Die Bundesregierung geht von etwa 400.000 bis 600.000 Fällen jährlich aus, in denen Patienten an Krankenhausinfektionen in Deutschland erkranken und von denen 7.500 bis 15.000 sterben. „Ein Teil der Infektionen und Todesfälle“, so heißt es im Gesetzentwurf zur besseren Krankenhaushygiene, „ist durch geeignete Präventionsmaßnahmen vermeidbar“. Die Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene (DGKH), Berlin, und andere Organisationen halten diese Zahl allerdings für viel zu niedrig. Klaus-Dieter Zastrow von der Deutschen Gesellschaft für Krankenhaushygiene rechnet mit noch höheren Zahlen: „Unserer Einschätzung nach infizieren sich von den etwa 18 Millionen Patienten in Deutschland mindestens vier Prozent, also 720.000 Menschen, im Krankenhaus mit Keimen. Wir vermuten, dass es sogar eher fünf Prozent sind. Das wären 900.000 Infektionen.“ Nach Schätzung des Instituts für Hygiene und Umweltmedizin der Charité Berlin könnten ausgehend von den offiziellen Zahlen letztlich etwa 1.500 bis 4.500 durch Krankenhausinfektionen ausgelöste Todesfälle in Deutschland vermieden werden.

Keime werden durch Kontakt übertragen

Bakterien, die insbesondere durch den falschen Einsatz von Antibiotika resistent geworden sind, stellen eines der größten Infektionsprobleme dar. Einer der häufigsten dieser Erreger ist das Bakterium Staphylococcus aureus. Durch einfachen Händekontakt, unsterile Medizinprodukte oder das Berühren von Oberflächen wie Schalter werden die Keime verbreitet. Neben dem Einhalten einer ausreichenden Klinikhygiene, wie sich zum Beispiel ausreichend die Hände zu desinfizieren, können auch Produkte aus antimikrobiellen Kunststoffen helfen, die Zahl der Infektionen zu
reduzieren. Lichtschalter, Griffe, Gerätegehäuse, Verschlüsse, Katheder, Infusionsschläuche und -beutel aus antimikrobiellen thermoplastischen Kunststoff-Compounds sowie antimikrobiell beschichtete Verpackungsfolien und medizintechnische Produkte im Operationssaal helfen, die Übertragung von Infektionen durch Personal und Patienten im Krankenhaus zu minimieren oder zu vermeiden. Darüberhinaus finden diese auch Anwendung in Rehabilitationskliniken, in Praxen für ambulante Operationen oder bei der Versorgung von Patienten im häuslichen Umfeld.

Farbneutraler antimikrobieller Kunststoff mit Zinkoxid

Eingeflochten um ein Trägergarn dienen Silberfäden beispielsweise als antimikrobielle Ausrüstung für Socken. Thermoplaste lassen sich durch das Einbringen von Metallsalzen als Additive ebenfalls antimikrobiell ausstatten. Jedoch sind insbesondere Kupfer- und Silbersalze häufig lichtempfindlich. Werden sie einem Kunststoff zugesetzt, verändern sie allein durch ihre Eigenfarbe das Compound. Hinzu kommt, dass sie durch ihre besondere Elektronenkonfiguration in der Lage sind, Licht einzufangen. Sie katalysieren dadurch den Abbau oder das Altern der Kunststoffe. Die Folge: Das aus dem Kunststoff hergestellte Produkt verfärbt sich mit der Zeit und nimmt einen Gelbton an. Ihre Anwendung in Kunststoffen und Textilfasern, die im Sanitärbereich und in Kliniken eingesetzt werden, ist dadurch wenig attraktiv, denn nur reines Weiß wird als hygienisch und steril wahrgenommen.

Der Rohstoffhersteller Rowa Masterbatch, Pinneberg, setzt daher das farb- und nebenwirkungslose Zinkoxid als biozides Additiv in dem Compound Rowa Protect ein. Kunstfasern wie Polyester, Polyamid und Polypropylen-Gewebe lassen sich damit antibakteriell ausrüsten, ohne eine Verfärbung in Kauf nehmen zu müssen. Die mechanischen Eigenschaften des Zink-Compounds bei einem Prozent Wirkstoffgehalt zeigen nach simulierter Alterung von über 1.000 Stunden bei 80°C kaum eine Veränderung.

