DE19936059A1 - Verfahren zur Herstellung von antimikrobiellen Kunststoffkörpern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von antimikrobiellen KunststoffkörpernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von antimikrobiellen metallhaltigen
Kunststoffkörpern, insbesondere Gegenstände für den medizinischen Bedarf. Diese
Gegenstände werden insbesondere in Form von Kathetern verwendet.
Ein erheblicher Nachteil von Kunststoffgegenständen für den medizinischen Bedarf,
insbesondere von Kurz- und Langzeitkathetern besteht in der leichten Besiedelbarkeit der
verwendeten Kunststoffe mit oft multi-resistenten Keimen, die auf der Oberfläche des
Kunststoffkörpers, bzw. auf der Katheteraußen- und -innenseite, einen Biofilm bilden.
Eine prophylaktische Imprägnierung der Oberflächen mit Antibiotika scheidet wegen der
damit verbundenen hohen Selektion von resistenten Mikroorganismen aus.
In den letzten Jahren wurden daher zahlreiche Versuche unternommen, die
Kunststoffoberflächen mit Silberionen, die z. B. aus Silbernitrat, -acetat, -chlorid stammen,
zu imprägnieren. Silberionen besitzen von allen Schwermetallionen ein sehr breites
antimikrobielles Spektrum und eine hohe Toxizität gegenüber Mikroorganismen durch
z. B. die Bindung an die Zellwand über SH-Gruppen, Blockierung der Atmungskette,
Unterbinden der Zellproliferation durch DNA-Bindung, aber eine geringe Toxizität
gegenüber animalischen Zellen. Hierbei konnte jedoch in verschiedenen klinischen
Studien keine ausreichende mikrobielle Wirksamkeit beobachtet werden. Zusätzlich führt
die ätzende Wirkung bzw. die schlechte Wasserlöslichkeit von Silbersalzen zu weiteren
Problemen in der Anwendung.
Bei Kontakt von Metalloberflächen wie z. B. Silber mit physiologischer NaCl-Lösung
werden in Abhängigkeit von der Größe der Metalloberfläche Metallionen (Silberionen) in
Freiheit gesetzt. Die Beimischung von Metallpulver, z. B. von Silberpulver, zu einem
Polymer, z. B. Polyurethan, führt jedoch nicht zum Erfolg, da auf Grund der geringen
Oberfläche relativ hohe Konzentrationen an Metallpulver erforderlich sind, was
mechanische Probleme im Kunststoffmaterial verursacht. Die für eine antimikrobielle
Wirksamkeit erforderliche kritische Oberfläche ist daher durch Zumischen von
Metallpulver nicht erreichbar.
EP-A-0 711 113 offenbart eine neue Technologie, bei der metallisches Silber auf
Polyurethanfolien aufgedampft und diese in zerkleinerter Form compoundiert werden.
Dadurch konnte eine gleichmäßige Verteilung von Silberpartikeln im Polymermaterial
erreicht und somit eine für eine bakteriostatischen Wirksamkeit ausreichend große
Oberfläche erzielt werden. Die antimikrobielle Wirksamkeit dieser Kunststoffkörper ist
sowohl hinsichtlich Reduktion und Verhinderung von Adhärenz, Biofilmbildung und
Langzeitverhalten als auch Toxizität und Verträglichkeit sehr gut belegt. Die
Anwendbarkeit vorstehender Kunststoffkörper wird jedoch durch einen zeitaufwendigen
und kostenintensiven Herstellungsprozess, vor allem verursacht durch das Bedampfen mit
Silber, limitiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung eines Verfahrens zur
Herstellung von antimikrobiell wirksamen Kunststoffkörpern, welche die vorstehenden
Nachteile nicht aufweisen, d. h. einfach herstellbar sind und eine ausreichende
Silberionenkonzentration an der Oberfläche liefern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß vor
dem Formen des Kunststoffkörpers mindestens ein Bestandteil des Vorprodukts des
Formkörpers mit einem Silberkolloid behandelt wird.
