WO2007137556A1 - Sterilisationsverfahren - Google Patents

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WO2007137556A1
WO2007137556A1 PCT/DE2007/000931 DE2007000931W WO2007137556A1 WO 2007137556 A1 WO2007137556 A1 WO 2007137556A1 DE 2007000931 W DE2007000931 W DE 2007000931W WO 2007137556 A1 WO2007137556 A1 WO 2007137556A1
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WO
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plasma
mhz
sterilization
frequency
gas
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/000931
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Awakowicz
Original Assignee
Koldsteril Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Koldsteril Ag filed Critical Koldsteril Ag
Publication of WO2007137556A1 publication Critical patent/WO2007137556A1/de

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/14—Plasma, i.e. ionised gases

Definitions

  • the invention relates to a sterilization method according to the features in the preamble of patent claim 1.
  • Sterilization refers to the deactivation of viable organisms and pathogens by more than six decades. Deactivation means that the germs are no longer capable of replication. Furthermore, biomolecules that cause the immune system to inflammatory immune reactions must be destroyed. These include, for example, pyrogens, that is to say particles or molecules which consist of dead cells or cell fragments of bacteria and are feverish when they enter the bloodstream. These must also be deactivated or depyrogenated in this case, ie their fever-producing effect must be prevented by targeted destruction of the molecule by more than three decades.
  • the depyrogenation is in practice usually carried out by treatment with dry heat at about 300 0 C. Since this temperature and the residence time are also suitable for sterilization, the sterilization and depyrogenation is often carried out in a single operation.
  • Conventional sterilization methods include autoclaving, ie the application of moist heat, gamma irradiation and irradiation with other ionizing radiation. Furthermore, the gas sterilization with Ethylene oxide (ETO) and hydrogen peroxide sterilization. Processes that are carried out under elevated temperatures are not suitable for thermo-labile materials. Even ceramics and metals can be severely affected by autoclaving. The application of a moist heat is not suitable for depyrogenation anyway.
  • ETO Ethylene oxide
  • Ethylene oxide is a highly toxic gas that can be used for the sterilization of thermolabile materials, but the great disadvantage is based on the relatively long Ausgasungs founded the objects to be sterilized, the Ausgasungs committee can be many times higher than the actual treatment time. Due to the toxicity the handling of ETO is critical. Depyrogenation can not be achieved with ETO.
  • Hydrogen peroxide sterilization also has many disadvantages, most notably in that hydrogen peroxide is a liquid at room temperature.
  • the known methods are based on evaporation of the hydrogen peroxide, although condensation in the region of the objects to be sterilized must be avoided in order to completely remove the vapor phase.
  • the removal of hydrogen peroxide succeeds only poorly when larger amounts of liquid have accumulated.
  • the evaporation is uneven in this case and takes a long time. Also hydrogen peroxide taken alone is not suitable for depyrogenation.
  • ionizing radiation requires a great apparatus and safety effort.
  • ionizing radiation can possibly damage the material of the sterilizing objects. Even by means of ionizing radiation, no depyrogenation can be carried out per se.
  • the known plasma sterilization methods do not have these disadvantages or only to a small extent.
  • the sterilizing effect of a plasma is based inter alia on a destruction of the germs and biomolecules by UV and VUV light destroying the DNA.
  • VUV is meant so-called vacuum UV radiation whose wavelengths are below 200 nm.
  • radicals are generated in the plasma, which chemically attack the germs or biomolecules.
  • the germs or biomolecules undergo ion bombardment, which likewise has a destructive effect.
  • the gas temperature of the plasma can be reduced so that heat-sensitive objects can be treated, such as plastic-containing medical implants.
  • DE 102 11 976 A1 discloses in this context a method and a device at least for the sterilization of containers and / or their closure elements.
  • the output signal of an electromagnetic oscillator is modulated to produce a plasma in a conventional manner in the sign and in amplitude, wherein the modulation frequency in the range of a few hertz to several hundred megahertz and in the case of the microwave to typically 2.45 GHz range, but preferably between 50 kHz and 27 MHz is.
  • vibrations in the radio frequency range of 13.56 MHz and 27.12 MHz are suitable because they are internationally approved frequencies.
  • the plasmas used hitherto are only conditionally suitable for the treatment or sterilization of complex structures, since the penetration of the plasmas into narrow gaps and lumens is not very good. Furthermore, it can be seen that in the case of the so-called capacitively coupled plasmas, the coling mobility is high, but the intensity of the action mechanisms is poor, since their plasma density is low. In the case of inductively coupled plasmas as well as microwave plasmas, on the other hand, the plasma density is high, but the colloidal mobility is low. The same applies to the DC plasmas.
