Fælles teknisk artikel af Rehm Thermal Systems og ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik
I moderne medicoteknik er høj præcision ved påføring af lim, coatings- eller indstøbningsmaterialer afgørende. Særligt for medicinsk udstyr i den højeste risikoklasse III, såsom implantater, afhænger slutproduktets sikkerhed og pålidelighed i høj grad af nøjagtig dosering. Mikrodosering spiller en central rolle i applikationer, hvor meget små og følsomme komponenter skal sammenføjes eller forsegles uden at påvirke produktets funktion eller fleksibilitet.
Mikrodosering som nøglefaktor i medicoteknik
Et tydeligt eksempel på behovet for præcis dosering er den dybe hjernestimulator (DBS). Et DBS-system leverer målrettede elektriske impulser til hjernen via ekstremt fine elektroder og yder dermed et væsentligt bidrag til behandlingen af sygdomme som Parkinsons sygdom eller terapiresistent epilepsi.
Målrettede limninger sikrer, at hvert enkelt kontaktpunkt og segment forsegles pålideligt inden næste procestrin. Dette primære trin forhindrer, at komponenterne forskubber sig under indstøbningen, eller at der opstår mellemrum, som giver indstøbningsmaterialet mulighed for at trænge ukontrolleret ind.
Efterfølgende skaber indstøbningen en sekundær barriere, der fuldstændigt indkapsler komponenterne. Resultatet er et homogent beskyttelseslag, som sikrer implantatets langsigtede biokompatibilitet samt høje modstandsdygtighed over for vibrationer og stød. Da kropsvæsker har tendens til at migrere ind i området mellem den primære og den sekundære barriere, kan det i visse tilfælde være fordelagtigt at anvende en vedhæftningsfremmer mellem lagene for at opnå endnu bedre beskyttelse og en langtidsholdbar forsegling.
Fig. 1: Stent med røntgenmarkører – fyldt med minimale mængder lim (Billedkilde: ViscoTec)
Præcis limpåføring er også afgørende ved fremstilling af stents. Især stents fremstillet af materialer med lav røntgenkontrast, såsom nitinol, kan være vanskelige at se på røntgenbilleder. For alligevel at muliggøre præcis positionering i kroppen påføres små røntgenmarkører.
Til dette formål fyldes spalter på kun 15–30 µm med minimale mængder lim. Disse mikrodoser bevarer stentens bevægelighed og fleksibilitet og sikrer samtidig langvarig biokompatibilitet.
Fig. 2: Størrelsessammenligning mellem en mikro-limdråbe og en 2,5 mm doseringssprøjtespids (Billedkilde: ViscoTec)
Et andet typisk anvendelsesområde for mikrodosering er katetre, som er meget fleksible og bløde systemer, der anvendes i mange minimalt invasive procedurer. Her skal forskellige komponenter, f.eks. forbindelsesstykker, samles inden for meget snævre tolerancer.
Limen doseres som små, præcist placerede dråber, der sikrer pålidelig sammenføjning uden at påvirke kateterets fleksibilitet eller begrænse flowet i dets lumen. Overdosering kan føre til indsnævringer, blokeringer eller endda frigivelse af partikler, mens underdosering kan skabe mekaniske svagheder.
Uanset om der er tale om pacemakere, stents eller katetre, er det afgørende, at limen påføres præcist på det ønskede sted og i den korrekte mængde. Kun en kontrolleret påføring med minimale tolerancer kan pålideligt minimere risici, sikre komponenternes fulde funktionalitet og opfylde de høje krav til sikkerhed, kvalitet og langtidsstabilitet.
Teknologiske udfordringer og løsninger
Mikrodosering stiller høje krav til doseringssystemernes præcision, da selv de mindste afvigelser kan have stor indflydelse på resultatet. Doseringssystemets positioneringsnøjagtighed skal derfor være meget høj og reproducerbar.