Als Ausgangsmaterial für den Kunststoffkörper kommen viele polymere Verbindungen in
Betracht, die im medizinischen Bereich üblicherweise verwendet werden. Diese sind
insbesondere Polyethylen, Polypropylen, vernetzte Polysiloxane, Polyurethane, Polymere
auf (Meth)acrylat-Basis, Cellulose und Cellulosederivate, Polycarbonate, ABS,
Tetrafluorethylenpolymere und Polyethylenterephthalate, sowie die entsprechenden
Copolymeren. Besonders bevorzugt sind Polyurethan, Polyethylen und Polypropylen
sowie Polyethylen-Polypropylen-Copolymere. Das eingesetzte Metall ist vorzugsweise
Silber, Kupfer, Gold, Zink oder Cer. Von diesen Metallen ist Silber besonders bevorzugt.
Neben dem kolloidalen Metall wird bei der Herstellung der erfindungsgemäßen
Kunststoffkörper ein oder mehrere Polymerwerkstoffe eingesetzt. Dem Gemisch aus
kollidalem Metall und Kunststoff(en) können auch weitere Additive zugesetzt werden.
Dies sind insbesondere anorganische Teilchen wie Bariumsulfat, Calciumsulfat,
Strontiumsulfat, Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolithe, Glimmer, Talk,
Kaolin usw. Besonders bevorzugt ist dabei Bariumsulfat, das gleichzeitig als
Röntgenkontrastmittel für besondere Anwendungsformen dienen kann.
Vor dem Formen wird ein oder mehrere Polymerbestandteile mit der kolloidalen
Metalllösung behandelt und/oder ein oder mehrere der anorganischen Additive.
Nach dem Mischen der (teilweise) mit einem kolloidalen Metall behandelten
Ausgangsstoffe wird das erhaltene Gemisch weiterverarbeitet, um einen
Kunststoffformling zu erhalten. Dies kann in Mischern, Knetern, Extrudern,
Spritzgießmaschinen oder (Heiß)pressen geschehen.
Die Metallkolloide mit denen die Kunststoffe oder anorganischen Teilchen behandelt
werden, stellt man geeigneterweise durch Reduktion von Metallsalzlösungen her. Zur
Stabilisierung des entstehenden Kolloids können Schutzstoffe wie Gelatine, Kieselsäure
oder Stärke eingesetzt werden.
Im Falle des bevorzugten Metalls Silber wird z. B. ammoniakalische Silbernitratlösung in
der Gelatine langsam mit einem geeignetem Reduktionsmittel versetzt. Als
Reduktionsmittel können neben Aldehyden (z. B. Acetaldehyd) auch Aldosen (z. B.
Glucose), Chinone (z. B. Hydrochinon), anorganische komplexe Hydride (Natrium- oder
Caliumboranat), reduzierende Stickstoffverbindungen (Hydrazin, Polyethylenimin) sowie
Ascorbinsäure verwendet werden Kunststoffvorprodukte, wie z. B. Pellets, und/oder die
anorganischen Teilchen, wie z. B. Bariumsulfat, werden dann mit dieser kolloidalen
Silberlösung behandelt, getrocknet und in die entsprechende Form gebracht. Das
Aufbringen des Silberkolloids auf die Ausgangsstoffe und das anschließende Trocknen
kann mehrmals wiederholt werden, so daß auf diesem Wege sehr hohe
Silberkonzentrationen in das Kunststoffmaterial eingebracht werden können. Dies ist
insbesondere bei der Silberbeschichtung von Bariumsulfat vorteilhaft, da so eine vorherige
Beschichtung der Kunststoff-Pellets nicht zwingend erforderlich ist.
Die Verwendung von z. B. Gelatine oder Stärke als Kolloidstabilisator kann bei der
Adsorption von Silber die anorganischen Teilchen unterbleiben, da die bei der Reduktion
entstehenden mikrokristallinen Silberpartikel adsorbtiv an die Oberfläche der
anorganischen Teilchen gebunden werden und somit die Ausbildung einer geschlossenen
Silberschicht auf dem Feststoff verhindert wird.