  • the present invention seeks to provide a method for plasma sterilization, with which the sterilization efficiency, especially in complex structures, is significantly increased and with which the Spaltjankeit is improved
  • the plasma can ignite from the outside into lumens, which are formed of dielectric materials. This therefore applies to all plastic materials or ceramic materials that can be penetrated by an electromagnetic wave and within which therefore can ignite the plasma in enclosed lumen. Especially with thin long plastic tubing, this property is of great importance because the plasma can not penetrate into the tubing from the open ends due to the length of the tubing.
  • the core of the invention can be seen in the capacitive coupling of an electric field in combination with a specific high-frequency range, called VHF range.
  • VHF range a specific high-frequency range
  • a collision of fast electrons ie those with high kinetic energy absorbed from the electric field, takes place with an atom or molecule.
  • This electron impact ionization can be generated by a sufficiently strong alternating electromagnetic field, which is applied in the case of capacitive coupling between two electrodes or capacitor plates. Due to the said ionization processes, a plasma is formed between the electrodes in which all charged particles oscillate with the frequency of the alternating field, unless the oscillation frequency is too high.
  • the electrodes are within a vacuum chamber connected to a high frequency electromagnetic radiation generator.
  • the chamber is typically in a vacuum range from a few pascals to a few hundred pascals. In order to maintain this low pressure at constant gas flow, is at the Pumped chamber while the fresh gas required in the process admitted.
  • An alternating current flows through the electrodes since the electrodes are in direct contact with the electrically conductive plasma.
  • the current within a plasma is mainly carried by the faster, that is, more mobile electrons.
  • a so-called boundary layer builds up in each plasma, which encloses the electrons as far as possible and forms a potential well.
  • the ions are thereby transported outwards, so that from their point of view forms a potential mountain.
  • the surface layer is dependent on the plasma parameters and very small compared to the dimensions of the plasma. In the case of a capacitively coupled alternating electric field, this potential well is particularly large in comparison with the smaller electrode driven with high frequency. Thus, the potential drop in the so-called boundary layer is very high and is for example many hundreds of volts. In most other plasmas, the potential drop in the surface layer is seldom more than twenty volts. This property of the surface layer leads to a strong alternating electric field in these plasmas with capacitive electromagnetic excitation of the plasmas. In capacitive electromagnetic excitation therefore relatively high electric field strengths are generated within the plasma, which are useful, for example, to ignite a plasma within a plastic tube to be sterilized, since the electrical Field penetrates dielectric materials almost unhindered. This makes it clear that capacitively excited high-frequency plasmas are better suited, due to the pronounced dipole character of the boundary layer, to ignite a plasma in closed lumens or narrow gaps than is possible with other types of excitation.
  • the frequency was kept constant at 13.56 MHz or, in some cases, at double, that is at 27.12 MHz.
  • the desired during sterilization Spaltjankeit can not be achieved at very low and very high frequencies, but optimally in a frequency range of 40 MHz to 150 MHz, in particular in a range of 60 MHz to 120 MHz.
  • the plasma is heated more effectively, that is, the electron density is greater than in classical plasmas excited at 13.56 MHz and 27.12 MHz, respectively.
  • the modulation of the field strength is significantly higher than in the case of inductive electromagnetic excitation or the microwave excitation.
  • the increase in frequency continuously leads to an improvement in the colortability and the plasma density. From 40 MHz, this effect is sufficiently pronounced for the plasma sterilization, with a particularly favorable frequency range between 60 MHz and 100 MHz.
  • the upper limit of the frequency range is limited, since standing at high frequencies, especially in larger machines standing waves, which may result in uneven treatment of the objects to be sterilized.
  • the frequencies become very high (eg in the case of the microwave: 2.45 GHz)
  • even the fast electrons can not follow and the dipole character of the capacitive heating is lost.
  • the very high frequencies therefore do not lead to the desired plasma properties.
  • a frequency of about 70 MHz can now be built up as a cantilever with simple transistor circuits, ie not with tubes and in particular without a Matching network (Matchbox), which makes a commercial construction smaller and much cheaper.
  • a measure of ignitability of plasmas in narrow lumens is the electric field strength. This is much greater in the case of capacitive coupling of the electromagnetic field than in the case of inductive coupling.
  • the thickness of the surface layer decreases very much when the plasmas are operated in the said frequency range, resulting in improved penetration into externally accessible narrow gaps and lumens.
