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Biozide Schichten

Einleitung

RÜBIG zählt seit mehreren Jahren zu den weltweiten Marktführern im Bereich von Beschichtungsanlagen. Der Fokus in der Anlagen- und Prozessentwicklung liegt vorrangig auf plasma-aktivierter chemischer Dampfphasenabscheidung (PACVD). Beginnend mit 2013 intensivierte die hauseigene F&E ihre Forschungsaktivitäten im Bereich funktioneller Beschichtung mit antimikrobiellen Materialien. Gemeinsam mit externen Forschungspartnern wurde im Zuge einiger FFG-Projekte wertvolles Know-how über die Beschichtung von verschiedensten Substratmaterialien aus Metall und Kunststoff und deren jeweiligen Umwelteinflüssen gewonnen.

Kontakt

Kontaktieren Sie uns!

 

Dipl. Ing. Dr. (mont) Christian Dipolt, MBA

RÜBIG Technologie

Schafwiesenstr. 56, 4600 Wels, ÖSTERREICH

Tel: +43 (0) 7242 / 66060

E-Mail: christian.dipolt[at]rubig[dot]com

Ziel der Entwicklungsarbeiten ist die Reduzierung des Risikos bzw. gänzliche Verhinderung einer Ansteckung durch Schmier- und Tröpfcheninfektionen. Ein Schwerpunkt wird auf nosokomiale Infektionen, sprich Infektionen mit antibiotikaresistenten Bakterien, gelegt. Darüber hinaus rücken Bereiche, in denen kontinuierliche Hygiene- und Desinfektionsmaßnahmen nicht gewährleistet werden können, in den Fokus. Das European Center of Diseases Control schätzt, dass jährlich über 4 Millionen Patientinnen und Patienten an nosokomialen Infektionen erkranken und zählt sie somit zu den häufigsten Komplikationen eines Krankenhausaufenthaltes. Aber auch nicht-resistente Bakterien und Viren finden sich auf vielen Oberflächen und haben im Ansteckungsfall nicht nur gesundheitliche Folgen für das betroffene Individuum, sondern verursachen auch volkswirtschaftlich betrachtet enorme Schäden. Biozide Oberflächenbehandlung unterbindet das Festsetzen bzw. Überleben von Viren und Bakterien auf einer Vielzahl an verschiedenen Substraten und trägt so zu einer Unterbrechung der Infektionskette bei.

Kupfer

Biozider Effekt von Kupferverbindungen

 

Die Bedeutung von Kupfer als Biozid ist seit langem bekannt. Dabei sind Wirkungsmechanismus und Wirkungsgrad von Kupfer auf Bakterien heutzutage bereits weitestgehend erforscht und in der Literatur detailliert beschrieben. Während selbes auch für den Wirkungsgrad von Kupfer auf Viren gilt, sind die Kenntnisse über die konkreten Vorgänge und Interaktionen, die dem antiviralen Effekt zu Grunde liegen, noch weniger bekannt. Allgemein gilt für Mikroorganismen, sprich für Bakterien und Viren gleichermaßen, dass Kupfer bereits in kleinen Dosen überaus schädlich ist. Durch Redoxreaktionen (Reduktions-Oxidations-Reaktionen) kommt es zu einem Austausch von Elektronen. Es entstehen positiv geladene Kupferionen, die zur Bildung freier radikale führen. Diese zersetzen die äußere Membran und in weiterer Folge die DNA der Bakterien- und Virenzellen. Dieser Vorgang zerstört aber nicht nur den Organismus, er führt auch zu Korrosion der Kupferoberfläche.

 

Korrosion 

 

Kupfer ist allgemein durch eine starke Neigung zu Korrosion charakterisiert. Abhängig von der Umgebungsatmosphäre bilden sich verschiedene Korrosionsprodukte mit zum Teil hoher Haftung auf der Oberfläche aus. Bei elektrochemischen Korrosionsreaktionen kommt es, ähnlich wie bei der Zerstörung von bakteriellem Zellmaterial, zu Redoxreaktionen – sprich einem Austausch von Elektronen. Durch die hohe Leitfähigkeit von Kupfer kommt es zu einer räumlichen Trennung zwischen Reduktion und Oxidation. Die Oxidationsmittel sind in der Regel neutrale und alkalische Medien wie Sauerstoff oder saure Medien wie protonierte Wassermoleküle (H3O+). Sie lösen die Reaktion aus und leiten als Folge der Oxidation die Auflösung des Metalls ein. Die Konsequenz sind Löcher, Mulden, Gräben oder poröse Metallbereiche. Mechanische Beanspruchung, zum Bespiel durch Spannungsrisskorrosion, und Verunreinigung durch Mikroorganismen oder ähnliches beeinflussen und beschleunigen den Korrosionsprozess beträchtlich.

