Materialverträglichkeit: Dosis und Effekt. Jorge Sague RMS Foundation, Bettlach

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1 Materialverträglichkeit: Dosis und Effekt Jorge Sague RMS Foundation, Bettlach

2 Materialverträglichkeit: Dosis und Effekt

3 Sterilisationsverfahren und Materialverträglichkeit γ-radiation Degradation Polymere Komposite Energie plasma Steam UV Metalle Keramik

4 Sterilisationsverfahren und Materialverträglichkeit AAPS PharmSciTech Dec; 12(4):

5 Die molare Masse verändert sich in Abhängigkeit der Bestrahlungsdosis (5, 15, 25 and50 kgy) bei PEGd, lpla, PEG-PLGA (Multiblock-co-polymere) und bei PLA, PLGA Polymeren AAPS PharmSciTech June; 9(2): Verlust der Aktivität in Kombinationsprodukten in Abhängigkeitder ETO Sterilisierung (µg/cm 2 ) [Abbott Vascular] AAPS PharmSciTech Dec; 12(4):

6 Monomere: von griechisch monos«ein», «einzel» und meros«teil», «Anteil» Polymer: von griechisch poly«viel»und meros«teil», aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut. Kristalline Domäne Amorphe Domäne

7 - Gamma Bestrahlung - Ethylenoxid() - Dampfsterilisation -Plasma (a) Bildung von Radikalen, (b) Vernetzung, (c) Kettenspaltung, (d) Oxidationsprozess, (e) Entwicklung von Gasen und Nebenprodukten (a) (b) (e) H 2(g), N 2(g) Nebenprodukten (c) (d)

8 Gammabestrahlung Wie funktioniert das?: Die hoch energetische Strahlung durchdring sämtliches biologisches und organisches Material. Es werden Molekülketten zerschlagen und Radikale gebildet. Hohe Anwendbarkeit: Hohe Durchschlagskraft, kleiner Temperaturanstieg, geringere Validierungsanforderungen und Kosten. Gammabestrahlung

9 Gammabestrahlung: Energieaufnahme vs. Energiedissipation Polyethylen vs. Teflon Gamma Gute Energiedissipation aromatische Gruppe, leichte Atome in der Polymerkette (C-H Bindung ) Gammadosen von 4 kgyfür Teflon und 4000 kgyfür Styrol sind notwendig, um einen ähnliche Kettenspaltung zu erzeugen. Schlechte Energiedissipation Polymerkettenspaltung (PP, PTFE, Acetal)

10 Gammabestrahlung: Flexibilität vs. Steifigkeit Polyethylen vs. Polycarbonat Gamma Rekombinierungbei hohe Kettensteifigkeit wie bei Polycarbonat («Selbstheilung») In einen Polyethylen mit mittleren Molekulargewicht (löslich in Dekalin) sind nur 8-9 Vernetzungen pro Kette notwendig, damit das Polymer unlöslich wird. Vernetzung (Crosslink)bei flexible Polymerkette wie bei Polyethylen

11 Gammabestrahlung Freie Radikale Positive Auswirkung Negative Auswirkung Vernetzung grosse Polymernetzwerke bessere Zugfestigkeit Kettenspaltung, Molekulargewicht, Gasentwicklung, ungesättigte Bindungen schlechtere Schlagfestigkeit Versprödung Beständigkeit nimmt zu bei: - Materialien mit aromatischen Gruppen (PEEK, PS ) - amorphen Materialien - «lowdensity» Materialien - Materialien mit niedriger Sauerstoffdurchlässigkeit - Materialien mit kleinen Seitengruppen

12 Gammabestrahlung: Stabilität von medizinischen Polymeren Stability and stabilization of polymers under irradiation (AIEA, IAEA-TECDOC-106), Association for the Advancement of Medical Instrumentation web site at for a material qualification technical information report and sterilization standard.

13 Sterilisation mit Ethylenoxid Wie funktioniert das?: Bewirk eine chemische Veränderung und dadurch eine Veränderung der Struktur(bei Proteinen Denaturierung, Alkylierungsreaktion). Wann anwendbar: Für Objekte, die empfindlich auf hohe Temperaturen und Feuchtigkeit (wie beim Autoklavieren) reagieren. Bei sehr geringen + 30 C bis + 60 C Temperaturschwankungen. Ethylenoxid()

14 Desorptionszeit Polyurethan 75D vs. Nylon 66 und Polyurethan 80A Materialien Geometrie Im Zusammenhang mit der Verwendung von -sterilsiertenhämodialysefilternwurden allergische Forthisstudythedifferent Reaktionen im Sinne materials(0.5 eines anaphylaktischen mm thick, 10x45 mm Schockes strips) weresterilizedwiththeuseof10% berichtet. Ein gleicher Effekt gibt EO es at auch 54 C, mit 65% Knochenzementen RH for130 min, followedby12 wie z.b. «Palacos»). h aerationat 132 C. J Biomed Mater Res B Appl Biomater Aug 15;66(2):

15 Sterilisation mit Ethylenoxid Alkylierungsmittel Positive Auswirkung Negative Auswirkung für fast jeden Kunststoff anwendbar löst keine grösseren Degradierungsprozesse aus Wiederholbarkeit die Eindringfähigkeit ist begrenzt toxische Rückstande oder Nebenprodukte können in den Polymeren bleiben (Karzinogen) Kummulierbarkeit für kontaminierte Objekte nicht geeignet Desorptionszeit nimmt zu bei: - kristallinen Materialien - höherem Molekulargewicht - härteren Materialien - höherer Porosität (niedriger Diffusionskoeffizient und eine hohe Löslichkeit)

