antibakteriell wirksames schichtsystem in und auf d¨unnen...
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Antibakteriell wirksamesSchichtsystem in und auf d ¨ unnen
KapillarenNetzwerktag Chemie-Cluster Bayern
Furstenfeldbruck, 09. Nov. 2015
Gerhard Franz und Dieter Jocham
Hochschule Munchen fur Angewandte Wissenschaften
Universitatsklinikum Schleswig-Holstein zu Lubeck
http://www.gerhard-franz.org
Gerhard Franz – p. 1/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
Gerhard Franz – p. 2/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.
Gerhard Franz – p. 2/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.
Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.
Gerhard Franz – p. 2/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.
Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.
Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.
Gerhard Franz – p. 2/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.
Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.
Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.
Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.
Gerhard Franz – p. 2/18
Research for Health
Bakterielle Infektionen sind ein großes Problem . . .
. . . im taglichen Leben, vor allem aber in klinischerUmgebung.
Bakterielle Infektionen im harnableitenden Bereichtreffen jeden zweiten stationaren Patienten.
Fur die ware eine Vermeidungsstrategie gut.
Bakterielle Infektionen der Niere bei Schwerkrankenaber mussen vermieden werden.
Fur solche Patienten ist eine Vermeidungsstrategielebensnotwendig!
Gerhard Franz – p. 2/18
Antibakterielles System: Forderungen
Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.
Gerhard Franz – p. 3/18
Antibakterielles System: Forderungen
Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.
aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,
Gerhard Franz – p. 3/18
Antibakterielles System: Forderungen
Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.
aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,
Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,
Gerhard Franz – p. 3/18
Antibakterielles System: Forderungen
Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.
aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,
Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,
gute Haftung auf dem dreidimensionalen Substrat undsichere Langzeitwirkung
Gerhard Franz – p. 3/18
Antibakterielles System: Forderungen
Idee: Ballonkatheter und urologische Stents(Ureterschienen) dauerhaft antibakteriell beschichten.
aktiv gegen eine große Anzahl von Bakterien undPilzen,
Bakterien durfen keine (Multi-)Resistenz entwickelnoder entwickelt haben,
gute Haftung auf dem dreidimensionalen Substrat undsichere Langzeitwirkung
⇒ Silber
Gerhard Franz – p. 3/18
Uberlegungen I
Wie beschichtet man eine Kapillare (innen und außen),die aus hydrophobem organischen Polymer(Elastomer) besteht, und die den elektrischen Stromnicht leitet?
L
d10 < L:d < 100
Gerhard Franz – p. 4/18
Uberlegungen I
Wie beschichtet man eine Kapillare (innen und außen),die aus hydrophobem organischen Polymer(Elastomer) besteht, und die den elektrischen Stromnicht leitet?
Dabei betragt das Verhaltnis Lange/Durchmesser derKapillaren etwa 50 − 100.
L
d10 < L:d < 100
Gerhard Franz – p. 4/18
Uberlegungen IIWie wird der Film vor vorzeitiger Erschopfung durch zuhohe Medikamentenabgabe geschutzt?
Katheter
Polyparylen mit
dispergiertem Silber
offenes Lumen
Katheter
Silber
Poly-Parylen
offenes Lumen
innen
Katheter aus
Polyurethan mit
chaotisch verteilten
Silberpartikeln
offenes Lumen
Gerhard Franz – p. 5/18
Uberlegungen IIWie wird der Film vor vorzeitiger Erschopfung durch zuhohe Medikamentenabgabe geschutzt?
Sandwichsystem
Katheter
Polyparylen mit
dispergiertem Silber
offenes Lumen
Katheter
Silber
Poly-Parylen
offenes Lumen
innen
Katheter aus
Polyurethan mit
chaotisch verteilten
Silberpartikeln
offenes Lumen
Gerhard Franz – p. 5/18
Herausforderungen
Silber wird als erstes abgeschieden
Stromlose Abscheidung aus wassriger Losung
im Zebrastreifendesign auf hydrophobem Elastomer.
Torsionen bei der ImplantationPeristaltik der Harnleiter. . .
Silber
Elastomer
Gerhard Franz – p. 6/18
Herausforderungen
Silber wird als erstes abgeschieden
Stromlose Abscheidung aus wassriger Losung
im Zebrastreifendesign auf hydrophobem Elastomer.
Die Deckschicht schutzt das Silber nur partiell ⇒ dasUmgebungsmedium reagiert zeitlich verzogert mit derantibakteriellen Schicht
⇒ Chemische Dampfabscheidung einer gleichmaßigdicken und einstellbar dunnen Deckschicht von typisch200 nm aus FDA-kompatiblem Polymer auf derInnenseite einer langen dunnen Kapillare.
Silber
Elastomer
Gerhard Franz – p. 6/18
2 praparative Highlights
Silberabscheidung.
Gerhard Franz – p. 7/18
2 praparative Highlights
Silberabscheidung.
Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.
Gerhard Franz – p. 7/18
2 praparative Highlights
Silberabscheidung.
Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.
1 Patent, 6 Patentanmeldungen
Gerhard Franz – p. 7/18
2 praparative Highlights
Silberabscheidung.
Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.
1 Patent, 6 Patentanmeldungen
9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited
Gerhard Franz – p. 7/18
2 praparative Highlights
Silberabscheidung.
Gleichmaßig dunne Schutzschicht auf der Innenseiteder Kapillare.
1 Patent, 6 Patentanmeldungen
9 internationale, 3 nationale Vortrage, davon 3 invited
6 Aufsatze in Fachzeitschriften, 1 Aufsatz in einempopularwissenschaftl. Journal
Gerhard Franz – p. 7/18
Abscheidung von Silber I
hanger
pump
thermal bath
adapter
waste
valve
airTollens
reagens
controller
(Arduino)
Zweiphasen-Verfahren:
Gerhard Franz – p. 8/18
Abscheidung von Silber I
hanger
pump
thermal bath
adapter
waste
valve
airTollens
reagens
controller
(Arduino)
Zweiphasen-Verfahren:
AgNO3-Losung + Luftpakete
Gerhard Franz – p. 8/18
Abscheidung von Silber I
hanger
pump
thermal bath
adapter
waste
valve
airTollens
reagens
controller
(Arduino)
Zweiphasen-Verfahren:
AgNO3-Losung + Luftpakete
Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches
Gerhard Franz – p. 8/18
Abscheidung von Silber I
hanger
pump
thermal bath
adapter
waste
valve
airTollens
reagens
controller
(Arduino)
Zweiphasen-Verfahren:
AgNO3-Losung + Luftpakete
Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches
Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad..
.
.
.
Gerhard Franz – p. 8/18
Abscheidung von Silber I
hanger
pump
thermal bath
adapter
waste
valve
airTollens
reagens
controller
(Arduino)
Zweiphasen-Verfahren:
AgNO3-Losung + Luftpakete
Pumpe zum Ansaugen dieses Gemisches
Schlauchbugel zur Katheterfixierung im Wasserbad.
Temperaturen zwischen 70 und 80 ◦C.
Gerhard Franz – p. 8/18
Abscheidung von Silber II
randomisiertes Muster von Zebrastreifen.
Gerhard Franz – p. 9/18
Abscheidung von Silber II
randomisiertes Muster von Zebrastreifen.
beliebig biegbar.
Gerhard Franz – p. 9/18
Abscheidung von Silber II
randomisiertes Muster von Zebrastreifen.
beliebig biegbar.
Abstande konnen leicht eingestellt werden.
Gerhard Franz – p. 9/18
Schutzschichten
Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).
Gerhard Franz – p. 10/18
Schutzschichten
Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).
Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.
Gerhard Franz – p. 10/18
Schutzschichten
Nur organische Schichten konnen bei niedrigenTemperaturen auf temperaturempfindlichen Substratenniedergeschlagen werden (max. 100 ◦C).
Unter den zahllosen Polymeren sind nur einige von derFDA zugelassen.
Der bekannteste Vertreter dieser Klasse istPoly-Xylylen oder Parylen (PPX).
Gerhard Franz – p. 10/18
CVD: Verdampfung und Polymerisation
CH2
2 n
CH2
CH2 2nCH2
n
Verdampfung des Dimeren zwischen 110 und 150 ◦C.
Gerhard Franz – p. 11/18
CVD: Verdampfung und Polymerisation
CH2
2 n
CH2
CH2 2nCH2
n
700 ◦C
Thermische Dissoziation bei hohen Temperaturen
Gerhard Franz – p. 11/18
CVD: Verdampfung und Polymerisation
CH2
2 n
CH2
CH2 2nCH2
n
Plasma
oder Dissoziation mit Plasmen.
Gerhard Franz – p. 11/18
CVD: Verdampfung und Polymerisation
CH2
2 n
CH2
CH2 2nCH2
n
Das Monomere polymerisiert an allen kalten Stellen.Der Reaktor wirkt als Kryopumpe.
Gerhard Franz – p. 11/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht I
Random Walk bedeutet chaotische Diffusion.
Funktioniert nur, wenn die Moleküle nichthängenbleiben.
0 5 10 15 20 25 30
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00 N2, 75 mTorr, D = 500 cm2/sec, 45 Å
2
Diffusion aus einerunerschöpflichen Quelle
100 sec10 sec1 sec0.5 sec0.1 sec
N(x
,t)/N
0
x [cm] Gerhard Franz – p. 12/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht II
Polymerbildende Spezies fallen aus dem Ensemblechaotisch diffundierender Molekule aus.
0 10 20 30
200
400
600
800
1000
d[n
m]
x [cm]
Gerhard Franz – p. 13/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht III
Abscheiderate nimmt mit steigender Temperatur ab.
