Sterilisation

Sterilisationsverfahren zur Sterilisation von Medizinprodukten

Ein Fertigungsverfahren das im Rahmen der Herstellung von patientenspezifischen Medizinprodukten zunehmend Verwendung findet, ist das Additive Manufacturing (AM). Bisher galt das AM oft als preiswerte und schnelle Methode zur Herstellung von Prototypen für Design-, Konzept- oder Funktionsmodelle. Da sich das AM jedoch immer mehr weg von dem einstigen Ansatz des Rapid Prototyping entwickelt und sich kontinuierlich hin zum Rapid Manufacturing bewegt, werden sich Unternehmen in Zukunft verstärkt mit der Integration des AM in den fertigungstechnischen Gesamtprozess auseinandersetzen müssen. Gründe dafür sind die zunehmende Vielfalt an neuen Materialien und Anlagen und der zunehmende Bedarf an individuellen und patientenspezifischen Lösungen bzw. Produkten. 

Sterilisieren

Sterilisation in Klinik

Es gilt zum einen die richtige AM-Technologie zur Herstellung von Medizinprodukten zu identifizieren, aber auch die ganzheitliche Integration in den fertigungstechnischen Gesamtprozess zu optimieren. Additive hergestellte Produkte müssen dementsprechend schon während der Entwicklung als solche designed werden. Wird diesen Gesamtprozess aus Entwicklung, Herstellung und Postprocessing nicht ausreichend Rechnung getragen, können sich die Vorteile der Technologie schnell zu Herausforderung entwickeln. So kann z.B. das Post-Processing entscheiden, im konkreten Fall das Sterilisationsverfahren, welche Materialen bzw. welche AM-Technologien zur Herstellung von Medizinprodukten geeignet sind. Werden ungeeignete Materialen gewählt, dann kann die Materialauswahl das Sterilisationsverfahren vorgeben. Dies kann sich wiederum nachteilig auf die Produktakzeptanz auswirken, da in den meisten Kliniken bestimmte Sterilisationsverfahren fest etabliert sind.

Neben Metallen (z.B. Titan) werden bei den meisten additiven Fertigungsverfahren Kunststoffe verarbeitet. Deren Sterilisationsfähigkeit unterscheidet sich jedoch zum Teil deutlich von Medizinprodukten aus Metall. Hilfreich ist daher das Kennen der unterschiedlichen Sterilisationsverfahren mit ihren jeweiligen Besonderheiten und Einschränkungen. Nur so kann für das anschließende Post-Processing das richtige Sterilisationsverfahren gewählt werden oder im Vorhinein die richtige Materialauswahl getroffen werden.

 

Sterilisationsverfahren

Aufgabe des Sterilisierens ist es, Materialien, Gegenstände, Verpackungen oder Geräte von (möglichst) allen enthaltenen oder anhaftenden Mikroorganismen, einschließlich deren Dauerformen (beispielsweise Sporen), zu befreien. Zur Sterilisation stehen unterschiedliche Sterilisationsmethoden zur Verfügung. Grundsätzlich gilt, je geringer die Konzentration von Fremdpartikeln auf dem Produkt (Grund für die Fertigung im Reinraum), je effizienter die anschließende Sterilisation. Dennoch kann die Sterilisation von additiv gefertigten Produkten zum Problem werden. Zum einen lassen die additiven Fertigungsverfahren oft nur eine begrenzte Auswahl an Materialien zu und zum anderen haben sich in den Kliniken und Unternehmen oft bestimmte Sterilisationsmethoden etabliert. In Kombination kann es durchaus schwierig werden das geeignete Material, die geeignete AM-Technologie und das geeignete Sterilisationsverfahren zu finden.

Heißluftsterilisation

Die Heißluftsterilisation ist ein physikalisches Sterilisationsverfahren, bei dem thermostabile Medizinprodukte trockener Hitze ausgesetzt werden. Zur Befreiung der Produkte von Keimen (Bakterien, Pilze, Viren und Sporen) sind Temperaturen von mindestens 180 °C über einen Zeitraum von mindestens 30 Minuten notwendig.

