladungsstrecke eingebracht. Auch Mikrowellenplasmen wie etwa die Cyrannus-Quelle (Abschnitt 3.6) lassen sich zur Plasmapolymerisation nutzen [74].

Sehr vielversprechend ist auch die Verwendung von Plasmajets (Abschnitt 3.5). Mit einem einzelnen Gerät kann hierbei nur eine begrenzte Fläche behandelt werden. Größere Flächen lassen sich unter Verwendung von Jet-Anordnungen oder speziellen Düsenköpfen abdecken. Bei Plasmajets kann der Precursor (Gas, Dampf oder Aerosol) in den Prozessgasstrom oder in den Raum vor der Düse eingespeist werden.

Ein industriell bereits etablierter Plasmajet ist die Openair-Quelle von Plasmatreat (Abschnitt 3.5). Mit diesem Gerät kann auf Grundlage einer neuen, gemeinsam mit dem Fraunhofer-IFAM entwickelten Technologie mit der Bezeichnung PlasmaPlus eine gezielte Plasmapolymerisation unter Normaldruck durchgeführt werden [78]. Die Precursoren werden über einen speziellen Düsenkopf dem Plasma vor dem Austritt aus der Düse zugeführt (Abb. 65). Verwendet werden vorwiegend flüssige Monomere, die vor ihrer Einbringung in das Plasma in einer Heizkammer verdampft werden [32].

Ein weiterer, kommerziell verfügbarer Plasmajet ist das PlasmaStream-System. Zwischen den von einem dielektrischen Gehäuse umgebenen Nadelelektroden befindet sich hierbei ein pneumatischer Zerstäuber, mit dem ein Precursor als Aerosol in das Plasma eingebracht werden kann [32].

Als Precursoren lassen sich bei der APCVD meist die selben Materialien wie im Niederdruck einsetzen [74]. Die Eigenschaften der Schichten werden jedoch nicht nur durch den Precursor bestimmt, sondern sind auch stark von den Prozessbedingungen abhängig. Hierzu zählen die eingekoppelte Leistung, die Anregungsfrequenz, das Prozessgas, der Gasstrom sowie die Menge beziehungsweise Flussrate und der Einspeisungsort des Monomers. Bei Plasmajets sind zudem die Düsenkopfgeometrie, der Abstand zwischen Düse und Substrat sowie die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu beachten [40, 79]. So lassen sich durch Variation der Parameter unterschiedliche Schichten mit den selben Precursoren herstellen. Durch eine Anpassung der Plasmaintensität sind beispielsweise sowohl hydrophobe als auch hydrophile Schichten herstellbar. Schichten können zudem in einem Durchgang oder in mehreren Durchgängen als Multilayer aufgebaut werden [40].

Mittels Plasmapolymerisation können zahlreiche unterschiedliche Schichten abgeschieden werden, darunter auch einige, die in der Medizintechnik zum Einsatz kommen könnten. Im Nachfolgenden sind einige medizintechnisch relevante Anwendungsmöglichkeiten der Plasmapolymerisation kurz umrissen.

4.2.1 Veränderung des Wasserkontaktwinkels

Für verschiedene medizintechnische Anwendungen werden hydrophile Oberflächen benötigt. So erfordern zum Beispiel diverse Laboruntersuchungen Oberflächen, die sich optimal mit Blut oder anderen Flüssigkeiten benetzen lassen. Durch die oben beschriebene Aktivierung kann die Oberflächenenergie und somit die Benetzbarkeit für einen begrenzten Zeitraum erhöht werden, sodass die Wirkung innerhalb eines gewissen Zeitfensters für Druck- und Klebeprozesse genutzt werden kann. Ist hingegen eine dauerhaft hydrophile Oberflächen gefordert, so lässt sich dies durch die Abscheidung einer Schicht mit hoher Oberflächenenergie erreichen. Für viele medizintechnische Anwendungen ist allerdings auch eine superhydrophobe Oberfläche interessant, die wasser- und schmutzabweisend wirkt.

Zudem wurde gezeigt, dass die Adhäsion von Proteinen und Bakterien sich durch die Oberflächenenergie beeinflussen lässt. Während hydrophobe Oberflächen (z. B. aus HMDSO mit einem Kontaktwinkel von 96°) die Adhäsion fördern, können sowohl hydrophile als auch superhydrophobe Oberflächen mit einem Kontaktwinkel über 150° der Adhäsion von Proteinen und Bakterien entgegenwirken [79]. Dies ist zur Vermeidung von Entzündungen sowie im Hinblick auf eine Reduzierung der Thrombogenität von Medizinprodukten interessant.