  • the frequency range from 40 MHz to 150 MHz for sterilization has not been further investigated, since the frequency range is outside the permitted frequencies.
  • the properties of these relatively new plasmas are little known.
  • their unwanted Spaltjankeit falls on what devices with close-meshed, especially in the field of viewing windows made necessary to avoid direct contact with the plasma.
  • the ability to penetrate capacitively excited plasma at a frequency of 40 MHz to 150 MHz into narrow lumens, long thin tubes, and covered areas, and to be able to ignite plasma in externally sealed lumens is of paramount importance in sterilization.
  • the inventive method is characterized in that the dipole character of the capacitive coupling leads to a high electric field strength within the plasma and the high frequencies lead to a high plasma density with high efficiency.
  • the high frequency of the capacitively excited plasma produces high plasma densities, which in turn result in high light intensity, a high radical flux density and a high ion flux density.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for medical and pharmaceutical purposes, such as sterilizing and depyrogenating implants and bone substitutes, medical devices such as cutlery, endoscopes, catheters, but also pharmaceutical containers such as vials, syringes or bottles.
  • the claimed plasma sterilization process has additional positive accompanying effects.
  • UHMWPE ultra-high molecular weight polyethylene
  • a targeted surface modification of the material can be achieved, whereby the abrasion behavior of the surface can be purposefully reduced.
  • the thickness of the modified layer is controlled by the contact time and the entire operating state of the plasma. It is also advantageous that the elasticity of the internal material is not influenced by the surface modification.
  • the growth behavior of medical implants that are used in the human body significantly improved because the surface can be adjusted or modified so that the human cells grow on this preferred.
  • the objects to be sterilized are accommodated in an evacuable sterilization chamber, which can be connected to a supply line for gas to be ionized.
  • a generator or a transmitting device is provided for coupling a high-frequency alternating electromagnetic field in a range from 40 MHz to 150 MHz.
  • the electromagnetic alternating field is capacitively coupled into the plasma in the sterilization chamber via two electrodes or antennas.
  • the generator can be designed as a cantilever to save the matching network (matchbox) of a typical high-frequency supply.
  • the figure shows a simplified representation of a device for carrying out the claimed sterilization process.
  • the device 1 comprises a sterilization chamber 2 into which a reaction gas is introduced via a gas inlet 3. At the same gas is pumped through a gas outlet 4 via a pump, not shown, so that a total negative pressure in the sterilization chamber 2 prevails.
  • a gas inlet 3 At the same gas is pumped through a gas outlet 4 via a pump, not shown, so that a total negative pressure in the sterilization chamber 2 prevails.
  • two electrodes 5, 6, which are connected to a generator 7 for high-frequency electromagnetic radiation, so that between the electrodes 5, 6 an alternating electromagnetic field 8 is formed, which is symbolized by the marked field lines.
  • the alternating electric field oscillates at a frequency in a range of 40 MHz to 150 MHz and leads to electron impact ionization of the gas in the sterilization chamber 2, so that a plasma 9 is formed between the electrodes 5, 6.
  • the article 10 is, for example, an elongate, slender body with a lumen, which article is to be sterilized not only externally but also internally.
  • a high electric field strength in the capacitively coupled electromagnetic field leads to a high ignitability of the plasma, so that the plasma state also exists within the object 10.
  • the high plasma density resulting from the frequency of 40 MHz to 150 MHz sets in addition to a high light intensity mechanisms that lead to an accelerated and thorough sterilization of the object.

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Abstract

Sterilisationsverfahren, bei welchem zu sterilisierende Gegenstände (10) in einer Sterilisationskammer (2) angeordnet und über einen zum Sterilisieren ausreichenden Zeitraum einem Niederdruckplasma (9) ausgesetzt werden, und wobei mittels eines Generators (7) ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Bereich von 40 MHz bis 150 MHz zwischen zwei Elektroden (5, 6) generiert wird, um ein in der Sterilisationskammer befindliches Gas durch kapazitive Einkopplung eines elektrischen Feldes in den Plasmazustand zu versetzen.

