Antibakteriell wirksamesSchichtsystem in und auf d ¨ unnen

KapillarenNetzwerktag Chemie-Cluster Bayern

Furstenfeldbruck, 09. Nov. 2015

Gerhard Franz und Dieter Jocham

Hochschule Munchen fur Angewandte Wissenschaften

Universitatsklinikum Schleswig-Holstein zu Lubeck

http://www.gerhard-franz.org

Gerhard Franz – p. 1/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

Gerhard Franz – p. 2/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.

Gerhard Franz – p. 2/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.

Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.

Gerhard Franz – p. 2/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.

Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.

Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.

Gerhard Franz – p. 2/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.

Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.

Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.

Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.

Gerhard Franz – p. 2/18

Research for Health

Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .

. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.

Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.

Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.

Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.

Fur solche Patienten ist eine Vermeidungsstrategielebensnotwendig!

Gerhard Franz – p. 2/18

Antibakterielles System: Forderungen

Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.

Gerhard Franz – p. 3/18

Antibakterielles System: Forderungen

Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.

aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,

Gerhard Franz – p. 3/18

Antibakterielles System: Forderungen

Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.

aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,

Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,

Gerhard Franz – p. 3/18

Antibakterielles System: Forderungen

Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.

aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,

Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,

gute Haftung auf dem dreidimensionalen Substrat undsichere Langzeitwirkung

Gerhard Franz – p. 3/18

Antibakterielles System: Forderungen

Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.

aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,

Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,

gute Haftung auf dem dreidimensionalen Substrat undsichere Langzeitwirkung

⇒ Silber

Gerhard Franz – p. 3/18

Uberlegungen I

Wie beschichtet man eine Kapillare (innen und außen),die aus hydrophobem organischen Polymer(Elastomer) besteht, und die den elektrischen Stromnicht leitet?

L

d10 < L:d < 100

Gerhard Franz – p. 4/18

Uberlegungen I

Wie beschichtet man eine Kapillare (innen und außen),die aus hydrophobem organischen Polymer(Elastomer) besteht, und die den elektrischen Stromnicht leitet?

Dabei betragt das Verhaltnis Lange/Durchmesser derKapillaren etwa 50 − 100.

L

d10 < L:d < 100

Gerhard Franz – p. 4/18

Uberlegungen IIWie wird der Film vor vorzeitiger Erschopfung durch zuhohe Medikamentenabgabe geschutzt?

Katheter

Polyparylen mit

dispergiertem Silber

offenes Lumen

Katheter

Silber

Poly-Parylen

offenes Lumen

innen

Katheter aus

Polyurethan mit

chaotisch verteilten

Silberpartikeln

offenes Lumen

Gerhard Franz – p. 5/18

Uberlegungen IIWie wird der Film vor vorzeitiger Erschopfung durch zuhohe Medikamentenabgabe geschutzt?

Sandwichsystem

Katheter

Polyparylen mit

dispergiertem Silber

offenes Lumen

Katheter

Silber

Poly-Parylen

offenes Lumen

innen

Katheter aus

Polyurethan mit

chaotisch verteilten

Silberpartikeln

offenes Lumen

Gerhard Franz – p. 5/18

Herausforderungen

Silber wird als erstes abgeschieden

Stromlose Abscheidung aus wassriger Losung

im Zebrastreifendesign auf hydrophobem Elastomer.

Torsionen bei der ImplantationPeristaltik der Harnleiter. . .

Silber

Elastomer

Gerhard Franz – p. 6/18

Herausforderungen

Silber wird als erstes abgeschieden

Stromlose Abscheidung aus wassriger Losung

im Zebrastreifendesign auf hydrophobem Elastomer.

Die Deckschicht schutzt das Silber nur partiell ⇒ dasUmgebungsmedium reagiert zeitlich verzogert mit derantibakteriellen Schicht

⇒ Chemische Dampfabscheidung einer gleichmaßigdicken und einstellbar dunnen Deckschicht von typisch200 nm aus FDA-kompatiblem Polymer auf derInnenseite einer langen dunnen Kapillare.