Sowohl hydrophile als auch hydrophobe Schichten können durch Plasmapolymerisation erzeugt werden. Als Precursor kommen hierbei unter anderem siliziumorganische Monomere in Frage. Durch Auswahl der richtigen Siloxane beziehungsweise fluorierten Siloxane als Precursoren sowie eine gezielte Anpassung der Prozesspara­meter können Schichten mit ganz unterschiedlichen Oberflächenspannungen und Wasserkontaktwinkeln erzeugt werden. Dies zeigten beispielsweise zwei Forschungsarbeiten des University College Dublin. Hierbei wurden mit dem Plasma­Stream-Jet auf Siliziumscheiben und anderen Substraten Schichten mit deutlich unterschiedlichen Wasserkontaktwinkeln abgeschieden [79, 80].

Mit TEOS lassen sich durch Variation von Leistungseintrag und Precursor-Fluss hydrophobe wie auch hydrophile Schichten erzeugen. Hydrophobe Schichten – also solche mit geringer Oberflächenspannung – bilden sich bei geringerer Leistung und hohen Flussraten. Dies lässt sich dadurch erklären, dass bei geringer Leistung und hoher Flussrate eine geringere chemische Aufspaltung im Plasma stattfindet, wodurch mehr organische Gruppen eingebaut werden. Hydrophilere Schichten mit hohem­ SiOx-Gehalt entstehen hingegen bei höherem Leistungseintrag und geringerem Precursorfluss. Zudem wurde festgestellt, dass sowohl hohe Flussraten als auch hohe Leistung die Rauheit der gebildeten Oberfläche erhöhen. Im ersten Fall gelangen unvollständig polymerisierte Precursor-Droplets in die Schicht, im zweiten Fall werden durch Reaktionen in der Gasphase Partikel eingebunden [80].

In einem weiteren Versuch wurden mit verschiedenen Siloxanen beziehungsweise­ ­fluorierten Siloxanen Schichten mit sehr unterschiedlichen Oberflächenspannungen und Kontaktwinkeln (Abb. 66) abgeschieden. Die verwendeten Precursoren waren TEOS, HMDSO und TCFS, eine Mischung aus Tetramethylcyclotetrasiloxan und einem fluoriertem Siloxan (Perfluoroctyltriethoxysilan). Superhydrophobe Schichten (Kontaktwinkel > 150°) wurden mit HMDSO und TCFS erreicht. Hierzu wurde eine Mischung aus Helium und Stickstoff als Prozessgas verwendet sowie eine geringe Flussrate­ des Precursors. Eine superhydrophile Oberfläche (< 5°) wurde dadurch erreicht, dass eine mit geringer Flussrate abgeschiedene TEOS-Schicht nachträglich mit einem Plasma aus Helium und Sauerstoff bestrahlt und somit oxidiert wurde [79].

Ähnliche Effekte wurden auch von Plasma­treat beim Jetsystem Openair/PlasmaPlus beobachtet. Eine geringe Plasmaintensität sorgte auch hier für die Einbindung organischer Gruppen und somit für hydrophobe Oberflächen. Es wurde zudem festgestellt, dass sich durch eine Erhöhung der Plasma­intensität oder eine Nachbehandlung der abgeschiedenen Schicht zur Oxidation des Kohlenstoffs eine hydrophilere Oberfläche erreichen lässt [40].

4.2.2 Biokompatible Implantate

Viele Implantate müssen starken mechanischen Belastungen standhalten. Gleichzeitig sollen sie jedoch die Zelladhäsion und somit das Einwachsen fördern sowie antimikrobiell wirken, um implantatassoziierte Infektionen zu verhindern. Die für Implantate verwendeten Materialien, wie etwa Titan, unterstützen weder die Zelladhäsion noch wirken sie antimikrobiell. Diese wichtigen Eigenschaften können ihnen durch entsprechende Oberflächenmodifikationen verliehen werden.

Hierfür kommen unterschiedliche Bearbeitungs- und Beschichtungsverfahren in Frage. Beispielsweise kann durch Titan-Plasmaspritzen (TPS) eine raue Oberfläche­ zur Förderung des Knocheneinwuchses geschaffen werden (Plasmaspritzen: Abschnitt 3.1). Auch eine durch Plasmaspritzen oder andere Verfahren aufgetragene Hydroxylapatit-Beschichtung kann den Knocheneinbau fördern [81]. Darüber hinaus wird an der Schaffung antimikrobieller Beschichtungen, beispielsweise mit Kupfer, geforscht. Hierfür wurden bereits die Plasma-Immersionsionenimplantation sowie das Magnetronsputtern erprobt [82].