Description

Sterilisationsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Sterilisationsverfahren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter dem Begriff Sterilisation ist das Deaktivieren vermehrungsfähiger Organismen und Krankheitserreger um mehr als sechs Dekaden zu verstehen. Unter Deaktivieren versteht man, dass die Keime nicht mehr vermehrungsfähig sind. Weiterhin müssen Biomoleküle, die das Immunsystem zu entzündlichen Immunreaktionen veranlassen, zerstört werden. Zu diesen sind beispielsweise Pyrogene zu zählen, das heißt Partikel bzw. Moleküle, die aus abgestorbenen Zellen oder Zellfragmenten von Bakterien bestehen und Fieber erregend sind, wenn sie in die Blutbahn gelangen. Diese müssen ebenfalls deaktiviert bzw. in diesem Falle depyrogenisiert werden, d.h. deren Fieber erzeugende Wirkung muss durch gezielte Zerstörung des Moleküls um mehr als drei Dekaden unterbunden werden. Das Depyrogenisieren findet in der Praxis üblicherweise durch eine Behandlung bei trockener Hitze bei etwa 3000C statt. Da diese Temperatur sowie die Verweildauer auch für das Sterilisieren geeignet sind, wird das Sterilisieren und das Depyrogenisieren häufig in einem gemeinsamen Arbeitsgang durchgeführt.
Konventionelle Sterilisierungsverfahren sind die Autoklavierung, das heißt die Anwendung feuchter Hitze, die Gamma-Bestrahlung sowie die Bestrahlung mit anderen ionisierenden Strahlen. Weiterhin ist noch die Gassterilisation mit Ethylenoxid (ETO) und die Wasserstoffperoxydsterilisation zu nennen. Verfahren, die unter erhöhten Temperaturen durchgeführt werden, sind für thermo- labile Materialien nicht geeignet. Selbst Keramiken und Metalle können durch das Autoklavieren stark beeinträchtigt werden. Die Anwendung einer feuchten Hitze ist zur Depyrogenisierung ohnehin nicht geeignet.
Ethylenoxid (ETO) ist ein hochtoxisches Gas, das zwar zur Sterilisation thermolabiler Materialien eingesetzt werden kann, der große Nachteil beruht allerdings auf den relativ langen Ausgasungszeiten der zu sterilisierenden Gegenstände, wobei die Ausgasungszeiten um ein Vielfaches höher liegen können als die eigentliche Behandlungszeit. Aufgrund der Toxizität ist der Umgang mit ETO kritisch. Eine Depyrogenisierung kann mit ETO nicht erzielt werden.
Die Wasserstoffperoxydsterilisation hat ebenfalls viele Nachteile, die in erster Linie darin zu sehen sind, dass es sich bei Wasserstoffperoxyd bei Raumtemperatur um eine Flüssigkeit handelt. Die bekannten Verfahren basieren auf einer Verdampfung des Wasserstoffperoxyds, wobei allerdings eine Kondensation im Bereich der zu sterilisierenden Gegenstände vermieden werden muss, um die Dampfphase vollständig abziehen zu können. Die Entfernung des Wasserstoffperoxyds gelingt nur schlecht, wenn sich größere Flüssigkeitsmengen angesammelt haben. Die Verdampfung ist in diesem Fall ungleichmäßig und dauert lange. Auch Wasserstoffperoxyd für sich genommen ist für eine Depyrogenisierung nicht geeignet.
Die Behandlung mit ionisierender Strahlung setzt einen großen apparativen und sicherheitstechnischen Aufwand voraus. Zum anderen kann ionisierende Strahlung das Material der sterilisierenden Gegenstände gegebenenfalls beschädigen. Auch mittels ionisierender Strahlung kann für sich genommen keine Depyrogenisierung durchgeführt werden.
Die bekannten Plasmasterilisationsverfahren weisen diese Nachteile nicht oder nur in geringem Maße auf. Die sterilisierende Wirkung eines Plasmas beruht unter anderem auf einer Zerstörung der Keime und Biomoleküle durch UV- und VUV-Licht, welches die DNA zerstört. Mit VUV ist sogenannte Vakuum-UV- Strahlung gemeint, deren Wellenlängen unterhalb von 200 nm liegen. Ferner werden im Plasma Radikale erzeugt, welche die Keime bzw. Biomoleküle chemisch angreifen. Weiterhin erfahren die Keime bzw. Biomoleküle einen lonenbeschuss, der ebenfalls zerstörende Wirkung aufweist. Mit zunehmendem Unterdruck lässt sich die Gastemperatur des Plasmas so weit verringern, dass auch hitzeempfindliche Gegenstände behandelt werden können, wie beispielsweise Kunststoff enthaltende medizinische Implantate.
