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Sterilisation: Wie man Krankheitserreger los wird

Faszination Medizintechnik
Sterilisation von Medizinprodukten: Tod den Keimen

Sterilisation medizinprodukte Groninger Deutschen Gesellschaft für Sterilgutversorgung
Beim Sterilisieren sollen alle Krankheitserreger abgetötet werden. In Krankenhäusern wird dafür meist die Heißdampfsterilisation eingesetzt. Es gibt aber eine Reihe weiterer Verfahren, jeweils mit Vor- und Nachteilen (Bild: wip-studio/stock.adobe.com)
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Mit Sterilisationsverfahren werden heute OP-Bestecke und medizinische Produkte routinemäßig keimfrei gemacht. Noch aber gibt es Herausforderungen wie etwa die Sterilisation empfindlicher Gegenstände. Neue sanfte Verfahren können hier helfen. Die Sterilisation beschichteter Implantate und sogar von Impfstoffen gegen Viren-Erkrankungen wird damit möglich.

Tim Schröder
Wissenschaftsjournalist in Oldenburg

Wie wichtig Hygiene ist, hat wohl kaum jemand so eindrücklich beschrieben wie der große deutsche Chirurg Theodor Billroth, der Mitte des 19. Jahrhunderts vor allem für seine fortschrittlichen Magen-Operationen bekannt war. „So sei über jedes Krankenhaus in großen Buchstaben geschrieben: Reinlichkeit bis zur Ausschweifung“, mahnte der Mediziner zu einer Zeit, als viele Krankheitserreger noch gar nicht entdeckt waren.

Bekannt war nur, dass Ärzte die Sterblichkeit ihrer Patienten deutlich verringern konnten, wenn sie regelmäßig die Hände und das Operationsbesteck mit Karbol reinigten, einer antiseptischen chemischen Substanz, die heute als Phenol bezeichnet wird. Hygiene und Reinlichkeit hatten damals schon in die Krankenhäuser Einzug gehalten. Von Desinfektion oder gar Sterilisation war aber noch nicht die Rede. Erst mit der Isolierung und Züchtung des Cholera-Erregers Vibrio cholerae durch Robert Koch 1884 begann in Deutschland langsam die systematische Entwicklung von Sterilisationsmethoden. Anfangs gehörte dazu vor allem das Abflammen von chirurgischem Besteck.

Inhaltsverzeichnis

1. Anfänge der Sterilisation: Allzweckwaffe Dampfdrucktopf
2. Klinik und Industrie nutzen verschiedene Verfahren zur Sterilisation
3. NTDF-Sterilisation: Sanft, aber zeitraubend
4. Peroxyd-Plasma-Sterilisation: Die Kraft der Radikale
5. Plasma: Für die Sterilisation im Kommen
6. Ethylenoxid: Umgang mit Gefahrstoffen bei der Sterilisation
7. Sterilisation ganzer Paletten: Bestrahlen ist die Methode der Wahl
8. Sterilisation empfindlicher Produkte: Besonders schonender Elektronenstrahl
9. Auch Elektronik lässt sich sterilisieren
10. Mit geschickten Sterilisationsverfahren auch Impfstoffe schneller verarbeiten
11. Sterilisation schon bei der Entwicklung im Blick behalten
12. Sterilisation, Desinfektion, Reinigung

 

Anfänge der Sterilisation: Allzweckwaffe Dampfdrucktopf

Glücklicherweise gibt es heute eine ganze Reihe von Sterilisations-Methoden und entsprechende Industrienormen, die exakte Vorgaben machen. So müssen verschiedene Werte eingehalten werden. Für Medizinprodukte ist beispielsweise vorgeschrieben, dass die Zahl der Erreger in einer Probe durch die Sterilisation auf ein Millionstel reduziert werden muss.