Silber

Elastomer

Gerhard Franz – p. 6/18

2 praparative Highlights

Silberabscheidung.

Gerhard Franz – p. 7/18

2 praparative Highlights

Silberabscheidung.

Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.

Gerhard Franz – p. 7/18

2 praparative Highlights

Silberabscheidung.

Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.

1 Patent, 6 Patentanmeldungen

Gerhard Franz – p. 7/18

2 praparative Highlights

Silberabscheidung.

Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.

1 Patent, 6 Patentanmeldungen

9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited

Gerhard Franz – p. 7/18

2 praparative Highlights

Silberabscheidung.

Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.

1 Patent, 6 Patentanmeldungen

9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited

6 Aufsatze in Fachzeitschriften, 1 Aufsatz in einempopularwissenschaftl. Journal

Gerhard Franz – p. 7/18

Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:

Gerhard Franz – p. 8/18

Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:

AgNO3-Losung + Luftpakete

Gerhard Franz – p. 8/18

Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:

AgNO3-Losung + Luftpakete

Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches

Gerhard Franz – p. 8/18

Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:

AgNO3-Losung + Luftpakete

Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches

Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad..

.

.

.

Gerhard Franz – p. 8/18

Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:

AgNO3-Losung + Luftpakete

Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches

Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad.

Temperaturen zwischen 70 und 80 ◦C.

Gerhard Franz – p. 8/18

Abscheidung von Silber II

randomisiertes Muster von Zebrastreifen.

Gerhard Franz – p. 9/18

Abscheidung von Silber II

randomisiertes Muster von Zebrastreifen.

beliebig biegbar.

Gerhard Franz – p. 9/18

Abscheidung von Silber II

randomisiertes Muster von Zebrastreifen.

beliebig biegbar.

Abstande konnen leicht eingestellt werden.

Gerhard Franz – p. 9/18

Schutzschichten

Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).

Gerhard Franz – p. 10/18

Schutzschichten

Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).

Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.

Gerhard Franz – p. 10/18

Schutzschichten

Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).

Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.

Der bekannteste Vertreter dieser Klasse istPoly-Xylylen oder Parylen (PPX).

Gerhard Franz – p. 10/18

CVD: Verdampfung und Polymerisation

CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

Verdampfung des Dimeren zwischen 110 und 150 ◦C.

Gerhard Franz – p. 11/18

CVD: Verdampfung und Polymerisation

CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

700 ◦C

Thermische Dissoziation bei hohen Temperaturen

Gerhard Franz – p. 11/18

CVD: Verdampfung und Polymerisation

CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

Plasma

oder Dissoziation mit Plasmen.

Gerhard Franz – p. 11/18

CVD: Verdampfung und Polymerisation

CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

Das Monomere polymerisiert an allen kalten Stellen.Der Reaktor wirkt als Kryopumpe.

Gerhard Franz – p. 11/18

Gleichmaßige Dicke der Deckschicht I

Random Walk bedeutet chaotische Diffusion.

Funktioniert nur, wenn die Moleküle nichthängenbleiben.

0 5 10 15 20 25 30

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00 N2, 75 mTorr, D = 500 cm2/sec, 45 Å

2

Diffusion aus einerunerschöpflichen Quelle

100 sec10 sec1 sec0.5 sec0.1 sec

N(x

,t)/N

0

x [cm] Gerhard Franz – p. 12/18

Gleichmaßige Dicke der Deckschicht II

Polymerbildende Spezies fallen aus dem Ensemblechaotisch diffundierender Molekule aus.

0 10 20 30

200

400

600

800

1000

d[n

m]

x [cm]

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Gleichmaßige Dicke der Deckschicht III

Abscheiderate nimmt mit steigender Temperatur ab.