Die DE 102 11 976 A1 offenbart in diesem Zusammenhang ein Verfahren und eine Vorrichtung zumindest zur Sterilisation von Behältnissen und/oder deren Verschließelementen. Das Ausgangssignal eines elektromagnetischen Schwingungserzeugers (Generators) wird zur Erzeugung eines Plasmas in an sich bekannter Weise im Vorzeichen und in der Amplitude moduliert, wobei die Modulationsfrequenz im Bereich von wenigen Hertz bis mehreren hundert Megahertz und im Falle der Mikrowelle auch bis typischerweise 2,45 GHz reichen kann, bevorzugt aber zwischen 50 kHz und 27 MHz liegt. Speziell sind im Bereich der Hochfrequenzplasmen Schwingungen im Radiofrequenzbereich von 13,56 MHz und 27,12 MHz geeignet, da es sich um international zugelassene Frequenzen handelt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bisher verwendeten Plasmen nur bedingt zur Behandlung bzw. Sterilisation komplexer Strukturen geeignet sind, da das Eindringvermögen der Plasmen in enge Spalten und Lumen nicht sehr gut ist. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle der sog. kapazitiv gekoppelten Plasmen die Spaltengängigkeit zwar hoch, die Intensität der Wirkmechanismen jedoch schlecht ist, da deren Plasmadichte gering ist. Im Falle der induktiv gekoppelten Plasmen wie auch der Mikrowellenplasmen dagegen ist zwar die Plasmadichte hoch, die Spaltengängigkeit jedoch gering. Gleiches gilt für die Gleichstromplasmen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plasmasterilisation aufzuzeigen, mit welchem die Sterilisationseffizienz, insbesondere bei komplexen Strukturen, erheblich gesteigert wird und mit welchem die Spaltengängigkeit verbessert wird
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch eine möglichst hohe elektrische Feldstärke im Plasma soll erreicht werden, dass das Plasma von außen in Lumen zünden kann, die von dielektrischen Materialien gebildet werden. Dies gilt also für alle Kunststoffmaterialien oder keramischen Materialien, die von einer elektromagnetischen Welle durchdrungen werden können und innerhalb derer also das Plasma in eingeschlossenen Lumen zünden kann. Insbesondere bei dünnen langen Kunststoffschläuchen ist diese Eigenschaft von großer Wichtigkeit, da das Plasma aufgrund der Länge der Schläuche nicht von den offenen Enden her in die Schläuche eindringen kann.
Der Kern der Erfindung ist in der kapazitiven Einkopplung eines elektrischen Feldes in Kombination mit einem bestimmten Hochfrequenzbereich, VHF- Bereich genannt, zu sehen. Bei der Einkopplung eines elektromagnetischen Feldes erfolgt eine Kollision von schnellen Elektronen, also solchen mit aus dem elektrischen Feld aufgenommener hoher kinetischer Energie mit einem Atom oder Molekül. Diese Elektronenstoßionisation kann durch ein ausreichend starkes elektromagnetisches Wechselfeld generiert werden, das im Falle der kapazitiven Einkopplung zwischen zwei Elektroden bzw. Kondensatorplatten angelegt wird. Zwischen den Elektroden bildet sich aufgrund der genannten lonisationsprozesse ein Plasma aus, in welchem alle geladenen Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes oszillieren, es sei denn, die Oszillationsfrequenz ist zu hoch.
Üblicherweise befinden sich die Elektroden innerhalb einer Vakuumkammer, die mit einem Generator für hochfrequente elektromagnetische Strahlung verbunden ist. Die Kammer befindet sich typischerweise in einem Unterdruckbereich von einigen Pascal bis hin zu einigen hundert Pascal. Um diesen Niederdruck bei konstantem Gasfluss aufrechtzuerhalten, wird an der Kammer gepumpt und gleichzeitig das im Prozess benötigte Frischgas eingelassen.
Wird beispielsweise bei konstantem Gasfluss und konstantem Druck der Hochfrequenzgenerator eingeschaltet, wird ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden erzeugt, das dazu führt, dass das in der Reaktionskammer befindliche Gas in den Plasmazustand versetzt wird. Damit existieren nun in der Sterilisationskammer negativ geladene Elektronen (e-), positive Ionen (z.B. Ar+) sowie eine Fülle verschiedener Neutralteilchen (Moleküle, Atome und Radikale). Radikale sind Molekülbruchstücke, die durch Dissoziation im Plasma erzeugt werden.
Über die Elektroden fließt ein Wechselstrom, da die Elektroden in direktem Kontakt mit dem elektrisch leitenden Plasma stehen. Der Strom innerhalb eines Plasmas wird hauptsächlich von den schnelleren, das heißt beweglicheren Elektronen getragen. Um zu verhindern, dass im Falle einer positiven Halbwelle auf einer Elektrode alle Elektronen aus dem Plasma gesaugt werden, baut sich in jedem Plasma eine sogenannte Randschicht auf, welche die Elektronen wei- testgehend einschließt und einen Potentialtopf bildet. Die Ionen werden dabei nach außen befördert, so dass sich aus deren Sicht ein Potentialberg bildet.