Biozide Wirkung in Testverfahren nachgewiesen

Die biozide Wirksamkeit wurde nach einer Prüfmethode für nicht auswaschende, antibakterielle Kunststoffoberflächen nachgewiesen. Dazu hat sich der japanische Standard JIS Z 2801 aus dem Jahr 2000 etabliert. Er wurde 2007 in der ISO 22196 übernommen. Im ersten Schritt wird dabei 400 µl einer Bakteriensuspension mit definierter Konzentration – meist 105 KBE – auf eine zirka 5 mal 5 cm große, möglichst ebene Oberfläche des Kunststoffs aufgebracht. Im zweiten Schritt werden dann nach 24 Stunden Proben von der Oberfläche entnommen, kultiviert und die überlebenden Stämme ausgezählt. Die antibakterielle Wirksamkeit wird als Reduktionsfaktor gegen eine gleich behandelte, unausgerüstete Probe oder in Prozent angegeben. Dabei ist zu beachten, dass der Test nach JIS – obschon heute Standard – ein Modell darstellt, das die Praxis nur eingeschränkt abbildet.

Die Proben werden nach dieser Untersuchungsmethodik im Brutschrank bei 37,5°C und konstanter Feuchtigkeit mit isolierten Bakterienstämmen durchgeführt. Für das Wachstum der Bakterienstämme sind das ideale Zustände. Eine realistische Bedingung wäre aber eine Raumtemperatur von etwa 20°C und das partielle Austrocknen der Probe. Um definierte Bedingungen zu erzeugen, wird das zu prüfende Material zudem vor den Tests desinfiziert. Die Vorgeschichte der Oberfläche, also der Umstand, dass sich Bakterien und Pilze gegenseitig in ihrem Wachstum beeinflussen, bleibt dabei unberücksichtigt.

Neben der Farbneutralität ist Zink auch wirtschaftlich: Das Metall unterliegt in weniger als Silber und Kupfer den Schwankungen der Rohstoffpreise am Weltmarkt und stellt häufig die preisgünstigere Alternative dar. Die antibakterielle Wirksamkeit indes steht der von Edelmetallen nur wenig nach. So führte das Nürnberger Quality Labs Untersuchungen an reinweißen, mit Rowa Protect ausgerüsteten, PP-, PA6- und PET-Fasern durch. Innerhalb von fünf Stunden wurden Reduktionsfaktoren größer vier gemessen.

Das Material ist für die Teileherstellung sowohl im Spritzguss-Verfahren als auch per Extrusion geeignet und bietet sich für das Herstellen einer Vielzahl von Erzeugnissen an, wie medizinische Stützstrümpfe aus Kunststoff-Fasern bis hin zu Lichtschaltern oder Türklinken aus PA6.

Keimreduzierende Polymere für das Spritzgussverfahren

Auf der Messe Compamed in Düsseldorf stellte BASF, Ludwigshafen, im November unter anderem zwei neue Varianten des antimikrobiellen Hygentic Produktportfolios vor. Das neu entwickelte Hygentic SBC ist ein transparentes, für den Spritzguss einsetzbares Styrol-Butadien-Blockcopolymer-Granulat, das antimikrobiell wirkende Silberionen enthält. Das Granulat kann direkt zur Herstellung von medizinischen Geräten wie zum Beispiel Inhalatoren oder Ventilationsfiltern eingesetzt werden.

Die zweite Variante Hygentic PA ist ein antimikrobielles, mit Glasfasern verstärktes, spritzgießfähiges Polyamid-Granulat, das sich besonders zum Fertigen von Bedienelementen medizintechnischer Geräte eignet. „Diese Materialien zeichnen sich durch ihre hohe Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Pilzen und Bakterien aus“, erklärt Edgar Eichholz, Business Development Manager Medical Device Materials: „Damit hergestellte Medizintechnik-Produkte lassen sich zudem mit herkömmlichen Verfahren desinfizieren.“ Der Rohstoffhersteller arbeitet an einem breiten Spektrum von Lösungen für medizintechnische Produkte, deren Oberflächen die Ansiedlung potenziell gefährlicher Mikroben langfristig unterbinden. „Die mit unseren Additiven ausgestatteten Polymere und Elastomere unterstützen die Maßnahmen einer professionellen Krankenhaushygiene“, so Eichholz. Das Risiko, dass daraus hergestellte medizintechnische Geräte zur Verbreitung von Mikroben beitragen, wird somit minimiert.

Eine gezielte Kombination von organischen und anorganischen antimikrobiellen Wirkstoffen erhöht die Effizienz der einzelnen Komponenten. In den so entstandenen Formulierungen entfalten die Einzelkomponenten ihre Wirkung dauerhafter oder schneller. Ein eigenes Mi-krobiologieteam kontrolliert die Wirksamkeit der verschiedenen Formulierungen gegen relevante Mikroorganismen, unter anderem auch multi-resistente Erreger wie MRSA (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus).