Daneben könnte auch die Plasmapolymerisation im Nieder- und Atmosphärendruck in der Implantatbeschichtung zum Einsatz kommen. Mithilfe dieser Beschichtungsverfahren lassen sich funktionelle Gruppen auf die Implantatoberfläche aufbringen, welche das Einwachsen fördern, in unbeschichteten Titanoberflächen jedoch kaum vorkommen. Interessant sind in diesem Zusammenhang vor allem Carboxygruppen (COOH) und Aminogruppen (NH₂); sie haben großen Anteil an der Struktur von Proteinen. Die sauren Carboxygruppen führen hierbei zu einer negativen Oberflächenladung, während die stark basischen Aminogruppen eine positive Oberflächenladung erzeugen. Entsprechende Versuche wurden im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen INP Greifswald, Universität Greifswald und Universitätsmedizin Rostock mit Schichten aus plasmapolymerisiertem Allylamin (PPAAm) und plasmapolymerisierter Acrylsäure (PPAAc) durchgeführt. Diese Schichten wurden mit Mikrowellenplasma im Niederdruck abgeschieden [83]. Vorstellbar ist auch, dass vergleichbare Schichten mit Atmosphärendruckplasma aufgetragen werden können; die Erzeugung einer PPAAc-Schicht ist mit dem Plasmatreat-­System bereits mit Erfolg gelungen [84].

In-vitro Versuche ergaben, dass PPAAm und PPAAc abhängig von den Kulturbedingungen die osteogene Differenzierung, das heißt die Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen zu Osteoblasten (knochenaufbauenden Zellen), fördern. Bei einem In-vivo-Versuch mit Ratten rief das PPAAc-beschichtete Implantat allerdings eine Entzündungsreaktion hervor, sodass PPAAm vermutlich besser geeignet ist [83].

Neben PPAAm wurden auch andere Amine verwendet, beispielsweise plasmapolymerisiertes Ethylendiamin (PPEDA). Sowohl PPAAm als auch PPEDA zeigten in weiteren In-vitro-Versuchen eine deutliche Verbesserung der Osteoblasten-Adhäsion sowie bei In-vivo-Versuchen an Ratten eine Verbesserung des Knochen-Implantat-Kontaktes gegenüber unbehandelten Titanimplantaten [85].

Weitere Autoren führten erfolgreiche Versuche mit stickstoffhaltigen Plasmapolymeren durch. Neben Aminen könnten auch andere funktionelle Stickstoffgruppen wie Amide und Imide positive Effekte haben [86].

Einen weiteren Forschungsansatz verfolgten südkoreanische Forscher. Sie bildeten eine PPAAc-Schicht, auf der RGD-Peptide immobilisiert wurden. Dies war durch eine Bindung zwischen den Carboxygruppen der Plasmapolymerschicht und den Aminogruppen der RGD-Sequenz möglich [87]. Die RGD-Sequenz (Aminosäuren-Abfolge Arginin–Glycin–Aspartat) kann die Zelladhäsion vermitteln, denn an sie können Zellen mithilfe ihrer Adhäsionsproteine (Integrine) anbinden [88]. Ein entsprechender In-vitro-Versuch zeigte positive Effekte auf die osteogene Differenzierung der Zellen [87].

Versuche hinsichtlich einer kombinierten Verwendung von Plasmapolymerisation und RGD-Peptiden wurden für das Titan­gehäuse eines Herzschrittmachers durchgeführt. Bei diesem kann ein schlechtes Einwachsen ins Gewebe zur Delokalisierung und zu Infektionen führen. Es wurde eine Siliziumoxidschicht mit der Plasmatreat-­Technologie aufgebracht. An deren funktionelle Gruppen wurden im weiteren Verlauf Aminogruppen gebunden, an die wiederum RGD-Peptide gebunden werden konnten [73].

4.2.3 Antithrombogene Oberflächen

In der heutigen Medizin wird eine Vielzahl von Produkten verwendet, die über einen längeren Zeitraum in direktem Kontakt mit Blut stehen. Hierzu zählen beispielsweise­ intravenöse Katheter oder Gefäßprothesen.­ Ein großes Problem besteht hierbei darin, dass es zur Blutgerinnung und Thrombenbildung kommen kann – mit potenziell lebensbedrohlichen Folgen. Daher ist es entscheidend, Materialien mit einer bestmöglichen Hämokompatibilität zu verwenden, sodass beim Kontakt zwischen Biomaterial und Blut eine Aktivierung der Thrombozyten sowie der Gerinnungskas­kade vermieden wird.