Kupferlegierungen stellen eine bewährte Möglichkeit dar, den Korrosionsprozess zu verlangsamen.

 

Erhöhung der Beständigkeit durch Kupferlegierungen

 

Bereits erfolgreich erprobte Legierungen sind Kupfer-Aluminium bzw. Kupfer-Aluminium-Zink und Kupfer-Titan. Sie finden in der Industrie, beispielsweise im Flugzeugbau (AlCu) oder als Werkstoff für elektronische Bauteile (CuTi) breite Anwendung. Mit den bereits bekannten Ergebnissen aus Theorie und Praxis als Basis, forscht RÜBIG im Haus an weiteren Legierungssystemen. Oberste Priorität hat zweifelsfrei die Aufrechterhaltung der bioziden Wirkung. Parallel dazu wird versucht, die Lebensdauer der Kupferbeschichtungen zu erhöhen.

 

Entschichtung von Kupfer-Beschichtungen

 

Eine lange Bauteillebensdauer von beschichteten Komponenten wird einerseits durch die Haftung der Beschichtung selbst sowie deren Beladung mit biozidem Wirkstoff bzw. dessen Freisetzungsrate bestimmt. Andererseits wird sie aber auch anhand der Möglichkeit zur Wiederbeschichtung nach spezifizierter Nutzungsdauer und Entfernung (Entschichtung) der „alten“ Schicht definiert. Die Entschichtung von Kupferschichten kann durch abrasive Reinigung, chemisches Ätzen, Elektroreinigung oder reaktive Reinigung erfolgen.

RÜBIG AntiViralCoating

Mit dem Ziel der maximierten Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit etablierte RÜBIG bereits verschiedenste kohlenstoff- und titanbasierende Beschichtungsverfahren in der Industrie. Im Bereich Medizintechnik wurde RÜBIG mit Anforderungen wie Biokompatibilität von Keramik–Implantaten sowie antiviralen Oberflächen konfrontiert. Vor mehreren Jahren wurde im Zuge eines COIN (Cooperation & Innovation) – Projektes gemeinsam mit der Fachhochschule Wels eine PVD (Physical Vapour Deposition) – Beschichtung entwickelt, um gezielt Bakterien und Viren an Oberflächen abtöten zu können.

Die Akzeptanz einer solcher Oberflächentechnologien war zu jenem Zeitpunkt noch nicht gegeben. Die Pandemie hat die Rolle von Oberflächen in der Verbreitung von Bakterien und Viren wieder in den Fokus gerückt und die erneute Aufrollung des Themas unter dem Titel „RÜBIG AntiViralCoating“ ausgelöst. Ziel ist es, Oberflächen, die zum Beispiel an hoch frequentierten Orten in der Öffentlichkeit einer erhöhten Kontamination ausgesetzt sind, mit einer Beschichtung aus Kupfer/Kupferoxid auszustatten, um die Verbreitung von Viren und Bakterien zu reduzieren beziehungsweise ganz verhindern zu können. Es können Bauteile aus Metall, Kunststoff oder Filtermaterialien, wiederum bestehend aus Vlies oder Schaumstoff, beschichtet werden.

Die Wirkung gegen Bakterien und Viren wird dabei durch die Oxidation der Oberfläche erzeugt. Tests mit Humanen Corona Viren (HuCoV-229-E) zeigen, dass ein signifikanter Abfall der infektiösen Spezies nach bereits 10min Kontaktzeit gegeben ist. Mit der richtigen chemischen Zusammensetzung der Beschichtung ist die Anzahl der infektiösen Spezies nach 20min unter die Nachweisgrenze gefallen. Durch gezieltes zu-legieren von chemischen Elementen in die Beschichtung können die Eigenschaften wie Lebensdauer, Wirksamkeit und Haptik beeinflusst werden. Der Beschichtungstypus kann auf die entsprechenden Kundenforderungen angepasst werden und auch das Beschichtungssystem wird stetig weiterentwickelt.

Involviert sind externer Forschungspartner, wie die Fachhochschule Wels und das Joanneum Research in Niklasdorf/Steiermark mit ihren Erfahrungen im Bereich antivirale Schichten und PVD-Technologie. Weiters wird RÜBIG durch die Med Uni Graz unterstützt, die mit dem Hygiene Institut die Tests über die Wirkung der Oberflächen gegen Viren und Bakterien durchführt. Die PVD-Technologie ist eine strategische Ergänzung der Oberflächenkompetenz für die RÜBIG Anlagen- und Härtetechnik. Die im Haus entwickelte PVD- Anlagen- und Prozesstechnologie ergänzt das Produktportfolio der RÜBIG Anlagentechnik als zusätzliches, zukünftiges Standbein.

Anforderungsspezifische Beschichtungstechnologien bei RÜBIG