Übungen im Mikrobereich

Über eine Woche lang, vom 22.¿29. Oktober, tobt in sämtlichen Hallen des Düsseldorfer Messegeländes die K ¿98 die Internationale Messe für Kunststoff und Kautschuk. Spezielles Thema der diesjährigen Plast-Show sind die Kunststoffe in der Medizintechnik. Deshalb auch unser SCOPE-Spezial zu diesem Thema. Da geht es vordergründig zwar um die makromolekulare Materie im klinischen Alltag, doch die Entwicklungen und Erkenntnisse aus dem Reich der Weißkittel sind übertragbar. Auch Maschinenbau, Elektrotechnik oder Elektronik können von diesen Übungen im Mikrobereich profitieren. Und von den Werkstoffen, die hier im Dienste der Gesundheit zum Einsatz kommen.
Long John Silver humpelte noch mit einem aus Kiefernholz gedrechselten Ersatzbein durch den feuchten Dschungel der ¿Schatzinsel¿. In unseren Tagen hätte er es genau wie Captain Ahab, dem legendären Walfängerchef aus ¿Moby Dick¿ von Herman Melville, besser gehabt. Dem Captain wurde aus dem Kiefernknochen eines Pottwals eine halbwegs brauchbare Prothese für sein im Kampf mit dem weißen Wal abhanden gekommenes Bein geschnitzt. Jetzt würden den beiden Haudegen Kunststoffe zum nahezu vollwertigen Ersatz der fehlenden Glieder verhelfen. Aus mit Glas- oder auch Kohlefasern verstärkte Polyesterharzen zum Beispiel, einschließlich präzise ausgetüftelter Federung und einem der natürlichen Haut nachempfundenen ¿kosmetischen Strumpf¿, lassen sich heute Prothesen fertigen, die nach fleißigem Training selbst sportliche Aktivitäten erlauben. Da kann die Prothese auch schon mal als Tanzbein geschwungen werden.

Oder nehmen wir den Götz von Berlichingen (1480¿1562). Dessen historisch verbürgte eiserne Hand, mit der er laut Überlieferung sogar die Lanze greifen und schleudern konnte, bleibt gegen die ¿künstlichen Hände¿ unserer Tage nur ein unzulängliches, rostanfälliges Provisorium. Hergestellt aus hochwertigen Performance-Plastics, angetrieben von winzigen E-Motoren und der Natur täuschend ähnlich abgekupfert, sind die Kunsthände gegenwärtiger Ersatzteil-Medizin wahre Wunderwerke der Mikroelektronik und Feinmechanik. Damit läßt sich nicht nur die Lanze schwingen. Damit läßt sich auch Klavier spielen und der Computer bedienen.

Milliarden-Dollar-Markt
Die Anwendungsbereiche der Kunststoffe in der Medizintechnik sind ungeheuer vielfältig. Sie spannen einen Bogen, der von technischen Apparaturen wie Medikamentenverneblern, Dialysegeräten oder Inkubatoren über Einwegspritzen, Infusionsflaschen sowie Folienbeuteln für Blutplasma bis hin zu Hüftgelenkersatz oder den erwähnten kompletten Prothesen reicht. Zahnersatz gehört natürlich auch dazu, Kontaktlinsen ebenfalls oder ¿ eine noch junge Entwicklung ¿ Implantate oder Medikamententräger aus resorbierbaren Kunststoffen. Das sind synthetische Materialien, die im Laufe einer bestimmten Zeit ohne Nebenwirkungen vom Körper adaptiert und nicht mehr chirurgisch entfernt werden müssen. Äußerst reißfeste Garne aus Polyester, Polyamiden oder ähnlichen Chemie-Werkstoffen ergänzen die Offerte. Sie können mikroskopisch dermaßen fein ausgezogen sein, daß sie sich zum Vernähen von Hornhaut-Membranen in der Augenmedizin eignen.

Es ist ein expansiver, prosperierender Markt, der sich jetzt bereits und mehr noch für die Zukunft abzeichnet. Fast täglich gesellen sich neue Einsatzmöglichkeiten für die polymeren Assistenten aus dem Baukasten der Chemie zum bestehenden Arsenal der Applikationen hinzu. Amerikanische Markterhebungen kommen zu dem Ergebnis, daß 1995 weltweit für mehr als 80 Mrd. USD sogenannte ¿Medical Devices¿ verkauft wurden. Knapp die Hälfte davon auf dem nordamerikanischen Kontinent, jeweils etwa ein Viertel in Europa und in Südostasien. Unbedeutend sind dagegen die Anteile in Südamerika und in Afrika.

