Medizinprodukte

Material-Identifizierung in der Medizintechnik

Aufgabenstellung

Die Charakterisierung von Medizinprodukten oder der zugrunde liegenden Ausgangsmaterialien erfordert häufig den Einsatz eines breiten Spektrums von analytischen und physikalischen Methoden. Damit ist dann ein großer Zeitaufwand verbunden.
Aber vielfach braucht man zuerst eine schnelle Materialinformation, welche erst später mit weiteren Analysen verfeinert wird.

Lösung

Eine vielseitige Methode, um schnell einen Überblick über ein Medizinprodukt zu bekommen, ist die hochauflösende NMR-Spektroskopie.
Sie ist eine Methode zur detaillierten Strukturaufklärung und zur Quantifizierung organischer Substanzen.
Die NMR-Spektroskopie ist anwendbar auf alle Arten organischer Verbindungen einschließlich Polymere.
Gemische können quantifiziert und Verunreinigungen aufgespürt werden.

Branchen & Anwendungsbereiche

Medizintechnik – Identifizierung von Materialien und Verunreinigungen in komplexen Produktstrukturen.

Analyseziele

Schnelle Materialübersicht bei komplexer Matrix zur gezielten Auswahl weiterer Prüfverfahren.

Materialien

Verbundmaterialien, Produktzubereitungen

Analyseverfahren

• ¹H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance; Kernmagnetische Resonanz)

Ergänzende Verfahren

• Extraktion

Ähnliche Fragestellungen

• Reinheitsbestimmungen
• Freigabeanalytik

Beispiel – Wärmepflaster

In einem handelsüblichen Wärmepflaster ist der wirksame Bestandteil Nonivamid bereits nach einfacher Extraktion mit Dichlormethan im Spektrum nachweisbar.
Aus dem Spektrum sind aber auch weitere Informationen zur Trägerflüssigkeit (1,2-Propandiol),
Konservierungsmittel (4-Hydroxybenzoat), Kleber (Acrylat) und Gewebematerial (Polyester) ablesbar.

Beispiel – Wärmesalbe

Im Vergleich dazu ist ein Spektrenausschnitt (nur der Aromatenbereich) vom CDCl₃-Extrakt einer Wärmesalbe gezeigt.
Auch ohne eine vorgeschaltete Aufarbeitung des Salbenmaterials können die aktiven Bestandteile Nicoboxil und Nonivamid
trotz der Anwesenheit der Salbengrundlage identifiziert und überschlägig quantifiziert werden.

Das Mengenverhältnis Nicoboxil zu Nonivamid wird aus diesem Spektrum mit ca. 91:9 ermittelt,
der Beipackzettel der Wärmesalbe gibt 86:14 an.

Medizintechnik

In der Medizintechnik findet ein Zusammenwirken von materialwissenschaftlichen Disziplinen mit der Medizin sowie der Pharmazie statt.
Nur durch diese Verbindung wird die Entwicklung und Anwendung komplexer medizintechnischer Geräte möglich.

Ein Beispiel dafür ist die künstliche Blutwäsche mittels Hämodialyse. Hierbei wird – wie in Abb. 1 gezeigt – das Blut eines Patienten außerhalb seines Körpers durch einen Dialysator geleitet und im Anschluss wieder zugeführt.
Im Dialysator werden Giftstoffe durch kleine Poren aus dem Blut herausgefiltert, während lebenswichtige Bestandteile im Blut verbleiben.
Weitere Komponenten eines Dialysegeräts sind die Blutpumpe, Schlauchsysteme sowie Mess- und Überwachungseinrichtungen. Zusätzlich kann am Dialysegerät ein Medikament zugeführt werden, das als Gerinnungshemmer wirkt.

Die verschiedenen, hier eingesetzten Komponenten müssen hohen materialtechnischen und medizinischen Anforderungen genügen.
Materialseitig wichtige Themen sind beispielsweise die Identitätsprüfung und die Charakterisierung der verwendeten Kunststoffe sowie die Aufklärung materialbedingter Schadensfälle.

Beim Analytik Service Obernburg sind dafür langjährige Expertise und ein breites Methoden-Spektrum zur physikalischen bzw. chemischen Prüfung vorhanden.
Mit problemangepassten mikroskopischen, spektroskopischen, mechanischen oder thermoanalytischen Untersuchungen – ggf. auch in geeigneter Kombination – kann schnell und preisgünstig eine Klärung der jeweiligen Fragestellung erfolgen.
Im Folgenden werden drei typische Beispiele vorgestellt.

