Auswahl von Materialien für die Sterilisation von Medizinprodukten

Sterilisation ist der Prozess, bei dem lebende und ruhende Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Viren) aus Materialien und Gegenständen entfernt werden. Mikroorganismen können bis zu 0,2 µm groß sein, sind aber dennoch extrem stark und verursachen Krankheiten und Infektionen, von denen einige tödlich sein können.

Das Ziel einer Desinfektion besteht darin, die Anzahl der pathogenen Keime mithilfe von Chemikalien zu reduzieren, um ein sicheres Niveau zu erreichen und Infektionen zu vermeiden. Normalerweise werden menschliche Haut, große Oberflächen und chirurgische Instrumente durch Abwischen mit Reinigungs- und Desinfektionsmitteln, möglicherweise auf Basis von Alkoholen, Aldehyden, Peroxiden, Chlor usw., desinfiziert.

Nach einer optimalen Desinfektion verbleiben nur 10 von einer Million Keime auf einem Objekt, wohingegen nach einer optimalen Sterilisation gemäß DIN EN 556-1 nur noch einer von einer Million Keime übrig sind.

Bei Geräten, die desinfiziert werden, ist die Materialauswahl entscheidend, je mehr und aggressivere Chemikalien, die als Reaktion auf eine erhöhte Keimresistenz eingesetzt werden, stellen für einige Polymere eine Herausforderung dar.

Sterilisation 1 von 1.000.000 Keimen bleiben übrig, verglichen mit Desinfektion 10 von 1.000.000 Keimen bleiben übrig.

Das Verständnis der verschiedenen Sterilisationsmethoden für medizinische Geräte ist unerlässlich, um die besten Polymermaterialien für das Gerät auszuwählen. Die richtige Auswahl der Sterilisationsmethode zu Beginn der Produktentwicklungsphase ist von entscheidender Bedeutung, da die Sterilisationsmethode ein integraler Bestandteil des Produktionsprozesses des Endprodukts ist. Eine spätere Änderung dieser Methode kann kostspielig und zeitaufwändig sein.

Heute sind die Hauptmethoden für die Sterilisation von Medizinprodukten die Dampfsterilisation, die Sterilisation mit EtO sowie die Sterilisation mit Gammastrahlung.

Diese Methode wird in einem Autoklaven durchgeführt mit feuchter Hitze unter Druck.

Die Dampfsterilisation ist die älteste Methode für Die Sterilisation von Medizinprodukten wurde und ist auch heute noch die gängigste Methode in Krankenhäusern. Um 1862 entdeckte Louis Pasteur, dass kurzzeitiges Erhitzen von Lebensmitteln und anderen Produkten die meisten Mikroorganismen abtötete. Dies war die Grundlage für den Dampfsterilisationsofen, den Autoklav, der ca. 14 Jahre später von Charles Chamberland erfunden wurde und noch heute verwendet wird.

Die Dampfsterilisation wird bei Temperaturen zwischen 110 °C und 140 °C bei erhöhtem Druck durchgeführt. Keime können nach etwa 20 Minuten bei 121 °C und einem Druck von 2 bar, bei dem Proteine in den Zellen der Mikroorganismen koagulieren, zuverlässig eliminiert werden, wodurch alle oder fast alle biologischen Funktionen entfernt werden.

Die erhöhte Temperatur, die bei der Dampfsterilisation angewendet wird, stellt einige Polymermaterialien in Bezug auf die Hitzebeständigkeit vor Herausforderungen. Folglich kamen nur Polymere, deren Wärmeformbeständigkeit deutlich über der Dampfsterilisationstemperatur liegt, als mögliche Kandidaten in Frage.

Dies könnten Materialien wie Polyolefine mit hoher Schmelztemperatur und bestimmten COC-Qualitäten (cycloolefinisches Copolymer) sein. Für den Fall, dass mehrere Dampfsterilisationszyklen angewendet werden, beispielsweise bei chirurgischen Instrumenten, könnten Materialien wie PEEK in Betracht gezogen werden.

Bei dieser Methode handelt es sich um eine chemische Sterilisation, bei der Gas verwendet wird.