Die in diesen ¿Devices¿ eingesetzten Werkstoffe verteilen sich nach Recherchen von Heinz Pudleiner, Experte für Kunststoff in der Medizintechnik bei Bayer, auf Metalle, Keramik, Composites, biologische Materialien und den mit 45 Prozent anteilig größten Werkstoff Kunststoff. Hergestellt werden daraus unter anderem künstliche Hüft- und Kniegelenke, Herzklappen, Blutgefäße, künstliche Nieren (Dialysatoren), Herz-Lungen-Maschinen, Kontaktlinsen oder Katheter. Zu den Anwendungen mit den zweifellos höchsten Zuwachsraten zählen sogenannte cardiovasculäre Produkte, also Geräte für die Herz-Chirurgie und die Prophylaxe wie beispielsweise auch Ballon-Katheter.

Mit dritten Zähnen fing es an
Zahnprothesen gehören zu den ältesten Anwendungen der Kunststoffe im Reiche Äskulaps, dem griechischen Gott der Heilkunst. Bereits 1930, noch mitten in seinen Forschungsarbeiten zur Synthese von Methylmethacrylat und seiner Polymerisation, überlegte der Chemiker Otto Röhm in Darmstadt, was sich aus dem von ihm angestrebten Endprodukt anfangen ließe. Fünf Jahre später und schon auf der Zielgeraden kam 1935 von Röhm die erste Patentanmeldung, das potentielle Polymerisat des Acrylats für Zahnprothesen zu verwenden. Nach der Erfindung des Polymethylacrylats, kurz PMMA genannt und besser bekannt als ¿Plexiglas¿, wurden aus dem von Röhm und seinen Mitarbeitern entdeckten neuen Kunststoff die ersten Gaumenplatten für die dritten Zähne geformt. Ständig verbessert gehören sie noch heute zum Standard dentaler Ersatzteilbeschaffung.

Nach Ausführungen des Chemikers Pudleiner aus dem Hause Bayer werden eine Vielzahl der auch heute noch verwandten Werkstoffe in der Medizintechnik für technische Einsatzgebiete entwickelt. Aufgrund der Erfahrung, daß sie dem Patienten nutzen und im menschlichen Körper keine schwerwiegenden schädlichen Nebenwirkungen zeigten, fanden sie ebenfalls Eingang in den medizinischen Bereich. Maßgeschneiderte Werkstoffe für die Medizintechnik ¿ so Pudleiner ¿ bilden eher die Ausnahme, ¿zumal auch gezielte Entwicklungen geeigneter Materialien durch das beschränkte Wissen um die Wechselwirkungen zwischen Biomaterial-Oberfläche und biologischem System nicht möglich waren¿. Zu klein ist wohl auch (noch) der Absatzmarkt, um die relativ hohen Kosten für den Forschungsaufwand zu rechtfertigen.

Nach wie vor ist es das Polyvinylchlorid (PVC), das vorrangig im medizinischen Sektor verwendet wird. Neben den zu einer Gruppe zusammengefaßten Polystyrol (PS) und Acryl-Butadien-Styrol (ABS), die zusammen auf etwa 27 Prozent kommen, deckt PVC annähernd ein Viertel des Bedarfs an Kunststoffen für den Medizinbereich ab. Auch im gesamtdeutschen Medizineinsatz führt PVC mit einem Verbrauch von 50 000 Tonnen die Liste der meistverwendeten Polymere an. Primär wird dieser Werkstoff aufgrund seiner ausgezeichneten Resistenz gegenüber diversen chemischen Substanzen, aber auch wegen seiner guten Temperaturbeständigkeit und weiteren positiven Tugenden verarbeitet. Katheter, Blut- und Gefäßschläuche, Schürzen und Handschuhe für den OP-Bereich sowie alle möglichen Behältnisse für Blut-Transfusionen, Infusionen und Drainagen entstehen aus diesem Oldie auf der polymeren Werkstoff-Palette.