Branchen & Anwendungsbereiche

Medizintechnik – Analyse von Geräten, Komponenten und Materialien aus der medizinischen Praxis.

Analyseziele

Schadensanalyse und Materialidentifikation von Komponenten und Kunststoffen.

Materialien

Membranen, Schläuche, Injektionsnadeln

Analyseverfahren

• Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX)
• IR-Spektroskopie
• ESCA / XPS

Beispiel – Fehlerhafte Kapillarmembran im Dialysator eines Dialysegeräts

Das Filtrationsverhalten von zugekauften Kapillarmembranen wurde beanstandet.
Aufgrund der kleinen Strukturen der fehlerhaften Hohlfasermembran wurde diese im Querschnitt mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht (Abb. 2).
Man erkennt große Hohlräume in der Membranwand. Die REM-Detailaufnahme weist darauf hin, dass der Hohlraum mit dem Innenkanal (Lumen) der Kapillarmembran verbunden ist (Pfeil in Abb. 2).
Die großen Hohlräume reduzieren die effektiv wirksame Wandfläche der Kapillarmembran auf bis zu ein Drittel des Normalwertes und stellen damit den Grund der beobachteten Funktionsminderung dar.

Beispiel – Identifikationsprüfung von Kunststoffmaterialien

Eine Identifikation der Kunststoffe, die in Gerätebauteilen wie Kunststoffgehäusen, Membranen oder Schlauchsystemen verwendet werden, erfolgt mit Hilfe der Infrarotspektroskopie (FTIR).
Die Signale im FTIR-Spektrum (Abb. 3) lassen sich den eingesetzten Materialien genau zuordnen, was bei der Schadensanalytik oder Reklamations-Bearbeitung sehr entscheidend ist.
Die FTIR-Analysentechnik in ihrer mikroskopischen Variante wird auch zur Identifizierung kleinster (ab 15 µm Größe) organischer Partikel oder Ablagerungen genutzt, z. B. in Schlauchsystemen.

Beispiel – Werkstoffoberflächen in Kontakt mit biologischen Medien

Bei Werkstoffoberflächen (Kanülen, Membranen, Schläuchen etc.), die mit Körpergewebe oder Blut Kontakt haben, wird bevorzugt die oberflächenempfindliche Analysemethode ESCA/XPS (Informationstiefe einige nm) benutzt,
um Kontaminationen, Beschichtungen oder Biokompatibilität zu untersuchen. Ein Anwendungsbeispiel zeigt Abb. 4.

Abb. 1- Prinzip der künstliche Blutwäsche (Hämodialyse)

Abb. 2- REM-Querschnittsaufnahme des Schadensbereichs

Abb. 3: FTIR-Spektrum von Polycarbonat (PC), einem häufig für transparente Gehäuseteile verwendeten Werkstoff

Abb. 4: Spitze einer Hohlkanüle und die mit ESCA gefundenen Elementkonzentrationen in den obersten Nanometern der Kanülen-Außenseite, welche auf eine Silikonschicht hinweisen

Polymercharakterisierung mittels GPC – Qualitätsprüfung für Kunststoffe

Aufgabenstellung

Auch wenn Polymere aus den gleichen Monomeren aufgebaut sind, können sie sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Die Polymerstränge eines Materials weisen unterschiedliche Kettenlängen oder -massen auf. Die daraus resultierende Massenverteilung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des finalen Kunststoffs.
Durch bewusste oder unbewusste Abweichungen in der Herstellungsprozedur können somit unerwünschte Veränderungen eintreten und zu Verarbeitungsschwierigkeiten oder Qualitätsmängeln führen.
Ungeeignete Parameter von Formprozessen können ebenfalls zu thermischem Abbau und somit zur Abnahme der Kettenlängen im Produkt führen.

Lösung

Der Analytik Service Obernburg bietet Polymeranalysen mittels GPC (Gel-Permeationschromatographie) an.
Bei dieser Technik wird eine Probe des Prüf-Guts in einem Lösungsmittel aufgelöst, auf eine Trennsäule gebracht und in Richtung des Detektors gepumpt.
Die Probenmoleküle werden dabei dank eines speziellen Trennmaterials abhängig von ihrer Größe (genauer: ihrem hydrodynamischen Volumen) unterschiedlich stark zurückgehalten und gelangen so zeitversetzt zum Detektor.

