Antibakteriell wirksames Schichtsystem in und auf d¨unnen...

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 . . .


Research for Health


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


Research for Health



Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.


Research for Health




Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.


Research for Health





Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.


Research for Health





Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.

Fur solche Patienten ist eine Vermeidungsstrategielebensnotwendig!


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






gute Haftung auf dem dreidimensionalen Substrat undsichere Langzeitwirkung

⇒ Silber


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


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


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


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


Herausforderungen

Silber wird als erstes abgeschieden

Stromlose Abscheidung aus wassriger Losung

im Zebrastreifendesign auf hydrophobem Elastomer.

Torsionen bei der ImplantationPeristaltik der Harnleiter. . .

Silber

Elastomer


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


2 praparative Highlights

Silberabscheidung.



Silberabscheidung.

Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.



Silberabscheidung.


1 Patent, 6 Patentanmeldungen



Silberabscheidung.



9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited



Silberabscheidung.



9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited

6 Aufsatze in Fachzeitschriften, 1 Aufsatz in einempopularwissenschaftl. Journal


Abscheidung von Silber I

hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)

Zweiphasen-Verfahren:



hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)


AgNO3-Losung + Luftpakete



hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)



Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches



hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)




Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad..

.

.

.



hanger

pump

thermal bath

adapter

waste

valve

airTollens

reagens

controller

(Arduino)




Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad.

Temperaturen zwischen 70 und 80 ◦C.


Abscheidung von Silber II

randomisiertes Muster von Zebrastreifen.




beliebig biegbar.




beliebig biegbar.

Abstande konnen leicht eingestellt werden.


Schutzschichten

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


Schutzschichten


Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.


Schutzschichten


Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.

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


CVD: Verdampfung und Polymerisation

CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

Verdampfung des Dimeren zwischen 110 und 150 ◦C.



CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

700 ◦C

Thermische Dissoziation bei hohen Temperaturen



CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

Plasma

oder Dissoziation mit Plasmen.



CH2

2 n

CH2

CH2 2nCH2

n

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


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]


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


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


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


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


Losungen

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

√


Losungen


√

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

√


Losungen


√

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)

√


Organisation

Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein


Organisation


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


Organisation



Analytik-Know How: Hochschule Munchen


Organisation




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


Organisation




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

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


Danke fur das Interesse an unserer Arbeit!


und


Ihr Urteil


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