Masterbatch mit antibakterieller Wirkung

Auch das Unternehmen Albis Plastic, Hamburg, hat den Krankheitserregern, Keimen und Bakterien den Kampf angesagt und das Masterbatch Albis Hygienic Material auf den Markt gebracht. Neu entwickelte Additive auf der Basis von Silber und unter anderem auch von Kupfer als Wirksubstanz ermöglichen das antimikrobielle Ausrüsten von Kunststoffen ohne zusätzliche Beschichtung.

„Durch den Einsatz von Albis Hygienic Material ist der Anwender in der Lage, jeden Kunststoff in nahezu allen Farbvarianten mit einem antimikrobiellen Schutz auszustatten“, erläutert Marcel Wiesner, Produktspezialist im Bereich Masterbatch. „Für alle wichtigen Polymere liegen inzwischen Lösungen auf der Basis der neuentwickelten Wirksubstanzen vor. Hierbei handelt es sich sowohl um reine Additivlösungen, als auch um farbgestellte Einstellungen sowie Compounds.“

Katheter mit antiseptischer Wirkung

Das Thüringische Institut für Textil-und Kunststoff-Forschung (TITK), Rudolstadt, hat zusammen mit dem Unternehmen Christoph Miethke, Potsdam, eine antimikrobielle Ausrüstung von Kathetern entworfen. Um postoperative Shuntinfektionen bei Implantaten zu verhindern, sind die Katheter mit Silber ausgerüstet, basierend auf einer am Institut entwickelten, patentierten Verfahrenstechnologie. Dendritisch hochverzweigte Polymere (hyperbranched polymers – hbp) als Träger für Silberpartikel eignen sich als Agenzien mit dosierter Wirkung zur Ausrüstung von Polymerwerkstoffen für Katheterapplikationen.

Zudem bieten derartige Hybridstrukturen die Möglichkeit, Grenzflächeneigenschaften gezielt zu modifizieren. Die antimikrobiellen Eigenschaften ließen sich durch eine nachträgliches Imprägnieren der Silikonoberfläche als auch durch direktes Einbringen des Additivs im Materialvolumen (TPE) bei der Extrusion erreichen. Dabei sind nur geringe Silbergehalte notwendig, um das Infektionsrisiko zu minimieren.

Antibakterielle Oberflächen durch Fluorierung

Eine weitere Möglichkeit der antimikrobiellen Beschichtung nahezu aller Kunststoff-Typen haben Forscher des Unternehmens Innovent, Jena, entwickelt. Sie verwenden hierfür das im Vergleich zu Silberoberflächen kostengünstige Verfahren der Fluorierung. Die Technologie wird angewendet, um Kunststoffbehälter undurchlässig für Lösungsmittel zu machen oder um die Benetzbarkeit von Kunstoffen mit Flüssigkeiten sowie die Festigkeit von Verklebungen und Bedruckungen auf Kunststoffen zu verbessern. Diese Methode kann bei praktisch allen Kunststoffen eingesetzt werden, um eine stark antibakterielle Oberfläche zu erzeugen. Durch Tests nach ISO Norm 22196 ließ sich die Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Keimen, darunter auch Staphylococcus aureus, nachweisen.

Hygienemarkt mit Potenzial

Egal ob Compounds mit eingebrachten keimtötenden Additiven oder antimikrobielle Beschichtungsverfahren – der Markt hierfür wächst. Denn nicht nur in der Medizintechnik sind solche Produkte von Interesse, auch die Verpackungs- und Lebensmittelindustrie wird Abnehmer solcher funktionalen Kunststoffe sein. So bleiben mit antibakteriellen Folien verpackte Lebensmittel beispielsweise länger haltbar. Aber auch in den Bereichen Elektronik, Haushalt und Gastronomie finden solche Kunststoff-Compounds bereits im Computertastaturen, Gehäusen und in Schneidbrettern für den Küchenbereich Anwendung. Es bleibt den Produktentwicklern überlassen, weitere Anwendungen zur Marktreife zu bringen. Aber trotz aller Vorteile der antimikrobiellen Wirkung der Produkte: Einer Infektion kann damit niemand generell entgehen.