Durch Variation oder Weglassen der Kolloidstabilisatoren sowie der Reduktionsmittel
kann die Partikelgröße des Silbers und damit die Mobilität der entstehenden Silberionen in
einem weiten Bereich gesteuert und darüber hinaus durch die Verwendung von
niedermolekularen Aldehyden als Reduktionsmittel, welche die Gelatine teilweise
vernetzen, eine sehr gute Haftung auf dem Polymer erreicht werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren durch Beispiele veranschaulicht.
1,0 g Gelatine (DAB) werden bei 40°C in 100 ml aqua dest. unter Rühren gelöst. Hierzu
gibt man anschließend 1,0 g (5,88 mmol) AgNO3 p. a. und versetzt die entstandene Lösung
mit 1,0 ml (14,71 mmol) 25%-igen NH3-Wasser.
Zur Darstellung des Silberkolloids werden zu vorstehender Lösung bei 40°C langsam
über einen Zeitraum von 30 min 258,7 mg (5,88 mmol, 330 µl) Acetaldehyd gelöst in 50 ml
aqua dest. getropft.
10 min nach beendetem Zutropfen gemäß Beispiel 1 werden ca. 50 g Polyurethan-Pellets
aus Tecothane TT-1085A zugesetzt und zur Beschichtung mit kolloidalem Silber zunächst
2 h bei 40°C und anschließend 3 h bei RT kräftig gerührt.
Man trennt das Silberkolloid durch rasche Filtration über einen Faltenfilter geeigneter
Porengröße ab, wäscht die Pellets noch einmal mit dem Filtrat nach und überführt die
noch feuchten Pellets in eine Abdampfschale. Nach dem Entfernen überschüssiger nicht
am Polymer anhaftender Silberkolloidlösung wird 10 h bei 70°C getrocknet.
Man setzt der im Beispiel beschriebenen wäßrigen ammoniakalischen Lösung aus
Silbernitrat und Gelatine 50 g BaSO4 zu, und versetzt diese Suspension analog Beispiel 1
langsam mit einer wäßrigen Lösung des Reduktionsmittels bei 40°C. Somit wird das sich
bildende Silberkolloid direkt an das als Röntgenkontrastmittel wirkende BaSO4 adsorbiert.
Die Suspension wird anschließend durch Eindampfen bei 75°C vom Wasser befreit und
kann als wasserfreier Feststoff in homogener und gut compoundierbarer Form erhalten
werden.
Die gemäß Beispiel 3 erhaltene Suspension aus Silbernitrat, Gelatine und Bariumsulfat
wird durch Filtration vom Lösungsmittel und anschließend durch Nachwaschen zunächst
mit ca. 5%-iger Ammoniaklösung und dann mehrmals mit aqua dest. von allen
niedermolekularen organischen Verbindungen befreit. Der Filterrückstand liefert nach
Lufttrocknung bei 75°C analog Beispiel 3 ein homogenes Material. Auch dieser Prozess
kann mehrmals wiederholt werden.
Zur Bestimmung der Besiedelbarkeit der erfindungsgemäßen Kunststoffkörper mit
Keimen wurden jeweils fünf zylinderförmige Proben des entsprechenden Kunststoffs
(Durchmesser 3 mm, Länge 13 mm) mit einer Zusammensetzung enthaltend
Staphylococcus epidermis in einer Trypcase-Soy-Broth-Nährlösung bei 175°C inkubiert.
Folgende Kunststoffkörper wurden untersucht (Nummer 1 ist handelsüblich und
unbehandelt, Nummer 2 und 3 sind erfindungsgemäß):
Prüfkörper 1: Stück aus einem PU-Katheter der Firma Arrow (Es 04701)
Prüfkörper 2: gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung
Prüfkörper 3: gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
Prüfkörper 1: Stück aus einem PU-Katheter der Firma Arrow (Es 04701)
Prüfkörper 2: gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung
Prüfkörper 3: gemäß Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
Die jeweils 5 Prüfkörper wurden vier Testreihen unter folgenden Bedingungen
unterzogen:
Testreihe 1: anfängliche Konzentration von Staphylococcus epidermis 5 × 107 CFU/ml
Testreihe 2: anfängliche Konzentration von Staphylococcus epidermis 108 CFU/ml
Testreihe 3: wie Testreihe 1, jedoch noch einer 5-stündigen Vorinkubation in physiologischer Pufferlösung bei 37°C gemessen
Testreihe 4: wie Testreihe 1, wobei die Kunststoffkörper mit steril filtriertem natürlichen Harn bei 37°C 4 Stunden lang vorbehandelt wurden.
Testreihe 1: anfängliche Konzentration von Staphylococcus epidermis 5 × 107 CFU/ml
Testreihe 2: anfängliche Konzentration von Staphylococcus epidermis 108 CFU/ml
Testreihe 3: wie Testreihe 1, jedoch noch einer 5-stündigen Vorinkubation in physiologischer Pufferlösung bei 37°C gemessen
Testreihe 4: wie Testreihe 1, wobei die Kunststoffkörper mit steril filtriertem natürlichen Harn bei 37°C 4 Stunden lang vorbehandelt wurden.
Tabelle 1 zeigt die Anzahl der besiedelten Kunststoffkörper. Bestimmt wurde dies durch
visuelle Kontrolle.
Die Kathetermaterialien zeigen nach dem Compoundieren keine Beeinträchtigung der für
therapeutische Zwecke nötigen mechanischen Eigenschaften (Rauhigkeit, Homogenität
und Elastizität). Hierbei kann das Verfahren gut an wechselnde Anforderungen im
Produktionsprozess angepaßt werden, da die antimikrobielle Wirksamkeit unabhängig
davon erhalten bleibt ob das Silber über eine Beschichtung der Polyurethan-Pellets
(Beispiel 2) oder über das Röntgenkontrastmittel (Beispiel 3 und 4) in das
Polymermaterial eingebracht wird.
Die erfindungsgemäßen Kunststoffgegenstände zeigen bei vergleichbar geringer Toxizität
eine signifikant höhere antimikrobielle Wirksamkeit hinsichtlich Adhärenz und
Biofilmbildung sowie ein deutlich verbessertes Langzeitverhalten als bisherige
Werkstoffe.
Die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind gut kontrollierbar, kostengünstig und
für eine Produktion im größeren Maßstab geeignet. Zusätzlich wurde mit Beispiel 4 ein
Verfahren ausgearbeitet alle "Hilfschemikalien" aus dem anorganischen Kontrastmittel zu
entfernen, so daß eine Zertifizierung des Verfahrens keine Probleme bereiten sollte.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung eines antimikrobiellen Kunststoffkörpers, umfassend
das Formen eines Vorprodukts, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen
mindestens ein Bestandteil des Vorprodukts mit einem Metallkolloid behandelt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorprodukt aus einem oder mehreren
polymeren Materialien besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Vorprodukt aus Polyurethan besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei den Kunststoffvorprodukt
neben den polymeren Werkstoffen weitere Additive zugegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Additive aus anorganischen Teilchen
bestehen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die anorganischen Teilchen Bariumsulfat,
Calciumsulfat, Strontiumsulfat, Titanoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolithe,
Glimmer, Talk oder Kaolin umfassen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die anorganischen Teilchen Bariumsulfat
umfassen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eines oder mehrere der
Vorproduktbestandteile mit dem kolloiden Metall behandelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei sowohl der Kunststoff als
auch die anorganischen Teilchen mit dem kolloiden Metall behandelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die anorganischen Teilchen
mit dem Metallkolloid behandelt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Metallkolloid kolloidales
Silber ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das behandelte Vorprodukt
durch Mischen, Kneten, Extrudieren, Spritzgießen oder (Heiß)pressen in die
endgültige Form gebracht wird.
13. Kunststoffkörper erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Kunststoffkörper nach Anspruch 13 in Form eines Katheters.
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