Branchen & Anwendungsbereiche

• Chemiebetriebe
• Kunststoffverarbeiter
• Medizintechnik

Analyseziele

• Beurteilung der Produktqualität

Materialien

• Kunststoffe
• Polymere

Analyseverfahren

• Gelpermeationschromatographie (GPC)

Ähnliche Fragestellungen

• Freigabeprüfungen
• Oligomergehalt

Lösung

Mit Hilfe von geeigneten Referenzmaterialien mit bekannter Molekulargröße erhält man schließlich die mittlere Molmasse für die Probe. Diese kann auf unterschiedliche Weise berechnet werden (Mn, Mw, Mz) und liefert so mehrere statistische Größen für die Produktionskontrolle.
Weiterhin wird die Polydispersität D, die die Breite der Molmassenverteilung beschreibt, ermittelt. Durch den Vergleich der genannten Größen an zwei Chargen eines Produkts können gegebenenfalls schnell Abweichungen und Verfahrensfehler festgestellt werden.

Vorteile

Beim Analytik Service Obernburg lassen sich die gängigsten THF-löslichen Polymere analysieren (u. a. PMMA, PS, PC, SAN).
Durch dieses einfache Verfahren erhält man zeitnah aussagekräftige Werte für die Qualitätskontrolle oder für die Produktentwicklung.

Abb. 1: Acrylat-Komponente eines Einbettmittels. U. a. wird die Endhärte durch die mittlere Molmasse des Polymers beeinflusst.

Abb. 2: Schematische Darstellung der Molekültrennung (links) und Beispiel eines Detektorsignals für eine SAN-Probe (rechts)

Abb. 3: GPC-System; links: Ofen, der die Trennsäule(n) beinhaltet; mittig: Autosampler und Detektor; rechts: Pumpe und Lösungsmittelvorrat mit Entgasungseinheit.

Abb. 4: Diagramm der Molmassenverteilung einer SAN-Probe sowie die wichtigsten ermittelten Molmassen und die Polydispersität D.

Röntgenbeugung – Reinheitsanalyse von Knochenersatzstoffen

Aufgabenstellung

Das Mineral Hydroxylapatit – Ca5(OH)(PO4)3 – ist Hauptbestandteil der menschlichen Knochensubstanz und hat sich als Implantat-Material für chirurgische Anwendungen bewährt.
Es existieren Calciumverbindungen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung, jedoch mit abweichender Kristallstruktur und dementsprechend veränderten bzw. unerwünschten Eigenschaften hinsichtlich Biokompatibilität oder Resorptionsrate.

Lösung

Die Röntgenbeugung erlaubt die Identifizierung und den quantitativen Nachweis von Fremdphasen.
Für das gezeigte Beispiel aus Abbildung 1 enthält das Hydroxylapatit Spuren von Calciumoxid (markiert durch Reflexe mit Pfeilen).
Die Methode wird in der Norm ISO 13779-3 beschrieben.
Eine weitere wichtige Eigenschaft, die durch Röntgenbeugung ermittelt werden kann, ist der Kristallinitätsgrad der Probe.
Amorphe Anteile besitzen nachweislich eine höhere Löslichkeit und können im Körper schneller resorbiert werden.
Eine Auswertung der Peakbreite im Beugungsdiagramm erlaubt Aussagen zur Kristallitgröße.
Die Größe und Form der Hydroxylapatit-Kristalle (HA) wird ergänzend mit Hilfe der Elektronenmikroskopie untersucht (siehe Abb. 2).

Branchen & Anwendungsbereiche

• Medizintechnik

Ziele

Produktentwicklung, Qualitätssicherung, Schadensanalyse

Materialien

Kristalline Festkörper, Knochenzemente

Analyseverfahren

• Röntgendiffraktometrie (XRD)
• Weitwinkelstreuung (WAXS)

Ergänzende Verfahren

• Röntgenfluoreszenz (RFA)
• Elektronenmikroskopie

Vorteile

Die Röntgenbeugung erlaubt Aussagen zur Phasenreinheit, der Kristallinität und der Kristallit-Größe. Parameter, die zur Qualitätssicherung nach Norm überprüft werden müssen. Neben dem Anwendungsbeispiel aus der Medizintechnik können mit dieser Technik unter anderem verschiedene Modifikationen des Weißpigments Titandioxid oder verschiedene Calciumsulfate (Gips, Bassanit, Anhydrit, …) unterschieden werden. Für die Analyse von Hydroxylapatit bietet die Analytik Service Obernburg GmbH zusätzlich die Möglichkeit das Ca:P Verhältnis sowie die Schwermetallfreiheit durch Röntgenfluoreszenz (RFA) zu analysieren. Die Methode ICP-OES erlaubt Schwermetallverunreinigungen auch in geringsten Konzentrationen zu analysieren.

Abbildung 1: Beugungsdiagramm einer Pulverprobe als Intensität über dem Beugungswinkel aufgetragen (blaue Linie, oben). Zum Vergleich darunter Reflexpositionen und Intensitäten aus einer Datenbank für Hydroxylapatit (grün) und Calciumoxid (rot).

Abbildung 2: Visualisierung der Nadelstruktur und Größe der Hydroxylapatit-Kristalle mit Transmissionselektronenmikroskopie.

Partikelanalyse – Charakterisierung von Pulvern und Suspensionen

Aufgabenstellung

Die Verarbeitungseigenschaften eines Pulvers oder einer Suspension hängen entscheidend von der Partikelgröße, der Partikelform und der Oberflächenchemie der Teilchen ab. So kann das eine Pulver fein rieseln, während ein anderes zum Verklumpen neigt. Zu große Teilchen können Filter verstopfen, zu kleine Teilchen können eine hohe Staubbildung bei der Weiterverarbeitung hervorrufen. Dieses ist nur eine kleine Auswahl von Fragestellungen, die auf unterschiedliche Partikeleigenschaften zurückzuführen sind.

Lösung

Beim Analytik Service Obernburg werden zur Partikelcharakterisierung verschiedene analytische Verfahren genutzt, auf die nachfolgend näher eingegangen wird.

Branchen & Anwendungsbereiche

• Medizintechnik
• Lackhersteller
• Compoundeure

Analyseziele

• Bestimmung der Partikelgröße
• Bewertung der Partikelform
• Untersuchung der Agglomerationsneigung

Materialien

• Pulver
• Suspensionen

Analyseverfahren

• Laserbeugung
• Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX)

Beispiel – Partikelgrößenverteilung

Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung erfolgt mit Hilfe der Laserbeugung. Messbar sind hiermit Teilchen zwischen 0,1 µm und 2000 µm. Man erhält eine Verteilungskurve, aus der die Teilchengröße ablesbar ist, sowie verschiedene statistische Werte zur Beschreibung der Verteilung (Abb. 1). Diese Werte können direkt zur Validierung des Herstellungsprozesses in der Qualitätssicherung herangezogen werden. Die Prüfung erfolgt an dem in Wasser dispergierten Pulver. Durch Messung ohne und mit Ultraschall kann zwischen Agglomeraten und Primärteilchen unterschieden werden.

Beispiel – Partikelform

Zur Untersuchung der Partikelform stehen verschiedene mikroskopische Messverfahren zur Verfügung – von der Lichtmikroskopie über die Elektronenmikroskopie (REM) bis hin zur Rasterkraftmikroskopie (AFM). Hiermit kann nicht nur die Gestalt der Teilchen, sondern auch deren Oberflächenfeinstruktur charakterisiert werden. Beides ist für die Wechselwirkung zwischen den Teilchen (z. B. Agglomerations-Neigung) entscheidend (Abb. 2). Bei Bedarf kann die Gestalt der Teilchen durch eine nachgeschaltete Computerbildanalyse quantifiziert werden.

Beispiel – Oberflächenchemie

Genauso wie die Partikelgestalt beeinflusst auch die Oberflächenchemie (Feuchte, Fremdsubstanzen wie Öle oder gezielte Oberflächen-Modifizierungen) die Eigenschaften bei der Verarbeitung oder die Verteilung der Partikel im Endprodukt. Hier werden je nach Fragestellung unterschiedliche chemische bzw. spektroskopische Verfahren verwendet, um Veränderungen der Oberflächenchemie nachzuweisen.

Vorteile

Die beschriebenen Verfahren gestatten eine umfangreiche Charakterisierung und Visualisierung von Partikeln in Pulvern oder Suspensionen. Dadurch können im Rahmen der Qualitätssicherung Rohstoffe oder Produkte analysiert werden. Die Verfahren sind auch geeignet, um im Schadensfall die Ursache für Probleme (z. B. bei der Verarbeitung) zu ermitteln. Beim Analytik Service Obernburg steht darüber hinaus ein umfangreiches Know-how zur Analyse von Katalysatoren oder Füllstoffen in Festkörpern zur Verfügung.

Abb. 1: Partikelgrößenverteilung zweier Proben aus unterschiedlichen Produktionschargen.

Abb. 2: Vergleich von Pulvern mit unterschiedlicher Agglomerationsneigung