 

Antimikrobielle Kunststoffe im Detail

  • Sanitized, Burgdorf, Schweiz, erreicht mit den silberbasierten Additiven Sanitized Silver bereits bei niedriger Wirkstoffkonzentration eine antimikrobielle Wirkung. Die patentierte Technologie basiert auf dem Einsatz kleiner Silberpartikel, die in einem glaskeramischen Material eingeschlossen sind. Diese Kombination ergibt eine hohe Transparenz, wie sie für optisch ansprechende Beschichtungen notwendig ist. Das Material ist wirksam gegen zahlreiche Bakterien und temperaturstabil bis zu 500°C – also deutlich höher einsetzbar als jeder andere organische Wirkstoff.
  • Rowa Masterbatch, Pinneberg, setzt das farb- und nebenwirkungslose Zinkoxid als biozides Additiv in dem Compound Rowa Protect ein. Kunstfasern wie Polyester, Polyamid und Polypropylen-Gewebe können damit antibakteriell ausgerüstet werden, ohne eine Verfärbung in Kauf nehmen zu müssen. Die mechanischen Eigenschaften des Zink-Compounds bei einem
    Prozent Wirkstoffgehalt weisen nach einer simulierten Alterung von über 1.000 Stunden bei 80°C kaum eine Veränderung auf.
  • BASF, Ludwigshafen, hat zwei neue Varianten der Hygentic-Werkstoffe auf dem Markt: Hygentic SBC ist ein transparentes, für den Spritzguss einsetzbares Styrol-Butadien-Blockcopolymer-Granulat, das antimikrobiell wirkende Silberionen enthält. Die Variante Hygentic PA ist ein antimikrobielles, mit Glasfasern verstärktes, spritzgießfähiges Polyamid-Granulat. Beide Werkstoffe sind laut Anbieter hoch wirksam gegen eine Vielzahl von Pilzen und Bakterien. Daraus hergestellte Me-dizintechnikprodukte lassen sich zudem mit herkömmlichen Verfahren desinfizieren.
  • Albis Plastic, Hamburg, nutzt Additive auf der Basis von Silber und Kupfer als Wirksubstanzen für das antimikrobielle Ausrüsten von Kunststoffen ohne zusätzliche Beschichtung. Inzwischen liegen für alle wichtigen Polymere Lösungen auf der Basis der neuentwickelten Wirksubstanzen vor.
  • Auch wenn es keine direkte antimi-krobielle Wirkung hat, mit dem TPE-Compound Provamed 1158 von Actega DS, Bremen, können die Qualitätsstandards hinsichtlich Reinheit, Hygiene, Biokompatibilität und Sicherheit eingehalten werden. Geprüft und zertifiziert ist laut Unternehmen die Eignung der Ma-terialien nach USP VI / ISO 10993. Bei der Entwicklung dieser TPE-Rezeptur wurden die möglichen Auswirkungen der für die Sterilisation notwendigen hochenergetischen Gammabestrahlung berücksichtigt. So können ein Verspröden, Verfärben, Verändern mechanischer Eigenschaften und Erhöhen der Steifigkeit vermieden und die Festigkeit auf hohem Niveau erhalten werden.

 

 

Nachgehakt

Plastverarbeiter befragte zwei Experten zum Thema antimikrobielle Kunststoffe in der Medizintechnik. Der Mediziner Klaus-Dieter Zastrow ist zuständing für die Öffentlichkeitsarbeit der Deutschen Gesellschaft für Krankenhaushygiene (DGKH), Berlin. Der Biologe Wolfgang Sening ist Geschäftsführer des Wissenschaftlichen Instituts für Innovation und Beratung Senetics in Erlangen.

Welche Produkte aus antimikrobiellen Kunststoffen sind bereits am Markt?

Klaus-Dieter Zastrow: Die am besten untersuchten Wirkstoffe sind Kupfer und Silber, die in Kunststoffe eingearbeitet werden. Beide haben eine gute antibakterielle Wirkung bei Türklinken, Wandschutzprofilen, Wandbeschichtungen sowie Bodenbelägen.

Wolfgang Sening: Antimikrobiell wirksame Kunststoffe werden seit einiger Zeit im Medizin- und Klinikbereich eingesetzt. Sie wirken nicht nur antibakteriell – also nicht nur gegen Bakterien – sondern antimikrobiell, auch gegen Viren. Solche Kunststoffoberflächen sind viel effizienter als gängige Wischdesinfektionen und sind für einen Zeitraum von etwa fünf Jahren wirksam. Anwendung finden antimikrobielle Kunststoffe in sensiblen oder exponierten Bereichen wie beispielsweise in Beatmungsgeräten und deren Zubehör, bei Kathetern, Drainagen, Wundauflagen, Gehäusekomponenten, Bedienfeldern von Geräten, Schaltern oder Krankenhaus-Tabletts. Probleme mit pathogenen Keimen gibt es auch bei medizinischen Hilfsmitteln, die längere Zeit mit dem menschlichen Körper in Kontakt bleiben. Ein weiterer Punkt bei der Bekämpfung von Mikroorganismen sind Keime, die unangenehme Gerüche entwickeln, wie zum Beispiel in Müllbehältern oder verschmutzter Kleidung.