Sterilgut Sterilisation
Im Krankenhaus geht es darum, immer wieder sehr viele Medizinprodukte nach der Anwendung zu reinigen und zu sterilisieren (Bild: Roger/stock.adobe.com)

Zum Einsatz kommt dafür heute vor allem die Dampfsterilisation. Besonders in den Krankenhäusern ist sie das Arbeitspferd. In einer Art modernem Dampfdrucktopf, dem Autoklaven, werden Gegenstände mit heißen Dampf bei zumeist 134 Grad Celsius im Überdruck sterilisiert. Dabei werden Viren und Bakterien wie auch deren Dauerformen, die Sporen, die Krankheiten auslösen können, zerstört. Für temperaturempfindliche Gegenstände werden heute die so genannten Niedertemperaturverfahren eingesetzt – dazu zählen chemische Behandlungen oder verschiedene Arten der Bestrahlung.

Klinik und Industrie nutzen verschiedene Verfahren zur Sterilisation

Welches Verfahren eingesetzt wird, hängt davon ab, wofür die Sterilisation genutzt wird. Im Krankenhaus kommt es auf andere Dinge an als in einem Unternehmen, das steril verpackte Medizinprodukte vertreibt. „Im Krankenhaus macht die Dampfsterilisation von Operationsbesteck den Löwenanteil aus, weil sie schnell und einfach zu handhaben ist“, sagt Maik Roitsch, Assistent des Vorstandes bei der Deutschen Gesellschaft für Sterilgutversorgung. „Von der Befüllung des Autoklaven bis zur Entnahme vergeht nur etwa eine Stunde.“ Zudem benötige man keine zusätzlichen Chemikalien und müsse keine besonderen Vorgaben zum Arbeitsschutz, die diese betreffen könnten, berücksichtigen – anders als beim Hantieren mit Chemikalien, wie sie für manche Niedertemperaturverfahren benötigt werden. Dazu zählt heute vor allem die Niedertemperatur-Dampf-und-Formaldehyd-Sterilisation (NTDF), bei der zusätzlich Formaldehyd als sterilisierender Stoff eingesetzt wird. Formaldehyd zerstört Eiweiße in den Zellen der Mikroorganismen. Da Formaldehyd gesundheitsschädlich ist, müssen solche Anlagen nach der Gefahrstoffverordnung betrieben werden.

NTDF-Sterilisation: Sanft, aber zeitraubend

Ein wesentlicher Vorteil der NTDF-Sterilisation besteht darin, dass sie bei 60 bis 70 Grad Celsius arbeitet. Damit lassen sich auch Gegenstände aus Kunststoff mehrfach sterilisieren, ohne Schaden zu nehmen. Das Formaldehyd wird dem Niedertemperatur-Dampf beigemischt. Damit Dampf und Formaldehyd auch Hohlkörper wie Spritzen oder Schläuche durchfließen, wird der formaldehydhaltige Dampf mehrfach abgesaugt – und die Kammer anschließend neu befüllt. Diese Technik wird als Fraktionierung bezeichnet. „Es bleibt aber dabei, dass das Hantieren mit Formaldehyd einen zusätzlichen Arbeitsaufwand mit sich bringt“, sagt Maik Roitsch. Auch, weil Wartezeiten eingehalten werden müssten, damit das Formaldehyd wieder vollständig vom Sterilgut abdampfe. So eine NTDF-Sterilisation könne sechs Stunden dauern.

Sterilisation Niedertemperatur
Die Matachana Germany GmbH in Selmsdorf bietet zwei Verfahren der Niedertemperatursterilisation an. Derzeit wird mit beiden getestet, Einweg-FFP-Mundschutzmasken für eine Wiederverwendung zu sterilisieren (Bild: Matachana)

Peroxyd-Plasma-Sterilisation: Die Kraft der Radikale

Eine weitere Alternative ist seit einigen Jahren die Peroxyd-Plasma-Sterilisation, bei der Wasserstoffperoxid verwendet wird. Wasserstoffperoxid zerfällt in der Sterilisationskammer in reaktionsfreudige so genannte Radikale, die die Oberflächen von Bakterien, Viren und Prionen angreifen und zerstören. Nach der Reaktion werden die Radikale mit einem so genannten Plasma wieder abgebaut. Bei einem Plasma handelt es sich um ein Gas, das aus freien Ladungsträgern besteht, aus Elektronen und Ionen. Es entsteht, indem man Luft oder Gase starken elektrischen Feldern aussetzt.

