PLASMOSE - antimicrobial effects of modular atmospheric plasma sources Translated title: Plasmose - antimikrobielle Wirksamkeit modularer atmosphärischer Plasmaquellen

Abstract

The technological potential of non-thermal plasmas for the antimicrobial treatment of heat sensitive materials is well known and has been documented in a great number of research activities, but the realisation of industrial plasma-based decontamination processes remains a great challenge. One of the reasons for this situation is the fact that an antimicrobial treatment process needs to consider all properties of the product to be treated as well as the requirements of the complete procedure, e.g. a reprocessing of a medical instrument. The aim of the BMBF-funded network project PLASMOSE is to demonstrate the applicability of plasma-based processes for the antimicrobial treatment on selected, heat sensitive products. Modular and selective plasma sources, driven at atmospheric pressure are used. This basic approach shall combine the technological advantages of atmospheric pressure plasmas (avoidance of vacuum devices and batch processing) with the flexibility and handling properties of modular devices.

Two different objectives were selected: the outer surface treatment of medical products and the treatment of hollow packaging for pharmaceutical products. The outer surface treatment of medical products, in particular catheters for intracardial electrophysiological studies, is investigated by means of RF-driven plasma jets in argon. Due to its compact design they are predestined for modularisation and can be adapted to nearly any complex 3-dimensional structure as given by the medical products. The realisation of an antimicrobial treatment process of hollow packaging for pharmaceutical products has quite different demands. Such a process is needed to be implemented in in-line filling procedures and to work without additional process gases. The idea is to use an atmospheric air, microwave-driven self propagating discharge. The plasma process is optimized for the decontamination of 200 ml bottles by field simulation studies combined with optical emissions spectroscopy and micro-biological tests.

Translated abstract

Das technologische Potential von nicht-thermischen Plasmen zur antimikrobiellen Behandlung von thermolabilen Materialien wurde in einer großen Zahl von Forschungsarbeiten dokumentiert, die Realisierung in einem industriellen plasmabasierten Dekontaminationprozess bleibt aber eine große Herausforderung. Einer der Gründe für diese Situation ist die Tatsache, dass ein antimikrobieller Prozess sowohl alle Anforderungen des Produkts als auch die des gesamten Aufbereitungsprozesses, z.B. eines medizinischen Instruments, berücksichtigen muss.

Ziel des durch das BMBF geförderten Verbundprojekts PLASMOSE ( Plas magestützte Oberflächenmodifizierung mittels mo dularer se lektiver Plasmaquelle) ist der Nachweis der Anwendbarkeit eines plasmabasierten Prozesses zur antimikrobiellen Behandlung von thermolabilen Produkten. Dazu werden modulare selektive Plasmaquellen bei Atmosphärendruck eingesetzt. Der Ansatz beruht auf der Kombination der technischen Vorteile eines Atmosphärendruckplasmas mit den Vorteilen bzgl. der Flexibilität und der Handhabungseigenschaften von modularen Vorrichtungen.

Zwei unterschiedliche Aufgaben wurden als Zielstellung ausgewählt: die Außenbehandlung von Medizinprodukten und die Innenbehandlung von Hohlkörpern als Primärverpackung für pharmazeutische Produkte.

Die Behandlung der äußeren Oberflächen von Medizinprodukten, in diesem Fall Kathetern für intrakardiale elektrophysiologische Untersuchungen, wurde mittels eines RF angeregten Plasmajets in Argon durchgeführt. Aufgrund seiner kompakten Ausführung ist er prädestiniert für eine Modularisierung und kann dadurch nahezu an jede dreidimensionale Struktur angepasst werden.

Die Realisierung der antimikrobiellen Behandlung der als Primärverpackung dienenden Hohlkörper hat deutlich andere Prozessanforderungen. Dieser Prozess muss in einer mit hohen Taktraten arbeitenden Abfüllmaschine integrierbar sein und darf aus Kostengründen keine teuren Arbeitsgase benötigen. Daher wurde zur Realisierung eine mikrowellenangeregte Laufentladung eingesetzt, die in Umgebungsluft arbeitet. Der Prozess wurde für die Behandlung von 200 ml PET Flaschen optimiert. Hierzu wurden sowohl Simulationen des elektrischen Feldes als auch optische Emissionsspektroskopie durchgeführt. Begleitet wurden diese Untersuchungen durch mikrobiologische Tests zur Bestimmung der Abtötungskinetik.