Nicht nur Standard
In einer opulenten Broschüre, in der die Bayer AG einen Überblick über das Sortiment ihrer Kunststoffe für die Medizin-und Labortechnik gibt, wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der Leverkusener Chemiekonzern die für medizinische Zwecke am häufigsten verwendeten Kunststoffe wie PVC, Polyethylen (PE), PS und Polypropylen (PP) nicht im Programm hat. Stattdessen werde eine breite Auswahl von sogenannten Konstruktions-Werkstoffen offeriert. Diese werden immer dann als Problemlöser herangezogen, wenn das Eigenschaftsprofil eines Standardkunststoffs für die Anforderungen im Bereich der Medizintechnik nicht ausreicht.

So sind dann die polymeren Erzeugnisse aus den Reaktoren der Leverkusener Chemiker auf nahezu allen Feldern der Medizin- und Labortechnik anzutreffen. Sei es bei der Diagnostik oder Chirurgie, bei der Krankenpflege oder im Labor. Ungeahnte Einsatzmöglichkeiten zeichnen sich ab: Das Spektrum reicht hier von speziellen Folien für sterile Verpackungen über unterschiedliche Schläuche und Katheter bis hin zu lebenswichtigen Geräten für die Organunterstützung wie künstliche Nieren, Oxygenatoren oder Inhaliergeräten für die Asthmatherapie.

Das Gehäuse dieses Inhalators, mit dem sich der betroffene Patient selbst einen Monat lang zweimal täglich mit einer genau dosierten Menge des verschriebenen Medikaments versorgen kann, besteht aus ¿Lustran¿. Dahinter verbirgt sich ein ABS-Polymer von Bayer, das auch zum Spritzgießen technischer Formteile im Kfz-Bereich gerne verwendet wird. Die britische Firma Glaxo Wellcome, Hersteller des Geräts, hat sich für dieses Material entschieden, weil es eine hohe Dimensionsstabilität mit guten Werten hinsichtlich Schlag- und Kratzfestigkeit kombiniert. Darüber hinaus sind etliche Funktionsteile, zum Beispiel der Druckhebel, mit dem der Dosiervorgang eingeleitet wird, aus ¿Makrolon¿, dem Polycarboant aus Leverkusen.

Auch die Hoechst AG, beziehungsweise deren ausgelagerte Tochtergesellschaft Ticona, Frankfurt, hat ihre Aktien in dieser medizinischen Novität. Acht der insgesamt vierzehn Bauteile des Inhalators sind aus ¿Hostaform¿, einem Acetalharz (POM) aus dem Lieferprogramm der Hoechster. Ein raffiniert ausgeklügelter Mechanismus in dem Gerät sorgt für den sicheren Betrieb und die exakte Dosierung nach ärztlicher Verschreibung. Kernstück der Mimik ist ein ineinander greifendes Räderwerk, das komplett aus dem Polyacetal der Ticonas realisiert wurde.

Vorstoß in die Mikrowelt
Als im Dezember des Jahres 1982 dem damals 61jährigen Amerikaner Barney Clark von dem US-Chirurgen William DeVries erstmals ein künstliches Herz, dessen Komponenten weitgehend aus Kunststoffen bestanden, eingepflanzt wurde, war die Sensation perfekt. Doch schon vier Monate später starb der Patient trotz intensiver ärztlicher Bemühungen. Ernüchterung kehrte ein und kennzeichnet bis heute den Stand der Forschung auf diesem problematischem Gebiet. So stellte der Verband der Chemischen Industrie (VCI), Frankfurt, vor einiger Zeit resigniert fest, daß erst die zukünftige Entwicklung beweisen wird, ob das artifizielle, aus allerlei Plastik und Elektronik zusammengebastelte Herz eine Alternative zur jetzt praktizierten Herzverpflanzung ist. Viele Fragen sind immer noch offen. Von der Kunst, ein echtes und funktionierendes Kunststoffherz zu implantieren, ist die Medizin noch Lichtjahre entfernt.