16 Ethylenoxid: Stabilität von medizinischen Polymeren

17 Autoklav Wie funktioniert das?: Die Wirkung beruht auf feuchter Hitze. Diese führt zur Inaktivierung von Mikroorganismen, indem die Proteine denaturiert und hydrolisiert werden(gerinnt). Wann anwendbar: Für Objekte, die Feuchtigkeit, hohen Druck (1 bis 3,5 Atmosphären) und hohe Temperaturen(121 C bis C) vertragen. Dampfsterilisation H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O

18 Autoklav Wirkung und Nebenwirkungen Materialien: Polyester, Polyamide, Hydrogele, Kohlenhydrate, Silikone, Polyurethane, Acrylate Food Hydrocolloids, Volume 31, Issue 1, 2013,

19 Autoklav Dampf Positive Auswirkung Negative Auswirkung Schnelle Betriebszeiten Dampf ist technisch gut kontrollierbar Ungiftig (belastet die Umwelt nicht) hinterlässt keine Rückstände auf dem Sterilisiergut ist relativ preiswert zu erzeugen. Nicht geeignet für thermolabiles Material (depolimerization) Der Sterilisationseffekt wird nur durch direkten Kontakt erreicht Schwellung Verformung Freisetzung von zytotoxischen Stoffen. Degradierung nimmt zu bei: - geringer Hitzebeständigkeit - kleinem Molekulargewicht - Anwesenheit von hydrolytischen instabilen Bindungen (Ester, Amide, Silikone) - niedrige Glasübergangstemperatur

20 Autoklav: Stabilität von medizinischen Polymeren

21 Plasmasterilisierung Wie funktioniert das?: Plasmasterilisation bewirkt in der kombinierten Verwendung mit einem Oxidationsmittel die Erzeugung von freien Radikalen und führt zu chemischen Oberflächenveränderung. Wann anwendbar: Bei besonders temperaturempfindlichen Materialien.. HO. UV-Strahlung H 2 O HO Ionen 2 H 2 O 2 HO. HO. HO. Plasma

22 Plasmasterilisierung Mechanische Eigenschaften von Polyurethan Elast-Eon 2A Pellethane A Mechanical properties ( UTS, elongation and Young's modulus) of Elast-Eon and Pellethane as a percentage of unsterilised controls (mean±sd). Biomaterials, Volume 27, Issue 25, 2006,

23 Plasmasterilisierung Radikale, Ionen, UV Positive Auswirkung Negative Auswirkung Schneller Prozess kleine thermische Belastung Prionenkönnen deaktiviert werden minimale Auswirkungen auf materielle Dimension und Eigenschaften nicht Karzinogen Der Prozess muss an das Objekt und die Art der Verkeimungangepasst werden Einsatz für gleichartige Produkte H 2 O 2 Rückstände die Sterilisation erfolgt zwischen Sterilverpackung und Umverpackung. Degradierung nimmt zu bei: - nicht-katalytischen, nicht-absorbierenden Materialien (Polyurethane, Nylon, Cellulose) - Klebstoffe mit grossem Anteil von Aminogruppen

24 Plasmasterilisierung: Stabilität von medizinischen Polymeren

25 Zusammenfassung Die Wirksamkeit der Sterilisationsverfahren hängt von vier Faktoren ab: - Art der vorhandenen Mikroorganismen, - Anzahl der vorhandenen Mikroorganismen, - Menge und - die Art des organischen Materials, das die Mikroorganismen schützt.

26 Zusammenfassung von Sterilisationsverfahren Gamma Bestrahlung Autoklav Plasma Zyklen Zeit Std Std Min Min. Temperatur [ C] Sterilisationsmittel Strahlungsenergie Gas Dampf Gasplasma, H 2 O 2 Dampf Vorteilen Einfach, zuverlässig, wettbewerbsfähigen Kosten und schnell. Effektiv, niedrige Temperatur, zuverlässig. Sicher, wirksam, wirtschaftlich attraktive, zuverlässig und schnell. Sicher, wirksam, geringe Feuchtigkeitsumgebung, keine toxischen Rückstände, Belüftung ist nicht erforderlich, wärmeempfindliche Materialien können sterilisiert werden. Nachteilen Oxidationsprozessen. PVC, PTFE und Acetal sind nicht geeignet lange Zyklen, giftig, krebserzeugend, teuer, lange Durchlüftung befeuchtet und erwärmt Materialien. Korrosion ist möglich, nicht geeignet für wärmeempfindliche Materialien. Amidenbasiert Materialien (Nylon) können degradiert werden, sehr teuer.

27 Zusammenfassung -Die Werte von Zeit, Kontakt und Temperatur beeinflussen die chemischen, physischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere - Devices werden komplexer, multifunktionaler und heterogener - In komplexen Fällen sollen nicht nur die einzelnen Komponenten, sondern auch die Synergie zwischen den Komponenten während der Sterilisierung in Betracht gezogen werden.

28 Zusammenfassung - In komplexen Fällen sollen nicht nur die einzelnen Komponenten, sondern auch die Synergie zwischen den Komponenten während der Sterilisierung in Betracht gezogen werden.

29 LISTERINE Antiseptic: comic book hero (1950)