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Plasmatechnologie für Medizin und Pharmazie

In der Medizin kommen häufig Materialien zum Einsatz, die steril sein müssen, jedoch nur geringe thermische Stabilität aufweisen. Das Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart bietet mit seiner trockenen Plasmaentkeimung eine schnelle, wirkungsvolle und ungefährliche Alternative zu den bisherigen Methoden.

Stickstoffplasma © IPF

Das Plasma hat schon seit längerem Einzug in unseren Alltag gehalten, es begegnet uns nicht nur im Plasmabildschirm und in Energiesparlampen, sondern findet sich auch in der Werkstoffbehandlung und Oberflächenmodifizierung. Mit der Fusionsforschung sollen die Energieprobleme der Menschheit auf eine umweltfreundliche Art gelöst werden. Dass auch die EU ihre Hoffnung darin setzt, sieht man an dem erst Ende Juli verdoppelten Etat für den Kernfusionsforschungsreaktor ITER, 2019 soll dieser in Betrieb gehen. Die Forscher aus Stuttgart haben sich in einen weiteren alltäglichen Bereich vorgewagt: Hygiene in Medizin und Pharmazie.

Das Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart unter Leitung von Prof. Dr. Stroth befasst sich mit seinen drei Abteilungen Fusionsorientierte Plasmaphysik, Plasmadynamik und -diagnostik sowie der Plasmatechnologie mit der gesamten Vielseitigkeit der Plasmen. Im Bereich der Fusionsforschung liefert das Institut das Know-how für die Mikrowellenheizung von Fusionsplasmen. Zudem führen die Forscher Experimente und Computersimulationen zum Thema Energie- und Teilchentransport in Fusionsplasmen durch.

Was ist Plasma?

Plasma, der sogenannte vierte Aggregatzustand, ist ein Gas, welches teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern wie Ionen und Elektronen besteht. Es können weiterhin auch neutrale Atome und Moleküle vorhanden sein. Besonders auffallend ist das charakteristische Leuchten der Plasmen, das durch die angeregten Teilchen des Gases entsteht.

Für ihre Forschungen verwenden die Physiker in erster Linie Niederdruck-Mikrowellenplasmen. Mikrowellen mit 2,45 GHz wirken dabei auf das Gas ein und beschleunigen die leichten und sehr beweglichen freien Elektronen. Infolge der Trägheit der neutralen Teilchen und der relativ schweren Ionen zeigen die hochfrequenten elektromagnetischen Felder auf diese nahezu keine Wirkung, so dass sich die freien Elektronen vor einem trägen Hintergrund bewegen. Stoßen diese sogenannten „heißen“ Elektronen mit den gebundenen Elektronen in der Hülle der Gasteilchen zusammen, wird Energie übertragen. Diese Energie wissen die Forscher auf vielfältige Weise zu nutzen.

Der Fokus der Abteilung Plasmatechnologie liegt auf der Oberflächenaktivierung und Reinigung, der Bildung von Barriereschichten und der Verkapselung sowie der Entkeimung.


Oberflächenaktivierung und Entkeimung durch Plasma

Duo-Plasmaline © IPF

„Wir können zum Beispiel die Oberflächeneigenschaften eines Substrats verändern“, erklärt Plasmaphysiker Dr. Andreas Schulz. „Dabei gehen wir sehr sanft mit den Oberflächen um." Im Elektron-Cyclotron-Resonanz (ECR)-Plasma werden die geladenen Teilchen durch Magnetfelder auf Kreisbahnen gezwungen, so dass sich ein lokales und sehr intensives, jedoch nicht-thermisches Plasma bildet. Durch die hohe Plasmadichte ergibt sich eine große chemische Reaktivität und infolgedessen hohe Beschichtungsraten. So können in wenigen Sekunden Kunststoffflaschen mit einer sehr gasdichten, hauchdünnen Quarzschicht überzogen werden. Ermöglicht wird der industrielle Einsatz des Plasmas vor allen Dingen durch die Duo-Plasmaline, eine patentierte Entwicklung des Instituts, durch die das Plasma auf einer Länge von mehreren Metern linear homogen erzeugt werden kann.

Intensive Forschungen betreiben die Physiker, um Mikroorganismen außer Gefecht zu setzen. Um die entkeimende Wirkung des Plasmas zu testen, wurden verschiedene Gase und deren Wirkung auf unterschiedliche Mikroorganismen geprüft. Bei den Tests mit Bacillus atrophaeus, einem allgemein sehr resistenten und sich insbesondere gegen die Einwirkung von Hitze schützenden Bakterium, konnten sehr gute Ergebnisse mit einem Plasma aus Luft erzielt werden. Die durch das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising durchgeführten Analysen ergaben, dass bereits nach einer Plasmabehandlung von einer Sekunde die Anzahl der koloniebildenden Restkeime um fünf Größenordnungen reduziert werden kann. Der hohe UV-Anteil und die vom Plasma erzeugten Radikale arbeiten dabei Hand in Hand. „Wir haben hier ein extrem breites UV-Spektrum, das die Keime in ihrer natürlichen Umgebung noch nie gesehen haben“, so Dr. Andreas Schulz.

Keine Schäden an der Substratoberfläche

Sauerstoffplasma © IPF

Häufig ist jedoch nicht nur die Entkeimung von Interesse, sondern auch die Entfernung von organischen Rückständen. Bereits nach einer 20-minütigen Behandlung im Sauerstoff-Plasma konnten die Wissenschaftler eine vollständige Beseitigung der organischen Rückstände von Bacillus atrophaeus nachweisen. „Durch die niedrige Energie der Ionen und Neutralteilchen kann eine Schädigung der Substratoberfläche praktisch vermieden werden“, erklärt Plasmaphysiker Joachim Schneider. So liefert die Plasmaentkeimung ein schnelles und unkompliziertes Sterilisations- und Reinigungsverfahren.

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