Das Plasma führt dazu, dass sich die Radikale zu Wasser und Sauerstoff vereinen. Und das ist der große Vorteil der Peroxyd-Plasma-Sterilisation: Es bleiben keine problematischen Stoffe zurück. Ein Nachteil sei, sagt Maik Roitsch, dass dieses Verfahren bei Instrumenten mit Hohlkörpern nur bedingt anwendbar ist, da der Wirkstoff kaum in die Hohlräume eindringen kann. Das Peroxyd-Plasma-Verfahren ist seit etwa 20 Jahren auf dem Markt und in Deutschland etabliert. Lange wurde es nur von einem Hersteller angeboten, inzwischen sind weitere hinzugekommen.

Plasma: Für die Sterilisation im Kommen

Während beim Peroxyd-Verfahren das Wasserstoffperoxid die eigentlich wirksame Komponente ist, sind seit einiger Zeit auch Verfahren verfügbar, bei denen das Plasma selbst für die Sterilisation genutzt wird. Immerhin können Plasmen sehr gut Keime töten. Das liegt daran, dass sie gleich mehrfach wirken.

Die geladenen Teilchen reagieren mit der Oberfläche beziehungsweise der Membran der Bakterien und schädigen oder perforieren diese. Zudem können die Plasmen UV-Strahlung freisetzen, die das Erbgut der Mikroorganismen schädigt. Selbst Erreger, die gegen Antibiotika resistent sind, werden durch diese Behandlung getötet. Die Crailsheimer Groninger & Co. GmbH etwa nutzt seit einiger Zeit Plasma, um Tubs und Spritzenhüllen vor der Befüllung zu sterilisieren.

Plasma entsteht durch Blitze in der Natur
In der Natur entsteht Plasma im Zusammenhang mit Blitzen (Bild: Libor/stock.adobe.com)

Ethylenoxid: Umgang mit Gefahrstoffen bei der Sterilisation

Während die Plasmasterilisation noch recht neu ist, kommt in der Industrie schon länger die chemische Gas-Sterilisation zum Einsatz – insbesondere die Ethylenoxid-Sterilisation. Ethylenoxid schädigt ebenfalls die Membranen von Krankheitserregern. Da es leicht in Hohlräume eindringt, eignet es sich sehr gut für die Sterilisation von Schläuchen und Spritzen.

Das Problem bei diesem Verfahren: Ethylenoxid (EO) ist krebserregend. Daher muss man sehr genau darauf achten, dass die sterilisierten Gegenstände kein EO mehr enthalten, wenn sie ausgeliefert werden.

In der Regel müssen die Gegenstände mehrere Stunden ruhen, damit das EO ausgasen kann. „Für Unternehmen, die große Chargen sterilisieren, ist das kein Problem“, sagt Maik Roitsch. „Für den Alltagsbetrieb im Krankenhaus aber ist das kaum praktikabel.“ Daher habe die Zahl der EO-Anlagen in den Krankenhäusern in den vergangenen Jahren stark abgenommen, während in der Industrie die Technik derzeit auf dem Vormarsch sei.

Da sich EO-Rückstände auf der Ware nur schwer direkt messen lassen, müssen entsprechende Anlagen vor dem Einsatz aber relativ aufwendig geprüft und standardisiert werden – damit sichergestellt ist, dass die Ware nach dem Durchlaufen des Prozesses tatsächlich kein EO mehr enthält.

