Mikrofertigung bringt Präzision in die Biomedizin

Mikrofertigung erobert die Biomedizin und erschließt Life-Sience-Produkten völlig neue Anwendungsqualitäten, wie die Firma Steag Microparts mit ihren Aerosolzerstäubern belegt.

Mikrotechnologie ist in Dortmund Trumpf: „Der für unseren Kunden Boehringer Ingelheim entwickelte Aerosolzerstäuber für die Asthmatherapie ermöglicht eine deutlich gezieltere Wirkstoffzufuhr und damit eine Verringerung der Nebenwirkungen“, erläutert Dr. Stefan Kreuzberger, Leiter Marketing und Vertrieb der Fa. Steag Microparts. Erfolgsgeheimnis sind hochpräzise Mikrodüsen, die im Zusammenspiel mit einer federbetriebenen Hochdruckpumpe einen genau definierten Aerosolstrahl erzeugen. Die bisher übliche Technologie produzierte dagegen ein Aerosol, das Tröpfchen mit sehr unterschiedlichen Durchmessern enthielt. Dadurch ging viel Wirkstoff am Ziel vorbei, denn nur Tröpfchen in der Größenordnung von etwa 5 µm gelangen mit möglichst geringen Verlusten bis in die Lunge. Größere Partikel scheitern zu einem unerwünscht hohen Prozentsatz im Mund- und Rachenraum, wodurch der Wirkstoff im Magen-Darm-Trakt landet. Sind die Tröpfchen dagegen wesentlich kleiner, dann werden sie in der Lunge nur unzureichend absorbiert und ungenutzt wieder ausgeatmet. Bei dem neuen Gerät entsteht durch einen genau definierten Hochdruck-Stoß von mehreren 100 bar und die Mikrodüsen ein feiner Nebel, dessen Tröpfchen weitgehend die therapeutisch optimale Größe aufweisen. Damit kann die erforderliche Dosis auf 1/3 der bisherigen Menge gesenkt werden, mit entsprechenden Vorteilen für den Patienten. In diesem Jahr sollen rund 500 000 Aerosolzerstäuber herstellt werden
Möglich wurde dieser Fortschritt durch die Kombination von Technologien, die bisher vor allem in der Fertigung der ultrafeinen Strukturen von Elektronikchips eingesetzt wurden, und dem „klassischen“ Kunststoffspritzgießen. Das Geschehen in den Labors und Fertigungsanlagen des Unternehmens im Universitäts- und Hightech-Viertel von Dortmund kann man nur durch Glasscheiben verfolgen: Aus verständlichen Gründen ist wegen der Reinraumbedingungen der Zutritt nicht gestattet. „Steril eingepackte“ Mitarbeiter mit Haarhaube und Atemschutz belichten, ätzen und begutachten mikroskopische Strukturen, deren Details oft nur unter hochauflösenden Mikroskopen zu erkennen sind. Im Unterschied zur üblichen Elektronikfertigung entstehen hier jedoch keine Chips. Die mikroskopisch feinen Strukturen dienen vielmehr häufig als Werkzeug für die Kunststoffverarbeitung. In den eigentlichen Produktionsräumen stehen vor allem Kunststoff-Spritzgießmaschinen der Hersteller Battenfeld und Klöckner Ferromatic. Sie werden meist unter Reinraumbedingungen eingesetzt, wobei der eigentliche Arbeitsbereich rund um die Form häufig eine eigene Einhausung mit einer höheren Reinraumstufe hat. Auch Bauteilkontrolle, Separierung und Montage erfolgen im Reinraum.
„Die hier eingesetzten Spritzgießmaschinen entsprechen im Prinzip dem üblichen Standard“, verrät Kreuzberger. Bei den Antrieben setzt man allerdings konsequent auf Elektromotoren, weil die übliche Hydraulik unter Reinraumaspekten als Verschmutzungsquelle eingestuft werden muss. Die Steuerungen und vor allem die Werkzeugtechnologie wurden speziell an die Erfordernisse der Mikrotechnik angepasst.
Während der Werkzeugrahmen – das sogenannte Stammwerkzeug – zugekauft wird, gehört die Fertigung der formgebenden Einsätze zu den unverzichtbaren Kernkompetenzen des Unternehmens. Dabei kommen oft sogenannte variotherme Werkzeuge zum Einsatz: Um eine einwandfreie Füllung der Formkavität bis in die feinsten Verästelungen sicher zu stellen, wird die Form zur Verbesserung der Fließfähigkeit der Kunststoffmasse zunächst aufgeheizt. Meist wird zudem der Formhohlraum evakuiert, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Nach der Füllung der Form muss diese dann wieder heruntergekühlt werden, damit der Kunststoff ausreichende Festigkeit erlangt, um den beim Entformen auftretenden Kräften zu widerstehen. Das Heißprägen von Kunststofffolien wird dagegen nur in Nischenbereichen eingesetzt, vor allem aufgrund der im Vergleich zum Spritzgießen deutlich niedrigeren Produktivität.
Die meisten Formeinsätze bestehen aus Stahl und anderen Metallen, die formgebenden Konturen werden mit lithographischen Methoden in Kombination mit galvanischer Umformung oder mit Hilfe „konventioneller“ Technologien – Drehen, Fräsen, Funkenerodieren, Läppen und Polieren – herausgearbeitet. In bestimmten Bereichen kommt auch die Feinbearbeitung mit einer rotierenden Diamantspitze, das sogenannte Flycutting, zum Einsatz. Darüber hinaus verfügt man auch über Systeme zur Laserbearbeitung. Formeinsätze aus Silicium werden meist nur im Prototypenstadium eingesetzt: Ihre Präzision ist zwar hervorragend, doch halten sie den beim Spritzgießen auftretenden Beanspruchungen nicht lange stand.
Bei den Werkstoffen setzt Steag Microparts vor allem auf hochwertige Materialien wie etwa PEEK, ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff. Meist handelt es sich um „klassische“ Compounds, besonderen Wert legt man vor allem auf Zulassung für den Medizinbereich und Langzeitverfügbarkeit.
„Bei der Entwicklung neuer Produkte konzentrieren wir uns inzwischen überwiegend auf Bereiche wie Medizin und Biotechnologie“, verrät Dr. Kreuzberger. Das ergebe sich allein schon aufgrund der hohen Investitionen, die in die entsprechende „keimfreie“ Produktionstechnologie getätigt wurden: Reinraumtechnik ist teuer und rechnet sich nur, wenn sie entsprechend gut ausgelastet wird. Bei der Entwicklung von neuen Produkten für biomedizinische und diagnostische Anwendungen kommt den Dortmunder Mikrotechnik-Spezialisten zudem das umfangreiche Know-how zugute, das im Verlauf der Produktentwicklung vor allem auf den Gebieten der Mikrofluidik und der Mikrooptik angesammelt wurde. „Für unsere Kunden agieren wir als Entwicklungspartner. Wir erwarten keine fertigen Zeichnungen, uns genügen ausgereifte Produktideen. Die Entwicklung erfolgt dann gemeinsam“, betont Marketingleiter Kreuzberger.
KLAUS VOLLRATH/KIP