Zur Verbesserung der Hämokompatibilität von Materialien wurden in der Vergangenheit viele unterschiedliche Strategien entwickelt. Jedoch ist es auch nach über 30 Jahren Forschung nicht gelungen, das ideale antithrombogene Material zu entwickeln [89].

Ein Ansatz für eine verbesserte Hämokompatibilität ist die Verwendung von inerten Materialien, die mit den Thrombozyten und den Gerinnungsfaktoren so wenig wie möglich reagieren. Einerseits wurden hierzu sehr hydrophile, andererseits auch sehr hydrophobe Oberflächen verwendet. Zur Steigerung der Hydrophilität wurden beispielsweise Hydrogele getestet. Darüber hinaus wurden Polyethylenglycol (PEG)-Oberflächen erprobt, die der Adhäsion von Proteinen und Zellen (inklusive Thrombozyten) entgegenwirken.

Weitere Ansätze sind die Beschichtung mit dem Plasmapro­tein Albumin oder auch die Einbindung von Fluor zur Schaffung superhydrophober Oberflächen, welche ebenfalls der Protein­adsorption und Thrombozytenadhäsion entgegenwirken. Neben inerten Materia­lien können auch Materialien mit einer aktiven Wirkweise verwendet werden. Hierfür kommt beispielsweise die Einbindung von Antikoagulantien in das Material in Betracht. Ein interessanter Ansatz ist zudem die Förderung der Endothelialisierung, also der Bildung von Endothelzellen um ein intra­vaskuläres Implantat. Hierzu bieten sich verschiedene Möglichkeiten, wie etwa die Anbindung von RGD-Peptiden zur Förderung der Adhäsion von Endothelzellen [89].

Im Rahmen all dieser Möglichkeiten können auch Plasmen beziehungsweise Atmosphärendruckplasmen zum Einsatz kommen. Wie bereits erwähnt, lassen sich mit der Plasmapolymerisation verschiedenste Schichten mit hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften bilden.

Hu et al. [90] beschichteten mikroporöse­ Hohlfasern, wie sie in Membranoxygenatoren eingesetzt werden, mit einer siliziumorganischen Plasmapolymerschicht aus TMCT (1,3,5,7-Tetramethylcyclotetrasiloxan)­ im Vakuum und stellten durch In-vivo-­Versuche an Schafen fest, dass die antithrombogenen Eigenschaften durch die Beschichtung verbessert wurden.

Clarotti et al. [91] brachten eine fluorierte­ Kohlenwasserstoffschicht auf Polymer-Membranmaterial auf. Sie wirkte einer Adhäsion von Blutplättchen sowie der Proteinadsorption entgegen. Auch Oberflächen aus Polyethylenglycol (PEG), das abhängig von der molekularen Masse auch als Polyethylenoxid (PEO) bekannt ist, wurden mithilfe von Plasmaverfahren erzeugt. Sie reduzieren, wie bereits erwähnt, die Proteinadsorption und Zell­adhäsion. Derartige Schichten wurden unter anderem von Nisol et al. [92] mit einer Atmosphärenplasmaquelle und Tetra­ethylenglykoldimethylether als Precursor abgeschieden.

Denkbar ist darüber hinaus der Einsatz von Atmosphärendruckplasma zur Vorbehandlung von Oberflächen vor Aufbringung weiterer Substanzen oder zur Aufbringung von Zwischenschichten. Wie in Abschnitt 4.2.2 beschrieben, wurden beispielsweise PPAAc-Schichten zur Bindung von RGD-Peptiden für Implantate erprobt.