Sterilisation ganzer Paletten: Bestrahlen ist die Methode der Wahl

Für den industriellen Einsatz geeignet ist insbesondere auch die Bestrahlung von Gütern mit Gamma-Strahlung, die beim Zerfall von Atomkernen frei wird. Der Vorteil: Die Strahlung durchdringt Verpackungen. Maik Roitsch: „Man kann eine ganze Palette in die Bestrahlungsanlage fahren, was sehr komfortabel ist.“ Die Gamma-Teilchen führen dazu, dass ähnlich wie beim Plasma, die Luft ionisiert wird und freie Ozon-Radikale entstehen. Diese Radikale schädigen dann Keime und Viren.

Da die Gamma-Teilchen auch in eingeschweißte Ware eindringen, kann die Sterilisation sogar in der geschlossenen Packung stattfinden. Nichts ist einfacher. Anders als beim EO kann die Belastung der Ware anschließend leicht mit einem Geigerzähler gemessen werden, denn für die Gamma-Sterilisation werden radioaktive Quellen genutzt. Somit tritt auch Radioaktivität auf, die nach der Sterilisation gemessen werden muss. Daher dauert es wie beim EO einige Zeit, bis die Ware freigegeben und versendet werden kann.

Sterilisation empfindlicher Produkte: Besonders schonender Elektronenstrahl

Gaby Gotzmann kennt all die verschiedenen Sterilisationsverfahren und auch deren Schwächen sehr gut. „Das Problem bei den meisten Sterilisationsverfahren besteht darin, dass sie Werkstoffe oder Oberflächen mehr oder weniger stark angreifen“, sagt die Biotechnologin vom Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden. Die Dampfsterilisation scheide wegen der großen Hitze bei den meisten Kunststoffen aus. Und selbst für die Niedertemperatur-Verfahren wie Ethylenoxid und NTDF gebe es Einschränkungen. Vor allem, wenn es um empfindliche Oberflächen gehe – zum Beispiel bei Implantaten.

Elektonenstrahlsterilisation
Die Sterilisation mit Elektronenstrahlen eignet sich für empfindliche Produkte. Diese können automatisiert in den Strahl gehalten werden  (Bild: Fraunhofer FEP)

Implantate werden immer öfter mit bestimmten Molekülen beschichtet; damit sie besser in den Körper einwachsen oder um Bakterien in Schach zu halten. „Der Trend geht dahin, dass man die Implantate sogar individuell für jeden Patienten beschichtet“, sagt Gotzmann. Doch mit den gängigen Sterilisations-Verfahren werden solche Oberflächen zerstört.

Am FEP ist deshalb in den vergangenen zehn Jahren ein alternatives sanftes Niedertemperatur-Verfahren entstanden – die niederenergetische Elektronenstrahl-Sterilisation. Dabei wird, ähnlich wie in den klassischen Fernsehröhren, ein energiereicher Elektronenstrahl erzeugt, der über den zu sterilisierenden Gegenstand geführt wird.

Die Energie, die auf die Oberfläche des Gegenstands aufgebracht wird, wirkt nur kurzfristig. So bleibt die Oberfläche unbeschädigt. Und wie bei einem Fernseher kann man den Strahl einfach an- und abschalten. „Wir können sogar Oberflächen bearbeiten, die mit Biomolekülen wie etwa Proteinen beschichtet sind, ohne die Proteine zu zerstören“, sagt Gaby Gotzmann. „Die Elektronen schädigen das Erbgut der Krankheitserreger schneller, als dass die Proteine in Mitleidenschaft gezogen werden.“

Auch Elektronik lässt sich sterilisieren

Besonders geeignet ist das neue Verfahren für Prothesen und für Implantate mit elektronischem Innenleben – etwa Herz- und Hirnschrittmacher oder Blutdrucksensoren. Gammastrahlung und Dampfsterilisation scheiden hier aus, weil beide die empfindliche Elektronik zerstören würden. EO und NTDF wiederum scheiden aus, weil sich Ethylenoxid und Formaldehyd leicht in den porösen oder beschichteten Oberflächen absetzen könnten. Der Elektronenstrahl ist deutlich sauberer und schneller. Gotzmann: „Wir haben eigens einen 3D-Greifarm entwickelt, der einen Gegenstand automatisch und schnell durch den Elektronenstrahl führt.“

Einziger Nachteil dieses Ansatzes: Objekte werden nur dort sterilisiert, wo der Elektronenstrahl auftrifft. Hohlräume lassen sich nicht bearbeiten. Doch für die Oberflächensterilisation, wie sie Gaby Gotzmann vorschwebt, ist das vernachlässigbar.