Hier könnten in kommenden Jahren neue Technologien, im konkreten Fall die Mikrosystemtechnik, für den notwendigen Push sorgen. Heißt im Klartext nach Ansicht von Helmut Detter, Professor an der Technischen Universität Wien und Leiter des dort angesiedelten Instituts für Feinwerktechnik, daß sich ¿für eine Fülle von Aufgabenstellungen neue Lösungsmöglichkeiten ergeben¿. Detter ist zuversichtlich, daß die Mikrosystemtechnik einen mindestens gleichgroßen branchenübergreifenden Effekt auslösen wird, wie dies in den vergangnenen Jahren durch die Mikroelektronik demonstriert wurde: ¿In dieser Mikrowelt vermischen sich erstmals die Grenzen zwischen organischen und anorganischen Strukturen.¿

Für den Professor aus der Metropole der rot-weißen Alpenrepublik zeichnen sich rosige Zeiten am wissenschaftlichen Horizont ab. Detter schwärmt davon, daß es durch die Methoden der Mikrotechnik erstmals möglich sein wird, Prozesse in lebenden Zellen und die damit verbundenen Wechselvorgänge zu beobachten und zu analysieren. Damit ließen sich Verfahren und Wirkstoffe entwickeln, die diese Prozesse und Abläufe beeinflussen und damit steuern. Detter kann sich durchaus vorstellen, daß bei der enormen Geschwindigkeit, mit der die Mikrotechnologie in bestehende Strukturen integriert wird, ¿heute vielleicht als Utopien erscheinende Überlegungen schon in wenigen Jahren zur Routine im medizinischen Alltag gehören¿.

Keine Zukunftsmusik
Nicht mehr bloße Vision ist ein Projekt, bei dem es um die Entwicklung eines konkreten Konzepts geht, das auf mikrotechnischer Basis eine totale Implantation der Nachbildung des gesamten Mittelohrbereichs ermöglicht. Anläßlich einer Pressekonferenz im Vorfeld der K ¿98 berichtete Detter, daß als Teilergebnis dieser Forschungsarbeit bereits mikromechanische Formteile entstanden sind, die jedoch ¿hinsichtlich ihrer technischen Herstellbarkeit und des damit verbundenen Werkstoffs analysiert werden müssen¿.

Das Wiener Institut für Feinwerktechnik, das in internationalen Netzwerken das Thema Mikrotechnik auch auf dem Gebiet der Herstelltechnologien wahrnimmt, hat nach Angaben seines Leiters eine breite Palette prinzipiell geeigneter Methoden, solche mikrokleinen mechanischen Teile herzustellen, untersucht. Dabei habe sich gezeigt, daß gerade der Mikrospritzguß ein potentiell sehr interessantes Herstellverfahren ist. Aus den Anforderungsprofilen an mikromechanische Teile, wie sie aufgrund von Forschungsprojekten vorliegen, wurde dann ein spezifisches Anforderungsprofil für die Entwicklung eines geeigneten Mikro-Spritzgießverfahrens herausgearbeitet. Das war die Basis für die Entwicklungsarbeiten bei der österreichischen Filiale des deutschen Unternehmens Battenfeld. Und es waren die Grundlagen für das von diesem Hersteller kreierte ¿Microsystem¿.

Premiere auf der K ¿98
Als unmittelbares Ergebnis dieser vielversprechenden Visionen hat sich in Österreich eine Interessengruppe zusammengetan, zu der neben der österreichischen Battenfeld-Niederlassung in Kottingbrunn und dem IFWT, dem eingangs erwähnten Institut für Feinwerktechnik, auch die Firma Zumtobel als Formenbauer, sowie die Arge HMA als projektorientierter Verbund von fachlich ausgerichteten Forschungseinrichtungen an Universitäten des südlichen Nachbarlands, zuständig für das Handling, gehören. Die Firma HB Plastik schließlich, auf das Spritzgießen kleinerer technischer Präzisionsteile aus thermoplastischen Kunststoffen spezialisiert, ist für die Definition der Anforderungen und die Produktionserprobung zuständig. Das gemeinsam in Angriff genommene Projekt rangiert unter dem Namen ¿MMM¿. Die drei Versalien stehen für ¿Mikro, Moulding and Machinery¿.

