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Haftkraft per Kleben – Innovationen für die Medizintechnik

Kleben ist in der Medizintechnik eine relativ neue Methode, um Werkstoffe miteinander zu verbinden. Bei einem Verbundprojekt unter Leitung des NMI Reutlingen werden gemeinsam mit der Industrie neuartige, bioverträgliche Klebetechnologien für Einweg- und Mehrwegprodukte entwickelt. Das baden-württembergische Wirtschaftsministerium fördert die Arbeiten mit knapp 400.000 Euro.

Am Operationstisch kommt eine Vielzahl unterschiedlichster Scheren und anderer Schneidwerkzeuge zum Einsatz – sie sind ein gutes Beispiel für die Nützlichkeit von Klebeverbindungen. Superscharfe Keramikschneiden zum Beispiel müssen so mit den Metallhaltern verbunden werden, dass der Chirurg sich in jeder Hinsicht auf sein Instrument verlassen kann.

Dr.-Ing. Astrid Wagner leitet das zweijährige Verbundprojekt "Kleben in der Medizintechnik". © NMI Reutlingen

„Kleben ist eine einfache, schnelle und kostengünstige Methode, um Werkstoffe miteinander zu verbinden, auch wenn die Materialien unterschiedlich sind“, sagt Dr.-Ing. Astrid Wagner. Die Maschinenbau-Ingenieurin kam im Juli 2009 ans NMI Reutlingen und leitet seit Oktober 2010 die Arbeitsgruppe „Oberflächentechnologie“ des Instituts. Auch die Leitung des zweijährigen neuen Verbundprojektes liegt in ihren Händen.

Wagner hatte sich bereits bei ihrer Doktorarbeit auf Klebeverbindungen zwischen Werkstoffen spezialisiert und zwar im Bereich Bauwesen. Sie erforschte die Alterungsbeständigkeit strukturell geklebter Stahl- und Glasverbünde. Das dabei erlangte Know-how kommt ihr jetzt bei den Arbeiten an Klebeverbindungen für die Medizintechnik zugute. „Im Bereich Automotive sind Klebeverbindungen schon seit Längerem verbreitet, aber im Bauwesen sind sie ebenso etwas Neues wie in der Medizintechnik“, so Wagner. Technologisches Neuland zu erobern reizt sie gleichermaßen wie die speziellen Herausforderungen in der Medizin. Die Werkstoffe müssen für einen Einsatz am beziehungsweise im Menschen biokompatibel und steril sein.

Die Entwicklung von Klebtechnologien für die Medizintechnik ist Pionierarbeit

Chirurgische Instrumente wie Scheren sind eines der Anwendungsgebiete für Klebetechnologien in der Medizintechnik. Hier wurden Keramikschneiden auf Metallhalter geklebt. © Aesculap AG, Tuttlingen

„Wir arbeiten zwar hauptsächlich an Klebeverbindungen für Einmalprodukte, interessieren uns aber auch für mehrfachverwendbare Produkte, etwa bei chirurgischen Instrumenten. Dabei untersuchen wir unter anderem, inwiefern Klebstoffe altern, ob und wie sie sich durch den Einfluss von Körperflüssigkeiten und Reinigungsmitteln verändern. Außerdem analysieren wir, wie sich Klebstoffe durch die Hitzeeinwirkung über mehrere Sterilisationszyklen hinweg verändern“, erklärt Wagner. Die dafür nötigen dynamisch-mechanischen Analysen werden direkt am NMI durchgeführt. „Klebstoffe haben eine bestimmte Glasübergangstemperatur, bei der sie ihre mechanischen Eigenschaften ändern und verglasen. Dabei fällt die Festigkeit des Polymers ab. Klebstoffe, die bei 20 Grad Celsius geprüft wurden, können bei 37 Grad Celsius und damit bei Eingriffen am menschlichen Körper vielleicht schon nicht mehr eingesetzt werden, weil die Glasübergangstemperatur des Klebstoffes darunter liegt“, sagt Wagner.