Die Randschicht ist von den Plasmaparametern abhängig und sehr klein gegenüber den Abmessungen des Plasmas. Im Falle eines kapazitiv eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes ist dieser Potentialtopf gegenüber der mit Hochfrequenz getriebenen kleineren Elektrode besonders groß. Damit ist der Potentialabfall in der sogenannten Randschicht sehr hoch und beträgt z.B. viele hundert Volt. In den meisten anderen Plasmen beträgt der Potentialabfall in der Randschicht selten mehr als zwanzig Volt. Diese Eigenschaft der Randschicht führt bei kapazitiver elektromagnetischer Anregung der Plasmen zu einem starken elektrischen Wechselfeld in diesen Plasmen. Bei kapazitiver elektromagnetischer Anregung werden daher auch innerhalb des Plasmas relativ hohe elektrische Feldstärken erzeugt, die nützlich sind, um z.B. innerhalb eines zu sterilisierenden Kunststoffschlauchs ein Plasma zu zünden, da das elektrische Feld dielektrische Werkstoffe nahezu ungehindert durchdringt. Damit wird deutlich, dass kapazitiv angeregte Hochfrequenzplasmen aufgrund des ausgeprägten Dipolcharakters der Randschicht besser geeignet sind, in abgeschlossenen Lumen oder engen Spalten ein Plasma zu zünden, als das mit anderen Anregungsarten möglich ist.
Bislang konnte nicht exakt beantwortet werden, welchen Einfluss die Frequenz auf derartige Plasmen hat. In der Regel hielt man die Frequenz konstant bei 13,56 MHz bzw. in einigen Fällen auch beim Doppelten, das heißt bei 27,12 MHz. Es hat sich jedoch in Versuchen herausgestellt, dass die bei der Sterilisation gewünschte Spaltengängigkeit nicht bei sehr niedrigen und bei sehr hohen Frequenzen zu erreichen ist, sondern sich in optimaler Weise in einem Frequenzbereich von 40 MHz bis 150 MHz, insbesondere in einem Bereich von 60 MHz bis 120 MHz einstellt. In diesem Frequenzbereich wird das Plasma effektiver geheizt, das heißt die Elektronendichte ist größer als bei klassischen Plasmen, die mit 13,56 MHz bzw. 27,12 MHz angeregt werden. Dennoch ist die Modulation der Feldstärke deutlich höher als im Falle induktiver elektromagnetischer Anregung oder auch der Mikrowellenanregung.
Grundsätzlich führt die Frequenzerhöhung kontinuierlich zu einer Verbesserung der Spaltengängigkeit und der Plasmadichte. Ab 40 MHz ist dieser Effekt für die Plasmasterilisation hinreichend deutlich ausgeprägt, wobei ein besonders günstiger Frequenzbereich zwischen 60 MHz und 100 MHz liegt. Aus technischen Gründen ist die obere Grenze des Frequenzbereichs eingeschränkt, da man bei hohen Frequenzen insbesondere in größeren Maschinen stehende Wellen erhält, die eine ungleichmäßige Behandlung der zu sterilisierenden Gegenstände zur Folge haben können. Wenn die Frequenzen sehr hoch werden (z.B. im Falle der Mikrowelle: 2,45 GHz), dann können auch die schnellen Elektronen nicht mehr folgen und der Dipolcharakter der kapazitiven Heizung geht verloren. Die ganz hohen Frequenzen führen daher nicht zu den gewünschten Plasmaeigenschaften. Weiterhin lässt sich eine Frequenz um ca. 70 MHz mittlerweile mit einfachen Transistorschaltungen als Freischwinger aufbauen, d.h. nicht mit Röhren und insbesondere ohne ein Anpassnetzwerk (Matchbox), was einen kommerziellen Aufbau kleiner und wesentlich billiger macht.
Ein Maß für Zündwilligkeit von Plasmen in engen Lumen ist die elektrische Feldstärke. Diese ist im Falle der kapazitiven Einkopplung des elektromagnetischen Felds sehr viel größer als im Falle der induktiven Einkopplung.