4.2.4 Medikamentenfreisetzende Schichten

Der Einbau von Medikamenten in eine plasmapolymere Schicht erlaubt es, Objekte mit einer derartigen Schicht am oder im Körper zu positionieren und damit eine kontinuierliche Medikamentenfreisetzung zu erreichen. Hierzu wurden diverse Versuche im Niederdruckplasma, beispielsweise mit Atmosphärendruckplasma, von Forschern aus Luxemburg und Frankreich, durchgeführt. Erzeugt wurden Plasmapolymerschichten aus Methacrylsäure (ppMAA,) und Ethylenglycoldimethacrylat (ppEGDMA) mithilfe einer dielektrischen Barriereentladung. Darin eingebaut war Acetaminophen, das auch als Paracetamol bekannt ist. Das Medikament wurde in diesem Versuch erstmals bereits dem Precursor zugefügt und so direkt in einem Schritt während der Polymerisation eingebracht. Durch Eintauchen der beschichteten Probescheiben in entsalztes Wasser konnte das Medikament freigesetzt werden. Allerdings wurden nur 8 % der ursprünglich eingebrachten Medikamentenmenge aus der Schicht abgegeben, was nach Meinung der Autoren auf eine Zerstörung der Substanz während des Plasma­prozesses zurückzuführen ist. Dennoch zeigt der Versuch, dass eine direkte Einbindung von Medikamenten in eine Plasmapolymerschicht prinzipiell möglich ist und Potenzial für eine zukünftige Anwendung bietet [93].

4.2.5 Antimikrobielle Oberflächen

Silber hat bekanntermaßen eine antibakterielle Wirkung, die schon seit Jahrhunderten vielfältig genutzt wird, beispielsweise als Wundauflage. Das Material ist für den Einsatz in der Medizintechnik nach wie vor interessant. Mit Plasmapolymerisation ist es möglich, kleinste Silberpartikel in eine Plasmapolymerschicht einzubinden und so eine antibakterielle Oberfläche zu erzeugen. Die Silberionen werden nach und nach freigesetzt und töten Bakterien ab [94].

Zwar wurden derartige Oberflächen auch schon mit anderen Verfahren (chemisch oder mit Niederdruck) umgesetzt, jedoch wurde vor Kurzem in einer Zusammenarbeit zwischen Plasmatreat und dem Fraunhofer-IFAM ein neues Verfahren entwickelt, das die Erzeugung von Metall-Nano-Kompositschichten mithilfe des Openair­-Plasmajets ermöglicht. Die in dem Gerät auftretenden Entladungen werden hierbei zur Erzeugung von metallischen Nanopartikeln sowie zu deren gleichzeitiger plasmapolymerer Beschichtung genutzt. Es wurde ein Düsenkopfsystem entwickelt, mit dem unterschiedliche Drahtelektroden (z. B. Silber, Gold, Kupfer) kontrolliert ins Plasma gebracht werden können. Die Bogenentladungskanäle im Plasma werden direkt an die Elektrodenoberfläche gezogen und lösen dort partikelbildende Sputterprozesse aus, das heißt durch Ionenbeschuss werden Atome aus dem Festkörper herausgelöst. Auf diese Weise können kugelförmige Partikel mit Durchmessern von einigen 10 nm und kleiner erzeugt werden.

Durch die gleichzeitige Einspeisung eines siliziumorganischen Precursors können die Partikel direkt in eine plasmapolymere Matrix eingebunden werden. In Versuchen mit der Beschichtung konnte eine sehr gute Wirksamkeit gegen E. coli und andere Bakterien nachgewiesen werden [95].

Beim Einsatz von Silberionen freisetzenden Nanopartikeln ist allerdings zu bedenken, dass diese nicht nur Bakterien abtöten, sondern auch potenziell toxisch auf menschliche Gewebezellen wirken können. Die genauen Wirkmechanismen und die tatsächliche Schädlichkeit sind jedoch noch nicht abschließend geklärt [94].

Eine weitere Möglichkeit, antimikrobielle Beschichtungen zu bilden, bietet Titan­dioxid (TiO₂). Bei diesem Material finden bei Bestrahlung mit UV-Licht fotokatalytische Effekte statt. An der Oberfläche befindliche organische Substanzen werden durch foto­katalytische Zersetzung im günstigsten Fall zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. So kann die Besiedlung von Oberflächen mit Keimen und Biofilmen vermieden beziehungsweise reduziert werden. Eine Beschichtung von Medizinprodukten oder medizinnahen Produkten könnte somit den Reinigungsaufwand vermindern.

Im Folgenden sind die Wirkmechanismen von Titandioxid kurz erläutert. Die Absorption von UV-Licht, genauer gesagt von Lichtquanten mit einer der Bandlücke entsprechenden Energie, führt zur Bildung von freien Ladungsträgern: Elektronen gelangen vom Valenzband ins Leitungsband, Löcher bleiben zurück (Abb. 67). Die entstehenden Löcher haben ein hohes Oxidationspotenzial. Sie reagieren mit adsorbierten Wassermolekülen und bilden Hydroxyl (·OH)-Radikale, die ihrerseits immer noch ein hohes Oxidationspotenzial haben. Löcher und OH-Radikale oxidieren organische Moleküle auf der Titandioxidoberfläche. Elektronen im Leitungsband nehmen in der Regel an Reduktionsprozessen teil. Bei der Reaktion mit molekularem Sauerstoff entstehen unter anderem Hyperoxidradikalanionen (O₂^·-). Auch diese können bei der Zersetzung organischer Substanzen eine Rolle spielen [96].