Um die Klebeverbindungen auf die speziellen Anforderungen für den medizintechnischen Einsatz zu prüfen, werden im Rahmen des Verbundprojekts neue Prüfvorrichtungen und spezielle Modellprüfkörper entwickelt und hergestellt. Prüfkörper werden einerseits im Neuzustand analysiert, zum Teil aber auch künstlich gealtert und geprüft. So hoffen die Forscher, passende Kombinationen zwischen Werk- und Klebstoffen für zukünftige Anwendungen zu finden. Die Materialien werden von Industriepartnern zur Verfügung gestellt, die auch ihr Know-how darüber einbringen. „Wir steuern zwar das Versuchsprogramm, sind aber auf das Wissen, die Erfahrung und eigene Forschungsbeiträge unserer Partner angewiesen“, betont Wagner.

Mit im Boot sind sieben KMU (klein- mittelständische Unternehmen) und zwei Großunternehmen. Die größte Gruppe bilden die fünf Medizinprodukte- beziehungsweise Instrumentenhersteller. Hinzu kommen drei Spezialfirmen, die Reinigungsmittel für Medizinprodukte herstellen, ein Klebstoffproduzent, der bereits eine Sparte für Anwendungen bei Medizinprodukten aufgebaut hat, und zwei Unternehmen, die eine besondere Expertise in der Vorbehandlung von Klebflächen haben. Alle Verbundpartner zusammen bringen Eigenleistungen im Wert von rund 450.000 Euro in das Projekt ein. Zusammen mit den knapp 400.000 Euro Fördergeldern des baden-württembergischen Wirtschaftsministeriums ergibt sich ein Gesamtvolumen von rund 950.000 Euro.

Schadensanalysen als Quelle des Fortschritts

„Das gibt uns genügend Spielraum für ein gründliches, systematisches Herangehen. Kleben ohne Oberflächenanalytik gibt es nicht“, betont Wagner und ist deshalb froh, mit Dr. Rudolf Reichl und Steffen Lutz zwei NMI-Kollegen dabei zu haben, die sie als Experten in Sachen Oberflächenbehandlung und -Reinigung unterstützen. „Wir behandeln die Werkstoff-Oberflächen zum Beispiel mit einem Laser vor und sehen uns dann die Oberflächenstruktur mit dem Raster-Elektronenmikroskop an. So wollen wir herausfinden, welche Intensitäten und Behandlungszeiten sinnvoll sind“, sagt Wagner. Auch Versagensbilder werden gründlich analysiert, um daraus zu lernen und Alternativen zu entwickeln. Praktischerweise verfügt das NMI über eine eigene Materialprüfungsabteilung, die das Projektteam bei der Suche nach Schadensursachen unterstützt. „Zum Beispiel muss geklärt werden, ob es sich um ein adhäsives Versagen der Klebstoffoberfläche handelt oder um kohäsives Versagen des Klebstoffes“, ergänzt Wagner.

Auch die Klebstoffmenge und seine Konsistenz entscheiden mit darüber, ob eine Verbindung hält. Diese Aspekte werden in dem Verbundprojekt ebenso untersucht wie die Frage nach der optimalen Nachbehandlung. Wenn zum Beispiel Klebstoff aus der Fügestelle austritt, muss dieser entfernt werden. Das Team sucht dafür die optimale Methode.

Alle Forschungsergebnisse sollen schließlich in einen optimierten Produktionsprozess des geklebten Werkstücks implementiert werden, der auch automatisierbar ist. „In der Medizintechnik wird heute noch viel von Hand geklebt. Unser Ziel ist es, alle Schritte so anzupassen, dass sie gegebenenfalls auch mit Robotern durchgeführt werden können“, sagt Wagner und verweist noch auf ein wichtiges Nebenziel des Projektes: „Neben dem wissenschaftlichen Anspruch ist es uns sehr wichtig, den Medizinprodukt-Herstellern die Klebtechnik insgesamt näher zu bringen. Der Know-how-Transfer ist deshalb fest im Projektplan verankert.“

Glossar

  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Biokompatibilität heißt wörtlich übersetzt: in Einklang mit Lebensvorgängen. Sie bezeichnet die wechselseitige Verträglichkeit zwischen einem technischen und einem biologischen System. Biokompatibel sind Werkstoffe, die keinen negativen Einfluss auf Lebewesen in ihrer Umgebung haben. Die Biokompatibilität ist auch ein Maß für die biologische Abbaubarkeit von verunreinigenden Stoffen in Abwässern.
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