Ethylenoxid ist ein farbloses, brennbares, explosives Gas. Ursprünglich wurde Ethylenoxid (EtO oder EO) verwendet, um Lebensmittel bei der Lagerung vor Insekten und Nagetieren zu schützen. 1933 fanden P.M. Gross und L.F. Dixon heraus, dass EtO eine antimikrobielle Wirkung hat. Seitdem wird EtO für die Sterilisation von Lebensmitteln verwendet, wobei es zunehmend auch in anderen Industriesegmenten eingesetzt wird, beispielsweise in pharmazeutischen Verpackungen.

Die EtO-Sterilisation hat sich als stabile und flexible Methode für eine Vielzahl von Medizinprodukten erwiesen und einen Marktanteil von rund 50% aller Sterilisationsmethoden erreicht. Es tötet Mikroorganismen sehr effektiv ab und verwendet nur vergleichsweise niedrige Temperaturen zwischen 50 °C und 60 °C.

Die meisten medizinischen Polymere können für diesen Sterilisationsprozess verwendet werden, da nur begrenzte Anforderungen an Hitze oder Feuchtigkeit bestehen. Artikel, die mit dieser Methode sterilisiert wurden, müssen in gasdurchlässigen Verpackungen verpackt werden, damit das EtO-Gas nach dem Prozess eindringen und abgeführt werden kann.

EtO-Gas kann giftige, krebserregende Rückstände auf sterilisierten Geräten hinterlassen. Daher ist besondere Aufmerksamkeit geboten, um potenzielle physische und gesundheitliche Gefahren zu vermeiden. Dieser Prozess der Sterilisation von Medizinprodukten wurde gut optimiert, aber weitere Vorschriften könnten in Sicht sein, insbesondere im Hinblick auf strengere Umweltverträglichkeitsregeln.

Bei dieser Methode handelt es sich um eine Art der Sterilisation mit ionisierter Strahlung.

Diese Methode der Sterilisation von Medizinprodukten wurde um 1940 entwickelt. Eine berühmte Geschichte besagt, dass Bruce Banner durch eine Gammastrahlenbombe verletzt wurde und sich seitdem in den großen, grünen Hulk verwandelt, wenn er wütend wird. Tatsächlich durchbrechen Gammastrahlen die Bindungen der DNA und machen Mikroorganismen unschädlich.

Die Quelle der Gammastrahlung ist Kobalt-60, das durch Bestrahlung des natürlich vorkommenden Metallisotops Kobalt 59 mit Neutronen in einem Kernreaktor entsteht. Wenn radioaktives Kobalt 60 zerfällt, sendet es Gammastrahlen aus, die eine hohe Eindringtiefe haben. Dies bedeutet, dass sie verpackte Produkte, die oft auf vollen Paletten gestapelt sind, mit nur einer niedrigen Dosierung (typischerweise 25 kGy) problemlos passieren können, ohne dass sie sich in einem radioaktiven Zustand befinden.

Diese Methode wird in der Regel für medizinische Einwegprodukte wie Katheter, Pipettenspitzen und Kanülen angewendet, die keine hohen Anforderungen an Temperatur oder Barriereeigenschaften stellen. Dennoch können diese hochenergetischen Strahlungsmethoden bestimmte Auswirkungen auf das Polymermaterial haben, wie Vergilben oder Verfärben des Materials.

Copolyester unterliegen einer minimalen Farbverschiebung und kehren nach einigen Tagen fast zur ursprünglichen Farbe zurück. Bei anderen transparenten Materialien wie PMMA, aber auch bei oxidationsempfindlichen Polymeren wie Polypropylen können stabilisierende Additive dazu beitragen, Farbverschiebungseffekte zu reduzieren oder zu maskieren. In TPU zeigen aromatische Materialien zwar eine Vergilbung, sind aber tatsächlich resistenter gegen die Strahlensterilisation als aliphatische Materialien, die trotz ihres stabileren Aussehens einen Molekulargewichtsverlust aufgrund von Kettenspaltung erleiden können.

Die Nachfrage nach sterilen Medizinprodukten ist in den letzten Jahren aufgrund von Megatrends wie der alternden Bevölkerung und der Zunahme chronischer Krankheiten stetig gestiegen. Der globale Markt für Sterilisationsdienstleistungen erreichte 2020 ein Volumen von ca. 3 Mrd. USD und es wird erwartet, dass er mit einer jährlichen Wachstumsrate von ca. 5% weiter wachsen wird. COVID-19 beflügelte diese Nachfrage, da mehr sterile Testsysteme sowie mehr persönliche Schutzausrüstung benötigt wurden. Anbieter von Sterilisationen verfügen nur über begrenzte Kapazitäten, und weitere behördliche Beschränkungen oder Umweltkontrollen könnten bevorstehen — insbesondere in Bezug auf die Gamma- und EtO-Sterilisation. Angesichts der aktuellen Herausforderungen, auch in der weltweiten Logistik, befindet sich die Versorgungssicherheit in einem alarmierenden Zustand. Höhere Anforderungen und Rezertifizierungen für bestimmte Medizinprodukte, die nach der neuen MDR erforderlich sind, gießen noch mehr „Öl ins Feuer“.

Bestehende, aber derzeit weniger beliebte Sterilisationsmethoden könnten als Alternative in Betracht gezogen werden, um die Kluft zwischen Angebot und Nachfrage zu verringern und Strategien zur Risikominderung für die Lieferkette anzubieten. Vor Kurzem hat die FDA die Industrie ermutigt, neue Konzepte wie überkritisches Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, verdampftes Wasserstoffperoxid, verdampftes Wasserstoffperoxid-Ozon und beschleunigergestützte Sterilisation wie Elektronenstrahl und Röntgen zu entwickeln.

Interessanterweise hat die UV-Sterilisation nicht genug Energie, um Partikel wie Gamma-, Elektronenstrahl- oder Röntgenstrahlen zu ionisieren, wird aber beispielsweise zur Desinfektion von Luft oder Kontaktlinsen akzeptiert. Die Wirksamkeit hängt jedoch stark vom Material und der Anwendung ab.

Die Sterilisation mit Elektronenstrahl ist ebenfalls eine Methode mit ionisierter Strahlung. Während die zuvor genannten Gammastrahlen durch den Zerfall von Kobalt-60 erzeugt werden — was auch für Alpha- und Betastrahlen gelten würde —, wird der Elektronenstrahl durch normalen elektrischen Strom erzeugt. Diese Elektronen werden beschleunigt, bis sie fast Lichtgeschwindigkeit erreichen und eine Energie erreichen, die viele Materialien durchdringen kann.

Röntgenbestrahlungsgeräte bestehen aus einem Elektronenstrahlsystem, vor dem sich ein Target aus Tantal (oder Wolfram) befindet. Im Vergleich zur Gammastrahlung ist Röntgenstrahlung aufgrund einer verringerten oxidativen Wirkung weniger hart für die Polymere.

Die Sterilisation durch CO₂ — das ist Kohlendioxid in flüssigem Zustand oberhalb einer kritischen Temperatur/eines kritischen Drucks — ist ein Prozess mit milden Bedingungen. Seit 2006 wird CO₂ für die gewerbliche Reinigung von Textilien für Privatkunden verwendet und erhielt 2007 das Umweltzeichen „Blauer Engel“ als umweltfreundliches Verfahren.

Das VHP-Verfahren ist ein Verfahren zur Sterilisation bei niedrigen Temperaturen und Unterdruck, bei dem gasförmiges Wasserstoffperoxid verwendet wird. Es wird bereits für die kalte aseptische Abfüllung von Getränken wie Wasser, Säften usw. in PET-Flaschen verwendet. Während und nach der Sterilisation werden nur Sauerstoff und Wasserdampf produziert, sodass der Prozess sicher und umweltfreundlich ist und keine giftigen Rückstände hinterlässt.

Derzeit führen einige unserer Auftraggeber entsprechende Tests an ausgewählten medizinischen Polymeren mit den oben genannten Sterilisationsmethoden durch. Spezifische Ergebnisse können auf Anfrage bereitgestellt werden.

Die Auswahl der Sterilisationsmethode für Medizinprodukte und der Gerätematerialien ist komplex, da sie Auswirkungen haben aufeinander. Und heute wurde keine Einheitslösung gefunden. Sowohl für Sterilisations- als auch für Desinfektionsverfahren müssen umfangreiche Tests durchgeführt werden, um die gewünschte Leistung und Eignung jeder Komponente zu überprüfen.