Inwieweit können solche Kunststoffe die Infektionshäufigkeit reduzieren und gibt es bereits dazu Studien?

Zastrow: Bisher gibt es keine Studien in denen nachgewiesen wurde, dass durch die antibakterielle Wirkung von entsprechend ausgestatteten Kunststoffen die Infektionsrate vermindert werden konnte.

Sening: Infektionen sind eine globale Herausforderung. In der Medizin ist der Schutz des Patienten und des klinischen Personals vor Infektionen bei weitem der wichtigste Grund, der für den Einsatz von antimikrobiellen Kunststoffen spricht. Umso erschreckender ist gemäß einer WHO-Studie (WHO, European Center for Disease Prevention and Control), dass der Anteil an Erst- und Folgeinfektionen von Patienten, die durch Krankenhausaufenthalte entstehen.

Welche funktionalen sowie haptischen und optischen Anforderungen müssen solche Kunststoffe erfüllen?

Sening: Besonders wichtig empfinde ich die Wirksamkeit der zugesetzten Substanzen, die Haptik und Optik ist aktuell weniger problematisch. Die heute gängigen Verfahren zur Herstellung antibakterieller Eigenschaften verwenden überwiegend oberflächlich auf- oder eingebrachtes Silber oder in das Material eingearbeitete Biozide. Das Einbetten von Silber in Kunststoffen in verschiedenen Partikelgrößen, oder deren Beschichtung, hat eine prinzipiell vergleichbare Wirkung wie ein Breitbandbakterizid.
Zastrow: Antibakterielle Kunststoffe sollten dadurch überzeugen, dass sie die üblichen Anforderungen erfüllen, wie wir sie von allen anderen Gebrauchsgegenständen auch erwarten. Die Beimengungen antibakterieller Wirkstoffe sollte man weder fühlen noch sonstig wahrnehmen.

Sening: Bei Bioziden wie beispielsweise Triclosan wird aufgrund des Wirkmechanismus befürchtet, dass Bakterien dagegen resistent werden können. Hierbei können Keime gleichzeitig eine Resistenz gegen andere Antibiotika entwickeln. Nichtsdestotrotz zeigen die antimikrobiellen Stoffe eine hohe Wirkung gegenüber Bakterien, Pilzen und Hefen, deren Vermehrung effektiv verhindert werden kann. Im Gegensatz zu organischen Verbindungen halten diese antimikrobiellen Wirkstoffe Verarbeitungstemperaturen von über 300°C stand. Hier möchte ich kurz die Sterione benennen, die aus metallorganischen Stoffen mit ionisierender Wirkung bestehen. Kontinuierlich werden Ionen hoher Aktivität gebildet, die das Stoffwechselsystem der Bakterienzelle angreifen und die Einzeller lethal schädigen. Als Additiv werden Sterione eingebracht.

Die antimikrobielle Wirkung der Additive bleibt in dem neuen Materialgemisch erhalten und die Produkt-oberfläche soll dadurch dauerhaft antimikrobiell wirksam sein. Im Gegensatz zu den häufig am Markt befindlichen Substanzen mit Nanoteilchen handelt es sich bei Sterionen nicht um Nanometalle. Sie migrieren nicht, da sie fest in die Polymermatrix des Kunststoffes eingebettet und somit ökologisch und gesundheitlich unbedenklich sind. Manche Produkte basieren auf Ionen-Tauschersystemen die kontinuierlich Silberionen abgeben. Trägermaterial der Silberionen ist zum Beispiel Zeolith. Dieses antimikrobielle Compound (verwendbar bei PEEK, PPSU, POM-C oder PET) widersteht Chemikalien mit pH-Werten von 3 bis 10 und Temperaturen bis 800°C.

Was ist bei der Verarbeitung von antimikrobiellen Kunststoffen zu beachten?

Sening: Alle zugesetzten anorganischen Materialien sind problemlos im Kunststoff-Spritzgussverfahren zu verarbeiten. Temperaturtoleranzen von mehreren Hundert Grad Celsius sind kein Problem. Schwieriger wird dies bei organischen Materialien oder thermosensitiven anorganischen Additiven, hier findet beim Spritzgussverfahren eine thermische Denaturierung der organischen Stoffe statt, was zu einem Eliminieren der antimikrobiellen Wirkung führen kann.

 

Vielen Dank für das Gespräch!

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Über den Autor

Georg Sposny Redaktion Plastverarbeiter. georg.sposny@huethig.de