PVD-Beschichtungen für medizinische Instrumente

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Nordson (Schweiz) AG - EFD Dosiertechnik

Mikron Switzerland AG, Division Tool

OC Oerlikon Balzers AG

Auch 20 Jahre nach ihrer Einführung in die Medizintechnik-Industrie überzeugen PVD-Beschichtungen wie Titannitrid (TiN) durch ihre Härte (2200 bis 2400 Vickers) und Verschleissfestigkeit. Ungeachtet der funktionalen Eigenschaften diente die Beschichtung an den ersten medizinischen Instrumenten allerdings nur als dekoratives, hochwertiges Finish. Titannitrid hat sich aufgrund seiner breiten Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik durchgesetzt. Das beweisen u. a. die vielen Bücher und Tests, in denen die biologische Verträglichkeit der Beschichtung nachgewiesen werden konnte, sowie zahllose Präzedenzfälle der FDA.

Im Ergebnis haben sich weitere PVD-Beschichtungen wie diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und Aluminium-Titannitrid (AlTiN) – insbesondere für die Beschichtung von Edelstahl – durchgesetzt. Dies ist von besonderer Bedeutung, da nur wenige Oberflächenverfahren auf Edelstahl angewendet werden können, ohne dass es zu Einbussen bei den gewünschten funktionalen Eigenschaften kommt. DLC-Beschichtungen bieten eine ähnliche Kombination aus niedrigem Reibungskoeffizienten wie PTFE, allerdings mit der Härte von Keramik. Die Beschichtung hat gute funktionale Eigenschaften, wie hervorragende Verschleissfestigkeit, Schmierfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Antihaftwirkung und Antifouling. Mit dünnen Hartstoffschichten bleiben auch die Kanten von chirurgischen Instrumenten länger scharf, was die Einsatzdauer des Instruments erheblich verlängert. Dank der saubereren Schnitte können zudem chirurgisch gesetzte Wunden schneller heilen und damit die Genesungszeit der Patienten verkürzt werden.

Neben dem niedrigen Reibungskoeffizienten und der Verschleissfestigkeit können PVD-Beschichtungen auch im Trockenlauf das Schmieren überflüssig machen. Damit sind sie besonders geeignet für pneumatische Gerätekomponenten wie an chirurgischen Knochensägen oder beim Einsetzen und Entfernen von Marknägeln. Auch Chirurgen, die unter dem extrem hellen Licht einer OP-Beleuchtung arbeiten müssen, empfinden PVD-Beschichtungen wegen ihrer nicht reflektierenden Eigenschaften als sehr angenehm. Oerlikon Balzers Balimed ALTIN, Balimed DLC und Balimed C sind beispielsweise schwarz oder dunkelgrau, sodass Chirurgen im hell ausgeleuchteten Operationssaal schneller und bequemer arbeiten können.

Antimikrobielle Eigenschaften

Ein weiterer, von Herstellern und Inverkehrbringern von Medizintechnik, zu berücksichtigender Faktor ist die Frage, welche antimikrobiellen Eigenschaften die von ihnen gewählte Beschichtungslösung aufweist. Invasive chirurgische Instrumente umgehen das natürliche Abwehrverhalten des Körpers. Um Infektionen zu vermeiden, kommt es entscheidend darauf an, dass die Oberflächen der Instrumente weitestgehend antimikrobiell sind. Die mit Silber dotierten Titan-Nitrid-Beschichtungen (TiN-Ag) von Oerlikon Balzers mit einer Schichtdicke von ca. 2 μm wurden speziell dafür entwickelt und gehören derzeit zu den wenigen Beschichtungen, die diesen antimikrobiellen Schutz bieten.

TiN-Ag weist eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit mit einer Log-3-​Verringerung bei SA (Staphylococcus aureus) und dem MRSA-Strang (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus) auf. Die antimikrobielle Wirkung wurde ausserdem durch ASTM/JIS bestätigt. Darüber hinaus hat TiN-Ag beim Zytotoxizitätstest (ISO 10993-5) keine zytotoxische Wirkung gezeigt. Insbesondere die TiN-Ag-Beschichtungen von Oerlikon Balzers sind speziell nach der MEM-Elutionsmethode über 72 Stunden (nach US FDA 21 CFR Abschnitt 58) zertifiziert.

Unabhängig von den antimikrobiellen und biokompatiblen Eigenschaften einer Beschichtung bleibt diese jedoch letztlich wertlos, wenn sie sich nach der thermischen Behandlung im Rahmen eines Autoklavenzyklus von der Oberfläche des Bauteils ablöst. Aus diesem Grund wurde die TiN-Ag-Beschichtung so konzipiert, dass sie ohne Nachlassen der antimikrobiellen Wirkung mehrere Autoklavenzyklen übersteht (nachweisliche Verringerung um 3 log-Stufen nach 50 Autoklavenzyklen). Mit einer antimikrobiellen PVD-Beschichtung lässt sich die Produktqualität im Vergleich zu den Konkurrenzprodukten auf ein deutlich höheres Niveau heben.

Massgeschneiderte Beschichtungslösungen

Um sich noch weiter von anderen Produkten absetzen zu können, fordern Hersteller von medizinischen Instrumenten mehr individuelle Oberflächenbeschichtungen. Unternehmen wie Oerlikon Balzers verfügen über die F&E-Einrichtungen, um Beschichtungslösungen spezifisch auf die entsprechende Applikation anzupassen. Neben Schichtdicke und -härte lassen sich Eigenschaften wie Struktur, Beständigkeit gegen Chemikalien und Temperatur sowie die Haftfestigkeit präzise steuern. Die beste Lösung ist, wenn Kunden uns bereits in der Designphase miteinbeziehen und, basierend auf der jeweiligen Problemstellung, gemeinsam eine Beschichtungslösung gefunden werden kann. Dabei ist zu empfehlen, PVD- und PACVD-Beschichtungen als funktionales Designelement zu sehen, um das Potenzial dieser Technologie voll auszuschöpfen und die Wertigkeit ihrer Präzisionskomponenten zu steigern. SMM

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