Gleichzeitig zeigte sich auch, dass die Dicke der Randschicht sehr stark abnimmt, wenn man die Plasmen in dem besagten Frequenzbereich betreibt, was zu einem verbesserten Eindringverhalten in von außen zugängliche enge Spalten und Lumen führte. Bislang hat man in der praktischen Anwendung den Frequenzbereich von 40 MHz bis 150 MHz zur Sterilisation nicht weiter untersucht, da der Frequenzbereich außerhalb der zugelassenen Frequenzen liegt. Weiterhin sind bis heute die Eigenschaften dieser relativ neuen Plasmen wenig bekannt. Im Falle der Anwendung von Plasmen zum Ätzen in der Mikroelektronik fällt jedoch deren unerwünschte Spaltengängigkeit auf, was Vorrichtungen mit engmaschigen Netzen, insbesondere im Bereich von Sichtfenstern notwendig machte, um den unmittelbaren Kontakt mit dem Plasma zu vermeiden.
Die Fähigkeit, die mit einer Frequenz von 40 MHz bis 150 MHz kapazitiv angeregten Plasmen in enge Lumen, lange dünne Schläuche und abgedeckte Bereiche einzudringen und in von außen abgeschlossene Lumen ein Plasma zünden zu können, ist bei der Sterilisation allerdings von größter Bedeutung. Die Tatsache, dass das Eindring- und Zündverhalten von klassischen, kapazitiv angeregten Plasmen und auch das von induktiv angeregten Plasmen nicht optimal ist, ist teilweise dafür verantwortlich, dass die Plasmasterilisation in der Praxis bisher nicht den gewünschten Erfolg gehabt hat. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dipolcharakter der kapazitiven Einkopplung zu einer hohen elektrischen Feldstärke innerhalb des Plasmas führt und die hohen Frequenzen zu einer hohen Plasmadichte mit hoher Wirksamkeit führen. Dadurch ist es möglich, die Plasmasterilisation und die Depyrogenisierung nicht nur bei oberflächlich glatten Substraten anzuwenden, sondern auch aufgrund der bekannten Mechanismen, das heißt der UV- Strahlung, der Radikalenbildung, des lonenbeschusses bei geometrisch komplexen Strukturen, um Keime in geschlossenen Lumen sowie engen Spalten aufgrund sehr guter Spaltengängigkeit abzutöten. Eine zuverlässige Sterilisation ist dabei nur dann möglich, wenn eine hohe Plasmadichte erreicht wird, um entsprechend viel Strahlung, Ionen und Radikale zu produzieren. Eine entsprechende Plasmadichte bzw. Strahlungsmenge wird bei induktiv elektromagnetisch angeregten Plasmen und auch bei kapazitiv elektromagnetisch angeregten Plasmen mit einer Wechselfeldfrequenz von 40 MHz bis 150 MHz erreicht, nicht hingegen bei kapazitiv angeregten Plasmen mit einem Wechselfeld mit einer Frequenz von 27,12 MHz bzw. 13,56 MHz. Die hohe Frequenz des kapazitiv angeregten Plasmas erzeugt hohe Plasmadichten, die ihrerseits eine hohe Lichtintensität, eine große Radi- kalenflussdichte sowie eine hohe lonenflussdichte zur Folge haben. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft für medizinische und pharmazeutische Zwecke, wie dem Sterilisieren und Depyrogen isie- ren von Implantaten und Knochenersatzstoffen, von medizinischen Geräten, wie Bestecken, Endoskopen, Kathetern, aber auch von pharmazeutischen Behältern wie Vials, Spritzen oder Flaschen.
Neben relativ kurzen Sterilisationszeiten, die je nach Material und Geometrie der Gegenstände zwischen einigen Sekunden bis zu etwa zwanzig Minuten liegen können, ergeben sich bei dem beanspruchten Plasmasterilisationsverfahren zusätzliche positive Begleiteffekte. Im Falle von ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHMWPE), das z.B. für die Knie- und Hüftprothetik verwendet wird, kann eine gezielte Oberflächenmodifikation des Werkstoffs erreicht werden, wodurch das Abriebverhalten der Oberfläche gezielt reduziert werden kann. Die Stärke der modifizierten Schicht ist dabei durch die Einwirkzeit und den gesamten Betriebszustand des Plasmas steuerbar. Vorteilhaft ist auch, dass die Elastizität des innen liegenden Materials durch die Oberflächenmodifikation nicht beeinflusst wird. Weiterhin wird das Anwachsverhalten von medizinischen Implantaten, die in den menschlichen Körper eingesetzt werden, deutlich verbessert, da die Oberfläche so eingestellt bzw. modifiziert werden kann, dass die menschlichen Zellen an dieser bevorzugt festwachsen.