-20 -10 0 10 20 30
0
500
1000
1500
2000
2500
Le Chatelier
p: 50 mTorr (7 Pa)reines PPXVerdampfungstemperatur: 150 °CCrackertemperatur: 650 °C
G.-R. Yang, S. Ganguli, J. Karcz, W.N. Gill, T.-M. Lu;J. Cryst. Growth.183, 385 (1998)
DR = 1307Å/min - 50xT
Deposi
tionsr
ate
[Å/m
in]
Substrattemperatur [°C]
Wasserkühler
Kupfer-Schiene
heizendes Peltier-Elementkühlendes Peltier-Element
Alu-Schiene
GlasobjektträgerSackloch
Gerhard Franz – p. 14/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht III
Abscheiderate nimmt mit steigender Temperatur ab.
-20 -10 0 10 20 30
0
500
1000
1500
2000
2500
Le Chatelier
p: 50 mTorr (7 Pa)reines PPXVerdampfungstemperatur: 150 °CCrackertemperatur: 650 °C
G.-R. Yang, S. Ganguli, J. Karcz, W.N. Gill, T.-M. Lu;J. Cryst. Growth.183, 385 (1998)
DR = 1307Å/min - 50xT
Deposi
tionsr
ate
[Å/m
in]
Substrattemperatur [°C]
⇒ gegenlaufiges Temperaturprofil mit heißen undkalten Peltier-Elementen
Wasserkühler
Kupfer-Schiene
heizendes Peltier-Elementkühlendes Peltier-Element
Alu-Schiene
GlasobjektträgerSackloch
Gerhard Franz – p. 14/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht IV
Gegenlaufiges T-Profil . . .
+ _
V2
+_
V1
Sackloch
Heizungs-element
2
Heizungs-element
1
Thermo-element1 2
EndeMündung
V2
+_
Heizungs-element
3
3
0 5 10 15 20 25 3020
30
40
50
60
70
80
heating cuff
furn
ace
tem
pera
ture
[°C
]
x [cm]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
rela
tive
thic
kness
relative layer thickness
Gerhard Franz – p. 15/18
Gleichmaßige Dicke der Deckschicht IV
Gegenlaufiges T-Profil . . .
+ _
V2
+_
V1
Sackloch
Heizungs-element
2
Heizungs-element
1
Thermo-element1 2
EndeMündung
V2
+_
Heizungs-element
3
3
. . . führt zu gleichmäßigerem Dickenprofil.
0 5 10 15 20 25 3020
30
40
50
60
70
80
heating cuff
furn
ace
tem
pera
ture
[°C
]
x [cm]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
rela
tive
thic
kness
relative layer thickness
Gerhard Franz – p. 15/18
Losungen
maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer
√
Gerhard Franz – p. 16/18
Losungen
maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer
√
gezielt porose Deckschicht aus korperkompatiblemPolymer auf der Innenseite einer Kapillare mit einerDicke von deutlich unter 1 µm(Dampfdrucktopfverfahren von Papin)
√
Gerhard Franz – p. 16/18
Losungen
maskenfrei hergestellter dunner Silberfilm ausunterbrochenen Streifen Zebrastreifendesign auf derInnenseite einer Kapillare aus nichtleitendemElastomer
√
gezielt porose Deckschicht aus korperkompatiblemPolymer auf der Innenseite einer Kapillare mit einerDicke von deutlich unter 1 µm(Dampfdrucktopfverfahren von Papin)
√
gleichmaßig longitudinale Deckschicht auf derInnenseite einer Kapillare (Temperaturwippe)
√
Gerhard Franz – p. 16/18
Organisation
Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein
Gerhard Franz – p. 17/18
Organisation
Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein
Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen
Gerhard Franz – p. 17/18
Organisation
Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein
Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen
Analytik-Know How: Hochschule Munchen
Gerhard Franz – p. 17/18
Organisation
Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein
Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen
Analytik-Know How: Hochschule Munchen
Geldquellen: BMBF + Freistaat Bayern + BMWi ⇒3 kooperative Promotionen
Gerhard Franz – p. 17/18
Organisation
Medizinisches Know How: Univ.-KlinikumSchleswig-Holstein
Oberflachenveredelungs-Know How mit Nanotechnikaus der wassrigen Phase und aus dem Plasma:Hochschule Munchen
Analytik-Know How: Hochschule Munchen
Geldquellen: BMBF + Freistaat Bayern + BMWi ⇒3 kooperative Promotionen
Umsetzung + Finanzierung der vorklinischen Studie:unser Lizenznehmer, die Fa. Urokink inHalberstadt/Hannover
Gerhard Franz – p. 17/18
Danke fur das Interesse an unserer Arbeit!
Gerhard Franz – p. 18/18
und
Gerhard Franz – p. 18/18
Ihr Urteil
Gerhard Franz – p. 18/18
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