-20 -10 0 10 20 30

0

500

1000

1500

2000

2500

Le Chatelier

p: 50 mTorr (7 Pa)reines PPXVerdampfungstemperatur: 150 °CCrackertemperatur: 650 °C

G.-R. Yang, S. Ganguli, J. Karcz, W.N. Gill, T.-M. Lu;J. Cryst. Growth.183, 385 (1998)

DR = 1307Å/min - 50xT

Deposi

tionsr

ate

[Å/m

in]

Substrattemperatur [°C]

Wasserkühler

Kupfer-Schiene

heizendes Peltier-Elementkühlendes Peltier-Element

Alu-Schiene

GlasobjektträgerSackloch

Gerhard Franz – p. 14/18

Gleichmaßige Dicke der Deckschicht III

Abscheiderate nimmt mit steigender Temperatur ab.

-20 -10 0 10 20 30

0

500

1000

1500

2000

2500

Le Chatelier

p: 50 mTorr (7 Pa)reines PPXVerdampfungstemperatur: 150 °CCrackertemperatur: 650 °C

G.-R. Yang, S. Ganguli, J. Karcz, W.N. Gill, T.-M. Lu;J. Cryst. Growth.183, 385 (1998)

DR = 1307Å/min - 50xT

Deposi

tionsr

ate

[Å/m

in]

Substrattemperatur [°C]

⇒ gegenlaufiges Temperaturprofil mit heißen undkalten Peltier-Elementen

Wasserkühler

Kupfer-Schiene

heizendes Peltier-Elementkühlendes Peltier-Element

Alu-Schiene

GlasobjektträgerSackloch

Gerhard Franz – p. 14/18

Gleichmaßige Dicke der Deckschicht IV

Gegenlaufiges T-Profil . . .

+ _

V2

+_

V1

Sackloch

Heizungs-element

2

Heizungs-element

1

Thermo-element1 2

EndeMündung

V2

+_

Heizungs-element

3

3

0 5 10 15 20 25 3020

30

40

50

60

70

80

heating cuff

furn

ace

tem

pera

ture

[°C

]

x [cm]

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

rela

tive

thic

kness

relative layer thickness

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Gleichmaßige Dicke der Deckschicht IV

Gegenlaufiges T-Profil . . .

+ _

V2

+_

V1

Sackloch

Heizungs-element

2

Heizungs-element

1

Thermo-element1 2

EndeMündung

V2

+_

Heizungs-element

3

3

. . . führt zu gleichmäßigerem Dickenprofil.

0 5 10 15 20 25 3020

30

40

50

60

70

80

heating cuff

furn

ace

tem

pera

ture

[°C

]

x [cm]

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

rela

tive

thic

kness

relative layer thickness

Gerhard Franz – p. 15/18

Losungen

maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer

√

Gerhard Franz – p. 16/18

Losungen

maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer

√

gezielt porose Deckschicht aus korperkompatiblemPolymer auf der Innenseite einer Kapillare mit einerDicke von deutlich unter 1 µm(Dampfdrucktopfverfahren von Papin)

√

Gerhard Franz – p. 16/18

Losungen

maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer

√

gezielt porose Deckschicht aus korperkompatiblemPolymer auf der Innenseite einer Kapillare mit einerDicke von deutlich unter 1 µm(Dampfdrucktopfverfahren von Papin)

√

gleichmaßig longitudinale Deckschicht auf derInnenseite einer Kapillare (Temperaturwippe)

√

Gerhard Franz – p. 16/18

Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein

Gerhard Franz – p. 17/18

Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein

Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen

Gerhard Franz – p. 17/18

Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein

Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen

Analytik-Know How: Hochschule Munchen

Gerhard Franz – p. 17/18

Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein

Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen

Analytik-Know How: Hochschule Munchen

Geldquellen: BMBF + Freistaat Bayern + BMWi ⇒3 kooperative Promotionen

Gerhard Franz – p. 17/18

Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein

Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen

Analytik-Know How: Hochschule Munchen

Geldquellen: BMBF + Freistaat Bayern + BMWi ⇒3 kooperative Promotionen

Umsetzung + Finanzierung der vorklinischen Studie:unser Lizenznehmer, die Fa. Urokink inHalberstadt/Hannover

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Danke fur das Interesse an unserer Arbeit!

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und

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Ihr Urteil

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