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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001387-7

Influence of Non-thermal Plasma-based Biological Decontamination Processes on the Surface Properties of Plasma-exposed Polymers

  • The biological decontamination and sterilization is a crucial processing step in producing and reprocessing of medical devices. Since polymer-based materials are increasingly used for the production of medical devices, the application of conventional sterilization processes are restricted to a certain extent. Conventional sterilization techniques on the basis of high temperatures, toxic gases, or ionizing radiation can be detrimental to the functionality and performance of polymeric materials. For this reason, alternative, gentle, and efficient decontamination processes are required. One possible approach is the use of non-thermal physical plasmas. Especially atmospheric pressure plasma is receiving great interest due to the absence of vacuum systems which is highly attractive for the practical applicability. Its mechanisms of action enable the efficient killing and inactivation of micro-organisms which are attributed to the interaction of plasma-generated reactive oxygen and nitrogen species (ROS, RNS) as well as plasma-emitted (V)UV radiation. Owing to the moderate gas temperatures (near or at room temperature) so-called cold plasmas are well-suitable for the treatment of heat-sensitive materials, such as polymers, without affecting their bulk properties. The present work focuses on the investigation of atmospheric pressure plasma processes for the biological decontamination of polymers. The objective is to help elucidate on the one hand the impact of varied plasma process parameters on the inactivation of micro-organisms and on the other hand the influence of plasma on the surface properties of the substrate. The investigations were performed by means of a high-frequency driven plasma jet (from the product line kINPen) operated with argon and argon-oxygen mixtures. Three main aspects were analyzed: 1. The effect of plasma on the viability of micro-organisms dependent on working gas, treatment time, and the sample distance (distance between the jet nozzle and the substrate). 2. The plasma-based removal of microbial biofilms. 3. The effects of the plasma treatment on the surface properties of selected polymers. Additionally to the capability of the applied plasma jet in killing microbes the efficacy of this plasma jet for the removal of complex biological systems (e.g. biofilms) is shown. To model cell constituents of bacteria different synthetic polymers were chosen to gain insight into the decomposition process responsible for biofilm degradation. By investigating the impact of atmospheric pressure plasma on physico-chemical surface properties of various synthetic aliphatic and aromatic polymers the interaction mechanisms between plasma and plasma-exposed material are discussed. These studies are accompanied by applying different optical plasma diagnostic techniques (optical emission spectroscopy and two-photon absorption laser induced fluorescence spectroscopy) to obtain information on the plasma gas phase which contributes to the elucidation of the reaction mechanisms occurring during plasma exposure. Moreover, it is presented to which extent the plasma treatment influences the surface properties of polymers during the plasma-based bio-decontamination process and further, the benefits of surface-functionalized polymers for biomedical application is discussed.
  • In der Medizintechnik gehört die biologische Dekontamination bzw. Sterilisation zu den wesentlichen Verfahrensschritten sowohl bei der Herstellung als auch bei der Aufbereitung von Medizinprodukten. Da immer mehr polymerbasierte medizintechnische Produkte verwendet werden, stoßen verfügbare Verfahren an ihre Grenzen. Konventionelle Sterilisations- und Desinfektionsverfahren auf der Basis hoher Temperaturen, toxischer Gase oder ionisierender Strahlung können sich nachteilig auf Polymere auswirken und damit die Funktionalität der behandelten Produkte gefährden. Aus diesem Grund sind alternative, materialschonende und effiziente Dekontaminationsverfahren erforderlich. Ein möglicher Weg ist der Einsatz von nichtthermischen physikalischen Plasmen. Durch den Verzicht auf Vakuumtechnik und die daraus resultierenden Vorteile für die praktische Einsatzfähigkeit ist die Atmosphärendruck-Plasmatechnik von besonderem Interesse. Die vielseitigen Wirkmechanismen von Plasmen ermöglichen eine effiziente Abtötung bzw. Inaktivierung von Mikroorganismen, die nach aktuellem Kenntnisstand auf dem Zusammenwirken von plasmagenerierten reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS, RNS) sowie der vom Plasma emittierten (V)UV-Strahlung basiert. Sogenannte kalte Plasmen eignen sich aufgrund moderater Gastemperaturen (ungefähr bei Raumtemperatur) vor allem für die Behandlung von hitzeempfindlichen Materialien, wie z.B. Polymeren, ohne deren Volumeneigenschaften zu beeinträchtigen. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Plasmaverfahren zur mikrobiologischen Dekontamination von Polymeren bei Atmosphärendruck. Dabei sollen vor allem Erkenntnisse zum Einfluss variierter Plasma-Prozessparameter auf die inaktivierende Wirkung auf Mikroorganismen einerseits und die Beeinflussung der Materialeigenschaften andererseits gewonnen werden. Als Gegenstand der Untersuchungen dient ein hochfrequenzangeregter Atmosphärendruck-Plasmajet (aus der Reihe kINPen) mit Argon und Argon-Sauerstoff-Gemischen als Arbeitsgas. Drei wesentliche Aspekte wurden analysiert: 1. Die Wirkung des Plasmas auf die Vitalität von Mikroorganismen in Abhängigkeit von Arbeitsgas, Behandlungszeit und Probenabstand (Abstand zwischen der Jetdüse und dem Substrat). 2. Der plasmabasierte Abtrag von mikrobiellen Biofilmen. 3. Die Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Oberflächeneigenschaften ausgewählter Polymere. Plasma bewirkt nicht nur eine Inaktivierung von Mikroorganismen sondern kann auch zum Abtrag von komplexen biologischen Systemen (z.B. Biofilme) führen. Zum Verständnis der Wirkmechanismen des plasmabasierten Biofilmabtrags wurden synthetische Polymere als Modelloberflächen analysiert. Durch die Untersuchung des Einflusses von Atmosphärendruckplasmen auf die physikochemischen Oberflächeneigenschaften verschiedener aliphatischer und aromatischer Polymere werden die Mechanismen und Wechselwirkungen zwischen Plasma und plasmabehandelten Substrat diskutiert. Zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen wurden ergänzend zu diesen Studien unterschiedliche optische Plasmadiagnostikverfahren (optische Emissionsspektroskopie und zwei-Photonen Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie) verwendet, mit deren Hilfe Informationen zur Gasphase des Plasmas gewonnen werden konnten. Weiterhin wird gezeigt, wie sich die Oberflächeneigenschaften von Polymeren durch die plasmabasierte Biodekontamination verändern und welcher Nutzen sich daraus für die biomedizinische Anwendung ergibt.

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Metadaten
Author: Katja Fricke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001387-7
Title Additional (German):Einfluss nichtthermischer plasmabasierter biologischer Dekontaminationsverfahren auf die Oberflächeneigenschaften plasmabehandelter Polymere
Advisor:Dr. Karsten Schröder, Prof. Dr. Thomas von Woedtke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2013/01/28
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/12/18
Release Date:2013/01/28
Tag:atmospheric pressure plasma, biological decontamination, plasma diagnostics, surface modification
GND Keyword:Atmosphärendruckplasma, Dekontamination, Funktionalisierung <Chemie>, Plasmaspektroskopie, Polymere
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie