AUSGANGSSITUATION
Kollagenmaterialien werden in verschiedener Form im klinischen Alltag verwendet. Darüber hinaus erregt Kollagen seit Jahren zunehmend Interesse im Tissue Engineering bei der Bereitstellung von Scaffolds für die 2D- und 3D-Zellkultivierung. Kollagen ist jedoch thermisch empfindlich und denaturiert bei Temperaturen oberhalb von 60 °C. Daher sind für die Sterilisation die gängigen thermischen Verfahren ungeeignet. Bereits etablierte nicht nasschemische Sterilisationsverfahren, die auf Bestrahlung mittels γ-Strahlung, Röntgenstrahlung, Elektronen strahl oder der Sterilisation mit Ethylenoxid (EtO) beruhen, sind jedoch kostenintensiv und zeigen ebenfalls eine zerstörende Wirkung auf die Molekülstruktur des Kollagens.
PROJEKTZIEL
Da im Aufbereitungsprozess von Kollagenmaterialien Oxidationsmittel verwendet werden, bietet sich die Sterilisation mittels Wasser stoffperoxid (H2O2) an, auch als Niedertemperatur-Gas-Plasma-Sterilisation bezeichnet. Die zwei Halbzyklen im Prozess bestehen jeweils aus einer Vakuum-, Diffusions- und Plasmaphase. Die bereits am Markt verfügbaren Sterilisatoren sind gegenüber anderen Verfahren kostengünstig in Beschaffung und Anwendung. Diese Art der Sterilisation wurde an Biomaterialien bisher nicht beforscht. Ziel war es daher, ein schnelles, dezentrales und trotzdem sicheres Sterilisationsverfahren für thermolabile Biomaterialien am Beispiel von Kollagen zu erarbeiten.
LÖSUNGSWEG
Neben den Parametern Druck, Temperatur, Plasma- und Diffusionsdauer wurde die Konzentration an H2O2 angepasst. Um auch bei geringen H2O2-Konzentrationen eine sichere Sterilisation zu gewährleisten, wurde zusätzlich Peroxyessigsäure (PES) hinzugegeben. Die Parameter eines Halbzyklus im kommerziellen (STERRAD) und optimierten Sterilisationsverfahren wurden wie folgt verändert:
| STERRAD Verfahren | Optimierte Sterilisation |
|---|---|
| Druck: 63,3 Pa | Druck: 63,3 Pa |
| Temperatur: 55 °C – 50 °C | Temperatur: 50 °C – 48 °C |
| Diffusionsdauer: 8 Min. | Diffusionsdauer: 8 Min. |
| Plasmadauer: 2 Min. | Plasmadauer: 4 Min. |
| H2O2-Konzentration: 59 w% | H2O2-Konzentration: 6 w% |
| PES-Konzentration: 1 w% |
Nach jedem Optimierungsschritt wurden Denaturierungstem peratur, Molmassenverteilung, Sterilität, E-Modul und Biokompatibilität bestimmt und mit dem kommerziellen STERRAD-Verfahren sowie der Gammasterilisation als alterna tive Sterilisation verglichen. Dabei dienen die Bestimmung von Denaturierungstemperatur und Molmassen verteilung zur Beurteilung der Struktur des Kollagens. Mit dem Rasterkraftmikroskop wurde mit Hilfe der Kraftspektroskopie der E-Modul der behandelten Kollagenmaterialien bestimmt. Zur Überwachung der Sterilität wurden die Kollagenmaterialien mit Geobacillus Stearothermophilus inokuliert und anschließend sterilisiert. Die kontaminierten Materialien wurden dann 78 h bei 50 °C inkubiert und auf Trübung der Nährlösung hin untersucht. Die Biokompatibilität wurde durch Zytotox-Tests bestimmt.
Gel-Permeationschromatogrphie des (a) unbehandelten, (b) gammasterilisierten, (c) im optimierten Gas-Plasma-Verfahrena sterilisierten und (d) im kommerziellen Gas-Plasma-Verfahren sterilisierten Kollagenmaterials. Die Banden α und β stehen für das Kollagenmonomer und -dimer und p steht für die höhermolekularen Anteile der Probe.
ERGEBNISSE
Es zeigte sich, dass weder die chemische Struktur noch die mechanischen Eigenschaften dieser Folien und Schwämme verändert wurden. Die Biokompatibilität konnte durch einen Waschschritt vor der Verwendung in der Zellkultur wiederhergestellt werden. Das Verfahren birgt hohes Potential für die Industrie, jedoch sollten vor einem Transfer weitere wichtige thermolabile Polymere und oberflächenmodifizierte Materialien untersucht werden
Danksagung
Das Forschungsvorhaben „Entwicklung eines Niedertemperatur Sterilisationsverfahrens für thermisch instabile medizinische Implantate am Beispiel von Kollagen“, Reg.-Nr.: VF160049 wurde anteilig vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages innerhalb des Förderprogramms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen in Ostdeutschland – Modul Vorlaufforschung (VF)“ über den Projektträger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