Zudem werden Titandioxidoberflächen ­unter UV-Einstrahlung superhydrophil mit einem Kontaktwinkel von unter 5°. Dies ist auf weitere chemische Vorgänge zurückzuführen (Abb. 68). Die meisten Löcher werden wie bereits beschrieben durch eine direkte Reaktion mit adsorbierten organischen Spezies oder mit Wasser unter Entstehung von OH·-Radikalen vernichtet. Einige wenige Löcher sind jedoch an den Gitterplätzen des Sauerstoffs gebunden und reagieren mit dem Titandioxid selbst, was die Bindung zwischen Titan- und Sauer­stoffionen schwächt. Wassermoleküle können diese Bindung dann aufbrechen, sodass neue OH-Gruppen entstehen. Die einfach koordinierten OH-Gruppen sind thermodynamisch weniger stabil und besitzen eine hohe Oberflächenenergie, sodass eine superhydrophile Oberfläche entsteht [96].

Titandioxidschichten lassen sich neben anderen Verfahren auch mit Atmosphärendruckplasma unter Verwendung unter­schiedlicher Prozesse und Precursoren herstellen [76]. Zu den einsetzbaren industriell etablierten Verfahren zählt unter anderem das PlasmaPlus-Verfahren von ­Plasmatreat [78].

4.2.6 Barriere- und Korrosionsschutzschichten

Weitere, weniger spezifische Einsatzgebiete für die Plasmapolymerisation sind die Herstellung von Barriere- sowie Korrosionsschutzschichten. Diese sind für viele Industrien interessant, könnten aber auch in der Medizintechnik Anwendung finden. In Frage kommen für diese Zwecke unter anderem plasmapolymerisierte Siliziumdioxidschichten.

Barriereschichten bilden einen dicht geschlossenen Verbund und können das Permeationsverhalten von Materialien verändern. So kann die Diffusion durch den beschichteten Grundwerkstoff stark reduziert werden. Diese Schichten könnten­ beispielsweise eingesetzt werden, um Verpackungen von Medikamenten oder Medizinprodukten zu verbessern [32, 40].

Antikorrosionsschichten verhindern durch ihre vollständige Abdeckung des Substrats dessen Kontakt mit angreifenden Medien und somit dessen Korrosion beziehungsweise eine daraus entstehende Funktionsbeeinträchtigung. Zu diesem Zweck eingesetzte plasmapolymere Schichten sollten idealerweise eine Dicke von mehreren hundert Nanometern haben, um eine dauerhafte Beständigkeit zu sichern. Zudem sollte die direkte mechanische Beanspruchung gering sein, um eine Beschädigung der Schicht zu verhindern. Korrosionsschutzschichten können in der Medizintechnik beispielsweise insbesondere für Bauteile und Geräte eingesetzt werden, die mit Körperflüssigkeiten, Blut oder anderen korrosiven Substanzen in Berührung kommen [40].

4.2.7 Haftvermittlerschichten

Ein weiteres Einsatzgebiet für plasmapoly­mere Schichten liegt in der Haftvermittlung. Als Primerschicht, welche eine feste Verklebung sonst nur schwer verbindbarer Oberflächen ermöglicht, reicht meist eine sehr dünne Schicht von wenigen Nanometern aus [40]. Diese Schicht enthält funktionelle Gruppen, sodass es zu chemischen Reaktionen mit dem Klebstoff und somit zu einer festen Bindung kommt. Hierbei muss die chemische Zusammensetzung der Schicht an die Art der Verbindung beziehungsweise des Klebstoffs angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich teilweise eine höhere Haftfestigkeit erreichen als durch eine reine Plasmaaktivierung [32]. Zudem fördert die aufgebrachte Schicht durch ihre antikorrosive Wirkung auch die Langzeitstabilität der Verbindung [40].

Derartige Schichten werden bereits in vielen Bereichen genutzt. Da in der Medizintechnik verschiedenste Materialien wie Polymere und Metalle verbunden werden müssen, könnte der Einsatz von plasmapolymeren Primerschichten auch hier interessant sein.

-wird fortgesetzt-

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