DE102006025736A1

DE102006025736A1 - sterilization procedures

Info

Publication number: DE102006025736A1
Application number: DE102006025736A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.-Ing. Awakowicz
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-06
Also published as: WO2007137556A1

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.Sterilization method in which objects to be sterilized (10) are placed in a sterilization chamber (2) and exposed to a low pressure plasma (9) for sufficient time to sterilize, and by means of a generator (7) a high frequency alternating electric field having a frequency in a range of 40 MHz to 150 MHz between two electrodes (5, 6) is generated in order to put a befindliches in the sterilization chamber gas by capacitive coupling of an electric field in the plasma state.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sterilisationsverfahren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a sterilization method according to the features in the preamble of claim 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 300°C 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.Under The term sterilization is the deactivation of reproductive organisms and pathogens by more than six decades. Under Disabling means that the germs are no longer capable of replication. Continue to have biomolecules which inflammatory the immune system Cause immune reactions to be destroyed. These are for example To count pyrogens, this means Particles or molecules, which consist of dead cells or cell fragments of bacteria and feverish when they enter the bloodstream. These have to also deactivated or depyrogenated in this case, i.e. whose fever - producing effect must be due to deliberate destruction of the molecule be stopped for more than three decades. Depyrogenizing usually happens in practice by a dry heat treatment at about 300 ° C instead. There This temperature and the residence time also suitable for sterilization Sterilizing and depyrogenating are common in a joint operation.

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 thermolabile 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.conventional Sterilization methods are autoclaving, that is the application moist heat, gamma radiation and irradiation with other ionizing rays. Furthermore, there is the gas sterilization with ethylene oxide (ETO) and hydrogen peroxide sterilization too call. Procedures under increased Temperatures performed be, are for thermolabile materials not suitable. Even ceramics and metals can through greatly impaired autoclaving become. The application of a moist heat is for depyrogenation not suitable anyway.

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.ethylene oxide (ETO) is a highly toxic gas, although for sterilization thermolabile Materials can be used, but the major disadvantage is based on the relatively long degassing of the sterilized objects wherein the Ausgasungszeiten can be many times higher than the actual treatment time. Due to the toxicity is the Dealing with ETO critical. Depyrogenation can not be done with ETO be achieved.

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.The Hydrogen peroxide sterilization also has many disadvantages First and foremost, it shows that it is hydrogen peroxide at room temperature to a liquid is. The known methods are based on evaporation the hydrogen peroxide, although a condensation in the range the objects to be sterilized must be avoided in order to completely deduct the vapor phase. The Removal of hydrogen peroxide succeeds only badly when larger quantities of liquids have accumulated. The evaporation is uneven and in this case takes a long time. Hydrogen peroxide itself is also responsible for depyrogenation not suitable.

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.The Treatment with ionizing radiation sets a great apparatus and safety effort ahead. On the other hand, ionizing Radiation, if necessary, the material of the sterilizing objects to damage. Even by means of ionizing radiation, no depyrogenation can take place per se carried out become.

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 Ionenbeschuss, 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.The known plasma sterilization methods do not have these disadvantages or only to a small extent on. The sterilizing effect of a plasma is based inter alia on a destruction germs and biomolecules by UV and VUV light, which destroys the DNA. With VUV is so-called Vacuum ultraviolet radiation meant, whose wavelengths lie below 200 nm. Furthermore, radicals are generated in the plasma, which the germs or biomolecules chemically attack. Furthermore, the germs or biomolecules undergo a Ion bombardment, which also has a destructive effect. With increasing negative pressure leaves the gas temperature of the plasma decrease so much that too heat-sensitive objects can be treated such as plastic-containing medical implants.

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.The 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 (generator) 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. Specifically, in the field of high-frequency plasmas, vibrations in the radio frequency range of 13.56 MHz and 27.12 MHz are suitable because they are internationally approved frequencies.

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.However, it has been shown that 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 turns out that in the case of the so-called capacitively coupled plasmas, the coling mobility is high, but the intensity of the mechanisms of action is poor the 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.

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 wirdOf these, The invention is based on the object, a method plasma sterilization, with which the sterilization efficiency, especially in complex structures, is significantly increased and with which the colortability is improved

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.

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.By one possible high electric field strength in the plasma should be achieved that the plasma from the outside in lumens ignite can be made of dielectric materials. this applies So for all Plastic materials or ceramic materials produced by a electromagnetic wave can be penetrated and within that so the plasma can ignite in trapped lumens. Especially at thin long plastic tubes This property is great Importance, because the plasma is not due to the length of the hoses the open ends can penetrate into the hoses.

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 Ionisationsprozesse ein Plasma aus, in welchem alle geladenen Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes oszillieren, es sei denn, die Oszillationsfrequenz ist zu hoch.Of the The core of the invention is the capacitive coupling of an electrical Field in combination with a specific high frequency range, called VHF range, to see. When coupling an electromagnetic field takes place a collision of fast electrons, ie those with out of the electric field recorded high kinetic energy with a Atom or molecule. This electron impact ionization can be due to a sufficiently strong alternating electromagnetic field generated in the case of capacitive coupling between two electrodes or capacitor plates is applied. Between the electrodes form due to the ionization processes mentioned Plasma in which all charged particles with frequency of the alternating field oscillate, unless the oscillation frequency it is too high.

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.Usually the electrodes are inside a vacuum chamber, which with a generator for high-frequency electromagnetic radiation is connected. The chamber is typically in a vacuum range of a few pascals up to a few hundred pascals. To this low pressure at constant Maintaining gas flow is pumped to the chamber and simultaneously the needed in the process Fresh gas taken in.

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.For example, when the high-frequency generator is switched on with constant gas flow and pressure, an electric field is generated between the two electrodes, which causes the gas in the reaction chamber to be put into the plasma state. Thus, negatively charged electrons (e-), positive ions (eg Ar ⁺ ) and a wealth of different neutral particles (molecules, atoms and radicals) now exist in the sterilization chamber. Radicals are molecular fragments that are produced by dissociation in the plasma.

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 weitestgehend einschließt und einen Potentialtopf bildet. Die Ionen werden dabei nach außen befördert, so dass sich aus deren Sicht ein Potentialberg bildet.About the Electrodes flows an alternating current, since the electrodes are in direct contact with the electrically conductive plasma. The stream within a plasma becomes main from the faster, that is worn more mobile electrons. To prevent that in case a positive half wave on an electrode all electrons out be sucked into the plasma, a so-called builds up in each plasma Edge layer, which includes the electrons as much as possible and a Potential well forms. The ions are transported to the outside, so that forms a potential mountain from their perspective.

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.The Surface layer is dependent on the plasma parameters and very small compared to the Dimensions of the plasma. In the case of a capacitive coupled alternating electric field is this potential well over the particularly large with high frequency driven smaller electrode. In order to the potential drop in the so-called boundary layer is very high and is e.g. many hundreds of volts. In most other plasmas the potential drop is in the marginal layer rarely exceeds twenty volts. This attribute the edge layer leads with capacitive electromagnetic excitation of the plasmas to one strong alternating electric field in these plasmas. At capacitive Electromagnetic excitation is therefore also within the plasma relatively high electric field strengths generated that are useful by e.g. within a plastic tube to be sterilized to ignite a plasma, Since the electric field dielectric materials almost unhindered penetrates. This makes it clear that capacitively excited high-frequency plasmas due to the pronounced Dipole character of the boundary layer are more suitable in enclosed Lumens or narrow columns to ignite a plasma, than that with other types of stimulation possible is.

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.So far, it has not been possible to exactly answer the influence that the frequency has on such plasmas. As a rule, the frequency was kept constant at 13.56 MHz or, in some cases, at double, that is at 27.12 MHz. However, it has been found in experiments that the desired during sterilization Spaltgängigkeit can not be achieved at very low and at very high frequencies, but optimally in one Frequency range from 40 MHz to 150 MHz, in particular in a range of 60 MHz to 120 MHz sets. In this frequency range, 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. Nevertheless, the modulation of the field strength is significantly higher than in the case of inductive electromagnetic excitation or the microwave excitation.

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.Basically, the leads Frequency increase continuously to an improvement of the coling and the plasma density. From 40 MHz, this effect is for the plasma sterilization sufficiently pronounced, wherein a particularly favorable Frequency range between 60 MHz and 100 MHz. From technical establish the upper limit of the frequency range is limited because one at high frequencies, especially in larger machines standing waves gets the uneven treatment the objects to be sterilized can result. When the frequencies become very high (for example in the case of the microwave: 2.45 GHz), then you can even the fast electrons do not follow and the dipole character the capacitive heating is lost. The very high frequencies to lead therefore not to the desired plasma properties. Continue lets Meanwhile, a frequency around 70 MHz meanwhile with simple transistor circuits as Build cantilever, i. not with tubes and especially without a matching network (matchbox), which makes a commercial construction smaller and makes it much cheaper.

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.One Measure of ignitability of plasmas in narrow lumens is the electric field strength. These is in the case of capacitive coupling of the electromagnetic Felds much bigger than in the case of inductive coupling.

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.simultaneously also showed that the thickness of the surface layer decreases very much, if one operates the plasmas in the said frequency range, which to an improved penetration in externally accessible narrow columns and lumens led. So far one has in practice the frequency range of 40 MHz to 150 MHz for sterilization not further investigated, since the Frequency range outside the permitted frequencies. Furthermore, until today the Properties of these relatively new plasmas little known. In the event of the use of plasmas for etching falls in microelectronics however, their undesirable Spaltengängigkeit on what devices with tight meshes, especially in the Range of viewing windows made necessary to the immediate Avoid contact with the plasma.

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 Ionenbeschusses 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 Radikalenflussdichte sowie eine hohe Ionenflussdichte zur Folge haben. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft für medizinische und pharmazeutische Zwecke, wie dem Sterilisieren und Depyrogenisieren von Implantaten und Knochenersatzstoffen, von medizinischen Geräten, wie Bestecken, Endoskopen, Kathetern, aber auch von pharmazeutischen Behältern wie Vials, Spritzen oder Flaschen.The Ability, the capacitively excited with a frequency of 40 MHz to 150 MHz Plasmas in tight lumens, long thin ones hoses and covered areas to penetrate and locked in from outside Lumens ignite a plasma to be able to is of utmost importance in sterilization. The fact, that the penetration and ignition behavior of classical, capacitively excited plasmas and also of inductive stimulated plasmas is not optimal, is partly responsible for that Plasma sterilization in practice has not been the desired Has had success. The method according to the invention is characterized that the dipole character of the capacitive coupling to a high electric field strength within the plasma and the high frequencies to high plasma density with high efficiency to lead. Thereby Is it possible, plasma sterilization and depyrogenation not only at smooth on the surface Substrates, but also because of the known mechanisms, this means the UV radiation, Radical formation, ion bombardment in geometrically complex Structures to germs in closed lumens as well as narrow columns due to very good accessibility kill. A reliable Sterilization is only possible if a high plasma density is reached to correspondingly a lot of radiation, ions and radicals to produce. A corresponding plasma density or amount of radiation is inductively electromagnetically excited plasmas and also in capacitively electromagnetically excited plasmas with an alternating field frequency from 40 MHz to 150 MHz, but not capacitively excited Plasmas with an alternating field with a frequency of 27.12 MHz or 13.56 MHz. The high frequency of the capacitively excited plasma generates high plasma densities, which in turn have a high light intensity, a high radical flux density and result in a high ion flux density. This makes it suitable the process of the invention especially advantageous for medical and pharmaceutical purposes, such as sterilizing and Depyrogenizing implants and bone substitutes, from medical devices, such as Cutlery, endoscopes, catheters, as well as pharmaceutical ones containers like vials, syringes or bottles.

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 medizischen 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.In addition to relatively short sterilization times, which can vary from a few seconds to about twenty minutes depending on the material and geometry of the articles, the claimed plasma sterilization process has additional positive accompanying effects. In the case of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), which is used eg for knee and hip prosthetics, 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 affected by the surface modification. Furthermore, the growth behavior of medical implants, which are used in the human body, significantly improved, since the surface can be adjusted or modified so that the human cells grow on this preferred.

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.With The invention may have sterilization efficiency in particular Complex structures can be significantly increased. all advantages the direct plasma sterilization compared to conventional methods stay preserved. These advantages are suitable for all users who Need sterilization and / or depyrogenation, ie clinics, Medical practices, pharmacists, biotechnologists, industrial sterilization facilities, aseptic food bottlers etc.

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.In the practical implementation are the objects to be sterilized in one evacuated sterilization chamber taken with a supply line for too ionizing gas is connectable. Furthermore, a generator or a transmitting device for coupling a high-frequency electromagnetic Alternating field is provided in a range of 40 MHz to 150 MHz. The alternating electromagnetic field is transmitted via two electrodes or antennas capacitively coupled into the plasma in the sterilization chamber. The generator can be designed as a cantilever to the matching network (Matchbox) to save a typical high frequency supply.

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.The practical implementation of the method will be explained in more detail with reference to the illustrated embodiment. The figure shows a simplified representation of a device for carrying out the claimed sterilization process. The device 1 includes a sterilization chamber 2 into which a gas inlet 3 a reaction gas is introduced. At the same time via a pump not shown gas via a gas outlet 4 pumped out, giving a total negative pressure in the sterilization chamber 2 prevails. There are two electrodes in the sterilization chamber 5 . 6 that with a generator 7 are connected for high-frequency electromagnetic radiation, so that between the electrodes 5 . 6 an electromagnetic alternating field 8th which is symbolized by the marked field lines. The alternating electric field oscillates at a frequency in the range of 40 MHz to 150 MHz and leads to electron impact ionization of the gas in the sterilization chamber 2 so that is a plasma 9 between the electrodes 5 . 6 formed. In the area of the plasma 9 there is an object 10 under the influence of low-pressure plasma 9 is sterilized. At the object 10 it is, for example, an elongated slim body with a lumen, the object should be sterilized not only from the outside, but also from the inside. 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 within the article 10 consists. 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.

11: Vorrichtungcontraption
22: Sterilisationskammersterilization chamber
33: Gaseinlassgas inlet
44: Gasauslassgas outlet
55: Elektrodeelectrode
66: Elektrodeelectrode
77: Generatorgenerator
88th: elektrisches Feldelectrical field
99: Plasmaplasma
1010: Gegenstandobject

Claims

Sterilization method in which objects to be sterilized ( 10 ) in a sterilization chamber ( 2 ) and over a sufficient time for sterilization a low-pressure plasma ( 9 ), and wherein by means of a generator ( 7 ) a high-frequency alternating electric field having a frequency in a range of 40 MHz to 150 MHz between two electrodes ( 5 . 6 ) is generated in the sterilization chamber ( 2 ) gas by capacitive coupling of an electric field in the plasma state to put.

Method according to claim 1, characterized in that that a high-frequency alternating electric field with a frequency is generated in a range of 60 MHz to 120 MHz.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the objects to be sterilized under the action of capacitive coupling generated plasma are depyrogenated.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that a cantilever is used for plasma excitation.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that as plasma gas gases, gas mixtures and before or through the Plasma excitation evaporated liquids be used.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that it is for the surface hardening of ultra-high molecular weight polyethylene is applied.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that it is used to improve the growth behavior of implants.