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Silikonelastomer für Mikroinjektionspumpen

Werkstoffentwicklung in nur einem Jahr
Silikonelastomer für Mikroinjektionspumpen

Mikroinjektionspumpe, deren Pumpgehäuse durch Trelleborg Sealing Solutions gemeinsam mit Wacker entwickelt wurde. Für die Entwicklung brauchte es auch ein neues Silikonelastomer mit besonderen Eigenschaften. Bild: Trelleborg
Mikroinjektionspumpe, deren Pumpgehäuse durch Trelleborg Sealing Solutions gemeinsam mit Wacker entwickelt wurde. Für die Entwicklung brauchte es auch ein neues Silikonelastomer mit besonderen Eigenschaften. Bild: Trelleborg

Handliche Medizingeräte erleichtern Patienten mit chronischen Erkrankungen den Alltag. Automatisierte Dosiersysteme können die regelmäßige Injektion lebenswichtiger Medikamente übernehmen. Herzstück eines solchen Geräts ist eine Mikroinjektionspumpe, deren Pumpgehäuse durch Trelleborg Sealing Solutions gemeinsam mit Wacker entwickelt wurde. Für die Entwicklung brauchte es auch ein neues Silikonelastomer mit besonderen Eigenschaften.

Chronisch kranke Menschen müssen ihren Körper ständig überwachen. Diabetiker kontrollieren beispielsweise ihren Insulinspiegel und an Parkinson leidende Menschen erhalten individuell angepasste Apomorphin-Dosierungen. Eine falsche Verabreichung der Medikamente kann die Wirksamkeit der Behandlung beeinträchtigen – und im schlimmsten Fall lebensbedrohlich werden. Einige Krankheiten lassen sich hingegen gut mit injizierten Wirkstoffen behandeln. Besonders praktisch sind tragbare Medizingeräte wie Insulinpen, da sie schnell und sicher flüssige Medikamente injizieren können. Allerdings müssen sich Anwender selbst Dosiermengen und Zeitpunkt merken. Hilfestellung leisten hier automatisierte Dosiersysteme.

Eine Mikroinjektionspumpe ist das Herzstück des Dosiersystems

Automatisierte Dosiersysteme sind meist handtellergroß und lassen sich mit Pflastern direkt auf der Haut befestigen. Auf der Seite, die die Haut berührt, befindet sich eine feine Nadel, die automatisch ausfahren kann. Über sie wird die programmierte Wirkstoffmenge injiziert, ohne dass der Patient eingreifen muss. Die präzise Steuerung regelt die Abgabe von wenigen Mikrolitern des Medikaments über einen Zeitraum von Minuten, Stunden oder Tagen.

Herzstück eines solchen Dosiersystems ist dabei eine winzige Mikroinjektionspumpe, die den Wirkstoff zuverlässig und äußerst genau abgibt. Mit der Entwicklung eines speziellen Pumpengehäuses aus Kunststoff und Silikon beauftragte ein weltweit führendes Pharma- und Medizinunternehmen den Dichtungsspezialisten Trelleborg Sealing Solutions. Im Inneren der Pumpe sorgt ein innovativer Werkstoff von Wacker für reibungslose Abläufe.  

Zweikomponentenspritzguss für kompakte Geräte

Die filigrane Mikroinjektionspumpe besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper, in dem sich ein Kolben elektrisch bewegt. Er saugt das Medikament aus einem Vorratsgefäß an und befördert es zur Injektionsnadel. Das Pumpengehäuse gibt es in verschiedenen Ausführungen, um flüssige Mengen von 2 oder 10 µl zu befördern. Mit einer Länge von 15 mm ist die kleinere Pumpe nicht viel größer als ein Fingernagel.

Reibung, Abdichtung und die Verbindung von zwei verschiedenen Materialien auf engstem Raum waren von Anfang an eine Herausforderung für die Entwickler. Neben der kompakten Bauweise stand von Anfang an die Kosteneffizienz im Fokus, da es die Injektionspumpe in ein Einwegprodukt zu integrieren galt: Aus Sicherheitsgründen ist es hierbei unabdingbar, dass alle Komponenten, die mit dem Patienten oder dem Medikament in Kontakt kommen, nach Gebrauch entsorgt werden. Andere Bauteile wie Gehäuse, Motor oder Batterie können jedoch wiederverwendet werden.

Aufgrund der kompakten Abmessungen und der geringen Toleranzen konnte das Bauteil nur im Zweikomponentenspritzguss mit Dichtungen aus Flüssigsilikonkautschuk hergestellt werden. Die Verarbeitung von Flüssigsilikonkautschuk (LSR) ist das Spezialgebiet von Trelleborg am Standort Stein am Rhein in der Schweiz. Dort gibt es eine Reinraumfertigung für medizintechnische Anwendungen, in der unter streng kontrollierten Bedingungen produziert wird.

Spezieller selbsthaftender LSR-Typ ist gefragt

Es gibt selbsthaftende LSR-Typen für den Kontakt mit Lebensmitteln und medizinische Anwendungen, die natürlich prädestiniert für solch eine Anwendung im Zweikomponenten-Spritzguss. Als sich Thermoplastische Elastomere (TPE) für diesen Einsatz als ungeeignet erwiesen, griff Trelleborg zunächst auf den selbsthaftenden Flüssigsilikonkautschuk Silpuran 6700 zurück. Bei dieser LSR-Linie für sensible Anwendungen werden spezielle Rezepturen verwendet, die besonders hohe Anforderungen an die Reinheit erfüllen. Durch die hervorragende Haftung auf einer Reihe von thermoplastischen Kunststoffen eignen sich die selbsthaftenden LSR-Typen hervorragend für den Zweikomponentenspritzguss.

In Tests mit dem Hersteller des Dosiersystems sowie dem Elastomer-Labor von Trelleborg in Stuttgart wurde unter anderem nachgewiesen, dass Silpuran 6700 einer Langzeitlagerung mit dem Medikament standhält. Da die Wirkstoffe direkt mit den Dichtungen in Kontakt kommen, mussten Wechselwirkungen jeglicher Art ausgeschlossen werden. Bei der Prüfung der Pumpe stellte sich jedoch heraus, dass die Reibung zwischen Kolben und Zylinderflächen mit Silpuran 6700 zu hoch ist.

Chemisches Rätsel gelöst

Da bei Patienten bereits eine minimale Über- oder Unterdosierung lebensbedrohlich sein kann, ist ein reibungsloser Betrieb der Pumpe unerlässlich. Eine zu hohe Reibung zwischen Kolben und Zylinder erfordert mehr Kraft für den Pumpvorgang. Dies hätte einen anderen Antrieb mit größerem Gehäuse oder den Einsatz eines Schmiermittels nötig gemacht. Da ein Schmiermittel unweigerlich mit dem Wirkstoff in Kontakt gekommen wäre, entfiel diese Option. Aus gleichem Grund schied auch der Einsatz von ölausschwitzenden Silikonen aus, wie sie Wacker für Anwendungen im Automobilbereich anbietet. Gesucht war eine Lösung, die ohne Öl auskommt.

Die Werkstoffentwickler von Wacker präsentierten sehr schnell erste Ideen für eine funktionstüchtige Lösung. Innerhalb von nur einem Jahr wurde eine völlig neue Werkstofftechnologie entwickelt und zur Marktreife gebracht. Wacker hatte bereits Flüssigsilikonkautschuke mit selbsthaftenden Eigenschaften sowie Produkte mit niedrigen Reibungskoeffizienten im Portfolio, aber keine für sensible Anwendungen, die beides bieten. Die Mikropumpe war daher die perfekte Gelegenheit für uns, beide Eigenschaften in einem Silikon zu vereinen. Das entwickelte Material wurde 2016 unter dem Namen Silpuran 6760 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt und ist bis heute der einzige selbsthaftende, nicht-ölausschwitzende reibungsmodifizierte Flüssigsilikonkautschuk mit Biokompatibilitätszertifikat auf dem Markt.


Autorin: Franziska Gründel

Managerin Corporate Communications,

Wacker Chemie

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