Die Elektronenstrahltechnik ist inzwischen anwendungsreif. In einem nächsten Schritt wollen die Dresdner das Verfahren in Zusammenarbeit mit Kliniken oder Dienstleistern für Sterilisierung testen.

Mit geschickten Sterilisationsverfahren auch Impfstoffe schneller verarbeiten

Dabei ist die FEP-Technologie nicht nur für Oberflächen geeignet, sondern auch für die Sterilisierung von Impfstoffen, wie sie etwa bei der Grippe oder künftig für die Bekämpfung von Corona benötigt werden. Solche Impflösungen enthalten inaktivierte Viren. Die Impflösungen werden in der Regel mit Formaldehyd versetzt, das die Viren in der Lösung zerstört, ehe sie Patienten gespritzt wird.

Das Problem: Das Formaldehyd zerstört zum Teil auch die Proteine auf der Oberfläche der Viren – ausgerechnet jene Strukturen, die vom Immunsystem des Menschen erkannt werden. Versuche haben gezeigt, dass der Elektronenstrahl hier deutlich sanfter arbeitet. Er zerstört zwar die Erbsubstanz der Viren, schont aber die Eiweißmoleküle auf der Virenoberfläche. Zudem ist der Elektronenstrahl sehr viel schneller. Mit Formaldehyd versetzte Impflösungen müssen mehrere Tage ruhen, damit das Formaldehyd wirkt und anschließend wieder entfernt wird. Der Elektronenstrahl kann innerhalb weniger Minuten ganze Chargen abscannen und sterilisieren.

Sterilisation schon bei der Entwicklung im Blick behalten

„Natürlich bleibt es dabei, dass jedes Sterilisationsverfahren seine Vor- und Nachteile hat“, sagt Gaby Gotzmann. Es komme einfach darauf an, das richtige Verfahren für die entsprechende Applikation zu finden. Aus Erfahrung weiß sie, dass das oftmals nicht bedacht wird. Gerade bei der Neuentwicklung von medizintechnischen Geräten. „Es ist erstaunlich, aber tatsächlich passiert es immer wieder, dass Entwickler am Anfang nicht daran denken, ihr Produkt so zu designen, dass die Funktion am Ende auch eine Sterilisation überstehen muss.“ Insofern rät Gaby Gotzmann dazu, die Sterilisation von Medizinprodukten künftig stärker im Blick zu haben.


Die Zahl der Keime soll auch durch das Waschen der Hände und eventuell auch der Arme mit Desinfektionsmittel reduziert werden
(bild: Peter Atkins/stock.adobe.com)

Sterilisation, Desinfektion, Reinigung

In Zeiten von Corona ist die Keimfreiheit ein großes Thema. Dabei unterscheiden Experten klar zwischen Desinfektion und Sterilisation. Beide Methoden haben das Ziel, Krankheitserreger abzutöten oder zu inaktivieren, um Infektionen zu vermeiden.

Bei der Desinfektion muss die Zahl der vermehrungsfähigen Keime um einen Faktor von mindestens 10−5 reduziert werden. Das bedeutet, dass von 1.000.000 vermehrungsfähigen Keimen nicht mehr als zehn überleben dürfen.

Von einer Sterilisation spricht man bei einer Reduktion der Keime um 10−6. Auf einer keimfreien Oberfläche darf also nur einer von 1.000.000 Keimen verbleiben.

Unter Reinigung versteht man übrigens nur die Beseitigung von sichtbarem Schmutz und unsichtbarem, organischen Material, um zu verhindern, dass sich Mikroorganismen darin vermehren können.


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