Welches Verfahren eignet sich, um inerte und sensible Oberflächen zu funktionalisieren? Diese Frage taucht bei der Entwicklung von Medizinprodukten immer wieder auf. Bisher verfügbare Methoden stoßen da zuweilen an Grenzen. Einen neuen Ansatz, der für solche Anwendungen interessant ist, verfolgt das luxemburgische Unternehmen Molecular Plasma Group (MPG) SA aus Foetz.
MPG nutzt einen einstufigen, trockenen und lösungsmittelfreien Prozess, um organische Stoffe mithilfe von kaltem atmosphärischem Plasma kovalent an eine Oberfläche zu binden. Im Bereich der Medizintechnik lassen sich so zum Beispiel bioaktive Oberflächen erzeugen, um die Haftung und das Wachstum von glatten Gefäßmuskelzellen zu verbessern. Eingesetzt wird dies unter anderem für Implantate, Scaffolds, endovaskuläre Prothesen oder 3D-Zellstrukturen.
Funktionalisierung mit kaltem Plasma bleibt besonders lange erhalten
Anti-Biofouling-Beschichtungen wiederum verhindern die Adsorption von Proteinen und die Anhaftung von Zellen. Solche Funktionen sind beispielsweise auf Kathetern, Implantaten, Biosensoren, endovaskulären Prothesen oder mikrofluidischen Systemen interessant. Gegenüber einer PEG-Beschichtung, die wasserlöslich und dadurch unbeständig ist, bleibt die Funktionalisierung mittels Plasma sechs Mal länger erhalten. Gleichzeitig verbessern sich die mikrofluidischen Eigenschaften.
Weitere für die Medizintechnik relevante Funktionen, die sich mit dem Plasma-basierten Verfahren umsetzen lassen, sind hydrophobe, hydrophile oder trennende Beschichtungen. Gezielte Filtration, Korrosionsschutz oder verbesserte Haftungseigenschaften sind ebenfalls denkbar.
Beschichtung mit kaltem Plasma für Gesichtsmasken oder auch Schutzkleidung
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Oberflächen antimikrobielle Eigenschaften zu verleihen. Die von MPG entwickelte viruzide Beschichtung mit Zitronensäure kann zum Beispiel auf Filtermedien oder medizinischer Schutzkleidung eingesetzt werden. Für Gesichtsmasken ist diese Art der Beschichtung zertifiziert: Sie dürfen das CE-Kennzeichen tragen und werden im industriellen Maßstab hergestellt.
Das auf kaltem atmosphärischen Plasma basierende Verfahren eignet sich für das Beschichten jedweden Materials, bis hin zu natürlichen Werkstoffen wie Zellulose. Auf deren Oberfläche entsteht eine permanente Nanobeschichtung, die die gewünschte Funktion verleiht.
Antikörper, DNA oder Peptide mit Plasma sicher abscheiden
Das Verfahren ist so interessant, weil mit dieser Technologie eine große Bandbreite an Molekülen für das Beschichten zur Verfügung steht: Die Entwickler können sich der gesamten Palette aus der organischen Chemie bedienen. Biomoleküle wie Antikörper, DNA, Peptide oder Proteine lassen sich in einem einstufigen Prozess direkt auf die Substrate abscheiden. Sie werden dem Plasma zugeführt und in einer Mikrostrukturierung auf der Oberfläche kovalent gebunden, ohne dass die Funktion der Biomoleküle verloren geht.
Es gibt nur eine prozessbedingte Anforderung, nämlich dass die Stoffe in flüssiger Form zur Verfügung stehen müssen. Mixturen, Emulsionen, Suspensionen mit Nanopartikeln oder auch Polymerlösungen lassen sich für das Beschichten verwenden.
Die beständige Modifizierung der Oberfläche erfolgt sofort im Prozess: Die Substrate können daher entweder direkt oder nach Wochen, Monaten oder gar Jahren weiterverarbeitet werden. Darin unterscheidet sich die Abscheidung mittels Plasma von Verfahren, die nass-chemische Haftvermittler brauchen und bei denen die behandelten Teile innerhalb eines begrenzten Zeitfensters verarbeitet werden können. Aufwendige und kostenintensive nass-chemische Vorbehandlungen lassen sich also durch einen bis zu tausendfach schnelleren Prozess ersetzen, der den Chemikalienverbrauch drastisch reduziert.
Beschichtung mittels kaltem Plasma: industrielle Systeme verfügbar
Für das Verfahren stehen skalierbare industrielle Plasmasysteme zur Verfügung, die vollautomatisiert unter Atmosphärendruckbedingungen laufen. Der Prozess ist rückverfolgbar und lässt sich in alleinstehenden Anlagen realisieren oder in Produktionslinien integrieren. Der Einsatz als Reinraumanlage ist möglich.
Neben dem Plasmaspot-System für die Funktionalisierung von kleinen Flächen oder Bahnen, Fasern, 3D-Formen, Pulvern und Partikeln, ist das Plasmaline-System für großflächige Folien, Membranen oder Textilien geeignet. Diese werden in einem kontinuierlichen Prozess homogen behandelt. Ein Vision-System stellt sicher, dass die definierte Schichtdicke korrekt aufgebracht wird. Dafür werden UV-Tracermoleküle mit der Beschichtung aufgebracht. Bei Serienbedingungen findet eine 100-%ige Kontrolle des Prozesses statt, integriert in das Rückverfolgbarkeitssystem der Anlage.
Zukünftige Plasma-Verfahren
An der Weiterentwicklung seiner Plasmasysteme arbeitet MPG und hat im Jahr 2021 zusammen mit der belgischen Procept nv, Zele, das in Leuven ansässige Joint Venture Partix gegründet. In dessen Produkten ist ein Wirbelschichtreaktor mit dem Plasmaspot-System von MPG verbunden. Das ermöglicht nun auch die Funktionalisierung kleinster Partikel, von Pulvern oder auch kleinen Fasern – nach Angaben der Partner ein technologischer Durchbruch.
Aktuell laufen Arbeiten an ersten Anwendungen noch in kleinerem Maßstab. Das Ziel sind jedoch serienreife Anlagen, die bald zur Verfügung stehen sollen.