Einschränkungen:

  • Ungeeignet für Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (Kunststoffe)
  • Materialien können unter hohen Temperaturen leiden/geschädigt werden
  • Langsame Wärmeübertragung auf das Sterilgut (Kälteinseln)
  • Abhängigkeit von der Art der Beschickung (geringe Prozesssicherheit)

 

Autoklavieren

Das Autoklavieren gehört zu dem am häufigsten eingesetzten Sterilisationsverahren in Kliniken. Beim Autoklavieren wird Wasserdampf mit niedrigeren Temperaturen (ca. 120 °C bei 0,5 bar) als bei der Heißluftsterilisation genutzt. Empfindliche Produkte können somit länger im Autoklav verweilen. Zusätzlich verteilt sich der Wasserdampf besser auf der Produktoberfläche, was zum besseren Erreichen der erforderlichen Sterilisationstemperatur über das ganze Produkt beiträgt. Dennoch ist das Ergebnis stark abhängig von Material, Beschickung, Verpackungsmaterial, Packungsdichte, Temperatur und Zeit (je geringer die Temperatur desto länger der Zyklus).

Einschränkungen:

  • Empfindliche Materialien (Kunststoffe) können unter Temperaturen leiden
  • Herausforderungen bei der Sterilisation von verpackten Produkten
  • Negative Effekte (z.B. Materialerweichung) können sich bei Wiederholung kumulieren

 

Bestrahlung: Gammasterilisation

Bei der Gammasterilisation werden Produkte mittels Gamma-Strahlen (elektromagnetische Strahlung) aus einer Kobaltquelle (Co60) bestrahlt. Diese Methode bietet sich bei Produkten hoher Dichte und großem Volumens an. Sie eignet sich ebenfalls für Produkte bei denen das Durchdringungsvermögen der Gamma-Strahlung (ca. 50 cm) von Bedeutung ist. Die gängige Strahlendosis liegt 2,5 Mrad und damit bei einer Belastung welche die meisten Materialien tolerieren. Um die im Vergleich zum Produktkern höhere Strahlendosis an den Außenseiten  des Produktes zu kompensieren, ist jedoch eine größere Strahlenresistenz der Materialen vorteilhaft. Trotzdem schadet die Bestrahlung den Produkten und kumuliert sich bei wiederholter Sterilisation. Gerade bei Kunststoffen lassen sich Schäden kaum vermeiden, da die Polymerstruktur durch Bestrahlung verändert wird. Die Folgen sind Farbverblassung, Erweichen sowie eine geringere Dehnungs-, Bruch- oder Schlagfestigkeit. Trotz kostenintensiver Bestrahlungsgeräte bleibt die Gammasterilisation eine effektive Methode zur Sterilisation von verpackten Produkten, welche bestenfalls nur einmalig bestrahlt werden müssen. Sie ist rückstandsfrei, zeichnet sich durch eine hohe Dosishomogenität aus und erlaubt die sofortige Verwendung der behandelten Produkte (keine Ausgasung).

Einschränkungen:

  • Dokumentation der Strahlenbelastung zur Vermeidung der Überdosierung
  • Empfindliche Materialien (Kunststoffe) können geschädigt werden
  • Außenseiten des Produktes sind höherer Bestrahlung ausgesetzt als der Produktkern
  • Teure Bestrahlungsgeräte

 

Bestrahlung: Elektronenstrahlsterilisation

Zur Sterilisation mit Hilfe von Elektronenstrahlen wird ein Elektronenstrahlgenerator (1 MeV – 12 MeV) eingesetzt, welcher mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen lebende Mikroorganismen abtötet. Die Produkte werden unter normalen Umgebungsbedingungen und ohne Chemikalien in ihrer Verpackung bestrahlt. Auch hier fällt keine Wartezeit beim Ausgasen an und die Produkte sind sofort nutzbar. Auf Grund der durchgehenden Sterilisation, kurzer Bestrahlungszyklen (wenige Sekunden bis Minuten) und minimaler Erwärmung, eignet sich das Verfahren für Produkte mit komplizierten Geometrien, für thermolabile oder tiefgefrorene Produkte und zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus.

Einschränkungen:

  • Dokumentation der Strahlenbelastung zur Vermeidung der Überdosierung
  • Geringere Durchdringungstiefe als Gammasterilisation
  • Außenseiten des Produktes sind höherer Bestrahlung ausgesetzt als der Produktkern
  • Teure Bestrahlungsgeräte

 

Ethylenoxid-Sterilisation

Die Ethylenoxid-Sterilisation (EO) ist die häufigste Form der Gassterilisation. Sie wird vorrangig genutzt um Produkte wie Kunstoffe oder optische bzw. elektrische Produkte zu sterilisieren, welche hohen Temperaturen nicht standhalten würden. Die Behandlung erfolgt in der Regel zwischen 30ºC – 60ºC, bei einer relativen Luftfeuchtigkeit über 30%, einer Gas-Konzentration von 200mg/l – 800mg/l und nimmt einen Zeitraum von mindestens 3 Stunden in Anspruch. Die Effizienz dieser Methode ist stark von Parametern wie Temperatur, Gaskonzentration, Zeit und relativer Luftfeuchtigkeit abhängig, was diese Methode zu einer komplexen, aufwendig kontrollierbaren und validierbaren Methode macht. Die meisten Kunststoffe werden durch die Ethylenoxid-Sterilisation nicht beschädigt, absorbieren aber das Gas und müssen nach der Behandlung mehrere Stunden ausgasen bzw. vom Ethylenoxid befreit werden. Einige Kunststoffe wie Polyethylen (PE) sind gasdurchlässig und eignen sich deshalb als Verpackungsmaterial für Produkte die später der EO-Behandlung unterzogen werden.