Mit der Erfindung kann die Effizienz bei der Sterilisation insbesondere komplexer Strukturen erheblich gesteigert werden. Alle Vorteile der direkten Plasmasterilisation gegenüber konventionellen Verfahren bleiben erhalten. Diese Vorteile kommen für alle Anwender in Frage, die Sterilisation und/oder Depyrogenisierung benötigen, das heißt Kliniken, Arztpraxen, Pharmazeuten, Biotechnologen, industrielle Sterilisationseinrichtungen, aseptische Lebensmittelabfüller usw.
In der praktischen Umsetzung sind die zu sterilisierenden Gegenstände in einer evakuierbaren Sterilisationskammer aufgenommen, die mit einer Zuleitung für zu ionisierendes Gas verbindbar ist. Ferner ist ein Generator bzw. eine Sendeeinrichtung zur Einkopplung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds in einem Bereich von 40 MHz bis 150 MHz vorgesehen. Das elektromagnetische Wechselfeld wird über zwei Elektroden bzw. Antennen kapazitiv in das Plasma in der Sterilisationskammer eingekoppelt. Der Generator kann als Freischwinger ausgebildet sein, um das Anpassnetzwerk (Matchbox) einer typischen Hochfrequenzversorgung einzusparen.
Die praktische Umsetzung des Verfahrens wird nachfolgend anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des beanspruchten Sterilisationsverfahrens. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Sterilisationskammer 2, in welche über einen Gaseinlass 3 ein Reaktionsgas eingeleitet wird. Gleichzeitig wird über eine nicht näher dargestellte Pumpe Gas über einen Gasauslass 4 abgepumpt, so dass insgesamt ein Unterdruck in der Sterilisationskammer 2 herrscht. In der Sterilisationskammer befinden sich zwei Elektroden 5, 6, die mit einem Generator 7 für hochfrequente elektromagnetische Strahlung verbunden sind, so dass sich zwischen den Elektroden 5, 6 ein elektromagnetisches Wechselfeld 8 ausbildet, das durch die eingezeichneten Feldlinien symbolisiert ist. Das elektrische Wechselfeld schwingt mit einer Frequenz in einem Bereich von 40 MHz bis 150 MHz und führt zu einer Elektronenstoßionisation des Gases in der Sterilisationskammer 2, so dass sich ein Plasma 9 zwischen den Elektroden 5, 6 ausbildet. Im Bereich des Plasmas 9 befindet sich ein Gegenstand 10, der unter dem Einfluss des Niederdruckplasmas 9 sterilisiert wird. Bei dem Gegenstand 10 handelt es sich z.B. um einen langgestreckten schlanken Körper mit einem Lumen, wobei der Gegenstand nicht nur von außen, sondern auch von innen sterilisiert werden soll. Eine hohe elektrische Feldstärke in dem kapazitiv eingekoppelten elektromagnetischen Feld führt zu einer hohen Zündfähigkeit des Plasmas, so dass der Plasmazustand auch innerhalb des Gegenstands 10 besteht. Die aus der Frequenz von 40 MHz bis 150 MHz resultierende hohe Plasmadichte setzt neben einer hohen Lichtintensität Mechanismen in Gang, die zu einer beschleunigten und gründlichen Sterilisation des Gegenstands führen.
Bezugszeichenaufstellung
1 - Vorrichtung
2 - Sterilisationskammer
3 - Gaseinlass
4 - Gasauslass
5 - Elektrode
6 - Elektrode
7 - Generator
8 - elektrisches Feld
9 - Plasma 10 - Gegenstand

Claims

Patentansprüche
1. Sterilisationsverfahren, bei welchem zu sterilisierende Gegenstände (10) in einer Sterilisationskammer (2) angeordnet und über einen zum Sterilisieren ausreichenden Zeitraum einem Niederdruckplasma (9) ausgesetzt werden, und wobei mittels eines Generators (7) ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Bereich von 40 MHz bis 150 MHz zwischen zwei Elektroden (5, 6) generiert wird, um ein in der Sterilisationskammer (2) befindliches Gas durch kapazitive Einkopplung eines elektrischen Feldes in den Plasmazustand zu versetzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Bereich von 60 MHz bis 120 MHz generiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu sterilisierenden Gegenstände unter Einwirkung des durch kapazitive Einkopplung erzeugten Plasmas depyrogenisiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasmaanregung ein Freischwinger verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmagas Gase, Gasgemische sowie vor der oder durch die Plasmaanregung verdampfte Flüssigkeiten verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Oberflächenhärtung von ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen angewendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verbesserung des Anwachsverhalten von Implantaten angewendet wird.
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