Ziel war, eine komplette Fertigungszelle für Mikropräzisonsteile zu entwickeln. Das Ziel wurde erreicht. Premiere der Zelle ist auf der K ¿98 in Düsseldorf. Martin Ganz, Leiter der Entwicklung Mikrospritzguß bei der Battenfeld-Gruppe, macht in diesem Zusammenhang darauf aufmerksam, daß man in seinem Haus bereits vor mehr als einem Jahrzehnt, die Notwendigkeit neuer technischer Lösungen erkannte und erstmals ein Einspritzverfahren (MP-Einheit) für dieses Marktsegment entwickelte. 1988 brachte Battenfeld als erstes Unternehmen eine Spritzeinheit für Kleinstteile auf den Markt: die ¿Micromelt¿ mit einem Schneckendurchmesser von 14 Millimetern.

In Düsseldorf auf der Kunststoffmesse wird nun erstmals die vollelektrische Spritzgießanlage ¿Microsystem¿ der Öffentlichkeit vorgestellt. ¿Optimal für Mikropräzisionsteile bis in den einstelligen Milligrammbereich konzipiert¿ sei diese Entwicklung die Antwort auf neue Anforderungen der Praxis und gleichzeitig das Resultat gebündelter Forschungsaktivitäten in der österreichischen Bundesrepublik. Das modular gestaltete Konzept biete weitreichende Möglichkeiten für das Spritzgießen der thermoplastischen Winzlinge, aber ebenfalls für ein adäquates Handling, für Prüfung und lageorientierte Verpackung der produzierten Plastteile.

Auf der K ¿98 wird nach Darstellung von Martin Ganz die Produktion eines Hochpräzisions-Sensors aus Polycarbonat (PC) mit einem Spritzgewicht von gerade mal 0,02 Gramm demonstriert. Dieser Sensor ist zur direkten Implantierung unter die Haut in das menschliche Ohr bestimmt. Aber ¿ um den Kreis zu schließen und die in der Überschrift angekündigten Übungen im Mikrobereich zu dokumentieren: Es werden auf der Messe und auf dieser Maschine auch Zahnräder aus einem Polyacetalharz für den Einsatz in der Uhrenindustrie und Stößel aus LCP (Liqid Cristal Polymer) mit einem Teilegewicht von verschwindend wenig 0,016 Gramm für die Automobilbauerei gespritzt.

Insofern hat man zumindest bei den Battenfelds seine Lektionen von der polymeren Medizintechnik hervorragend gelernt. Und man darf gespannt sein, welche Übungen im Mikrobereich sich auf dieser Zelle noch verwirklichen lassen.

K ¿98 im Zeichen der polymeren Arzthelfer

Nach Einschätzung der Düsseldorfer Messemacher, den Veranstaltern der K ¿98, ist die Medizintechnik ein wichtiges und interessantes Marktsegment für Kunststoffe und Kautschuk. Hier können sie ihre Vielseitigkeit so richtig unter Beweis stellen. Und so hat man sich an der Stockumer Kirchstraße zur bevorstehenden Plast-Show was einfallen lassen und ein ¿Special Medizintechnik¿ auf die Beine gestellt. Angesprochen sind als wichtige Besucherzielgruppe für viele Aussteller der K-Düsseldorf unter anderem Designer und Materialexperten aus der medizintechnischen Industrie. Und im Rahmen dieses thematischen Schwerpunkts werden sich Fachleute aus Wissenschaft, Anwenderbranchen und Kreisen der Aussteller mit solchen hehren Dingen beschäftigen wie:

Entwicklungspotential der medizinischen Technik
Der Prozeß der Produktentwicklung
Die polymeren Werkstoffe
Technologie der Verarbeitung

An drei Vormittagen der K, am 26., 27. und 28. Oktober, steht die Düsseldorfer Messe besonders heftig im Zeichen der polymeren Arzthelfer. Dann nämlich werden diese speziellen Schwerpunkte in besonderen Veranstaltungen im Congress-Center abgefeiert. Aussteller der K, aber auch andere interessierte Firmen, können sich mit einem Fachvortrag, einem Infostand oder einer Plakatdarstellung (Poster) an der polymeren Aktion in Sachen Äskulap & Co. beteiligen. Vielleicht ist es jetzt schon ein paar Tage zu spät, um noch aktiv mitmischen zu können/dürfen; aber das wird Ihnen Frau Feddersen bei der Messe Düsseldorf (Tel. 0211/45 60 82 26) genau sagen.

Siegfried Heimlich / Oktober 1998