Einschränkungen:

  • Durchdringungstiefe abhängig von mehreren Parametern (Gas-Konzentration, rel. Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Zeit, Beschickung etc.)
  • Außenseiten sind höherer Begasung ausgesetzt als Produktkern
  • Zeitaufwendiger Prozess (Behandlungszeit + Ausgasungszeit)
  • Komplexer Prozess

 

Plasmasterilisation

Das Prinzip der Plasmasterilisation basiert auf der Bildung von hochreaktiven Hydroxy- und Hydroxylradikalen aus Wasserstoffperoxid. Diese binden sich an essentielle Zellbausteine der Mikroorganismen und töten diese ab. Der Sterilisationsprozess läuft bei einer Kammertemperatur von 45°C – 60°C ab. Damit ist dieses Sterilisationsverfahren ein weiteres Niedertemperatur-Sterilisationsverfahren, welches alternativ zu Ethylenoxid- oder Strahlensterilisationsverfahren eingesetzt werden kann. Das Wasserstoffperoxid verteilt sich während der Diffusionsphase auf das Sterilisationsgut, wird anschließend im Vakuum mittels Hochfrequenz im MHz-Bereich in die Plasmaphase überführt und zerfällt am Ende des Prozesses in Sauerstoff und Wasserstoff. Da keine toxischen Wirkstoffrückstände zu erwarten sind, kann das Sterilgut nach der Belüftung einfach entnommen werden. Zusätzlich tragen die reaktiven Moleküle des Plasmas auf schonende Weise auch organische Verunreinigungen wie z. B. Zellreste ab. Da die sterilisierenden Gasmischungen erst direkt im Plasma erzeugt werden, entfällt eine aufwändige Entsorgung.

Vorteile des Verfahrens liegen in der relativ kurzen Sterilisationszeit und der einfachen Entsorgung des Wasserstoffperoxids am Ende des Prozesses.

Einschränkungen:

  • eingeschränkte Prozesssicherheit bei Hohlkörpern bzw. komplexen Kavitäten
  • es liegen keine festgelegten Normen zur Validierung des Verfahrens vor
  • Prozess kann muss immer auf die Art und Menge des Sterilgutes abgestimmt werden

 

Mit der Zunahme Additiver Fertigungsverfahren im Herstellungsprozess von patientenspezifischen Medizinprodukten werden neben Metallen immer häufiger Kunststoffe oder spezielle biokompatible Werkstoffe eingesetzt. Die Sterilisationsfähigkeit der Werkstoffe stellt dabei ein entscheidendes Auswahlkriterium bei der Wahl des einzusetzenden  Werkstoffe dar. Materialwahl und Auswahl der geeigneten Fertigungsmethode dürfen jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Schlussendlich entscheiden Produktakzeptanz und Usability über Erfolg oder Misserfolg und müssen grundsätzlich bei der Entwicklung von Produkten im Hinterkopf behalten werden. Wurde sich im Rahmen der Produktentwicklung für ein bestimmtes Material entschieden und das entsprechende Additive Fertigungsverfahren verwendet, hängt die Wahl des Sterilisationsverfahrens von der Materialzusammensetzung, dem Behandlungsziel und dem Anwendungsbereich ab. Bei thermolabilen Materialien können thermische Sterilisationsverfahren nur bedingt  eingesetzt werden. Auch bei der Gassterilisationen gibt es hohe Sicherheitsstandards bei der Anwendung der teilweise explosiven, toxischen oder krebserregenden Gase zu beachten. Darüber hinaus können empfindliche Materialien durch reaktive chemische Verbindungen sogar abgebaut oder irreversibel geschädigt werden. Die zunehmende Verbreitung additiver Fertigungsprozesse und die damit einhergehenden Zunahme an neuen Materialien, erfordert von den Unternehmen die erneute Prozessvalidierung und Neuzertifizierung ihrer Produkte um diese als Medizinprodukte auf dem Markt bringen zu können.