En af de største udfordringer er imidlertid variationer i materialet, som blandt andet kan skyldes temperaturforskelle, indesluttet luft eller producentrelaterede variationer i viskositeten. Tids-/trykbaserede doseringssystemer når her deres begrænsninger, da doseringsresultatet i høj grad afhænger af fyldningsniveauet i den tryksatte patron. En fuld, halvfuld eller næsten tom patron kan give forskellige doseringsmængder, fordi luft komprimeres væsentligt anderledes end væsker.
I medicoteknik er fuldt reproducerbar dosering afgørende, da unøjagtige mængder ikke kun medfører kassation og efterbearbejdning, men i værste fald kan udgøre en direkte risiko for patienten.
Fig. 3: preeflow eco-PEN XS blev udviklet specielt til de mindste doseringsvolumener. (Billedkilde: ViscoTec)
Ud over sine egne applikatorer har Rehm Thermal Systems i længere tid anvendt ViscoTecs præcise doseringsteknologi. En væsentlig fordel er den integrerede ekscentersnekketeknologi (progressive cavity), der blandt andet anvendes i Protecto-systemerne.
Ekscentersnekketeknologien består af en roterende rotor i en elastisk stator, som transporterer materialet volumetrisk, jævnt og praktisk talt uden pulsering. Dette sikrer en meget høj repeterbarhed og gør processen i vid udstrækning uafhængig af variationer i viskositeten. I modsætning til tids-/trykbaserede systemer er transporten rent volumetrisk, idet der fortrænges et præcist defineret volumen pr. omdrejning uafhængigt af patronens fyldningsgrad.
En anden afgørende fordel er, at variationer i materialeegenskaber som følge af f.eks. temperaturudsving eller fyldstoffer kun har begrænset indflydelse på processen. Teknologien muliggør en skånsom og ensartet transport af selv højviskose eller fyldte medier med et konstant volumetrisk flow. Selv ved følsomme medier beskadiges materialestrukturen ikke, og risikoen for luftindeslutninger eller faseseparation reduceres.
For at undgå luftindeslutninger mellem substratet og det doserede materiale spiller yderligere faktorer en vigtig rolle. Ikke alene den korrekte programmering af materialepåføringen, for eksempel målrettet fyldning af kapillærer, men også den efterfølgende tørring og hærdning er afgørende. Med en præcist afstemt ovnprofil hærdes materialerne fuldstændigt og danner et glat og homogent slutresultat.
Afhængigt af den kemiske sammensætning af de anvendte materialer konfigureres Rehm RDS-tørresystemerne individuelt. Forskellige fysiske principper for varmeoverførsel, såsom IR- eller UV-stråling, anvendes for at gøre tørreprocesserne så effektive som muligt.
Kvalitetssikring gennem vedligeholdelse og kalibrering
I validerede medicotekniske produktionsprocesser er regelmæssig vedligeholdelse og kalibrering afgørende for at sikre permanent nøjagtige og reproducerbare doseringsresultater.
En ren doseringsapplikator er et særligt fokusområde og udgør et uundværligt grundlag for en fejlfri påføring. Også her udmærker ViscoTecs præcisionsdoseringssystemer sig: Rotoren kan bevæges både fremad og bagud, hvilket muliggør en programmerbar retraktion og dermed et kontrolleret trådbrud uden dryp. Dette forhindrer uønsket materialeudløb efter doseringstrinnet.
Fig. 4: Præcis materialepåføring på komplekse geometrier med integreret 3D-højdesensor (Billedkilde: Rehm)
Derudover findes der til Rehm Protecto-systemerne et rengøringsbånd, som automatisk rengør doseringsnålene før hver påføringsproces og dermed sikrer en konstant høj doseringskvalitet.
Doseringsprogrammet indlæses softwarestyret og indeholder alle relevante parametre såsom materialetype, dysediameter, doseringsvolumen og flowegenskaber. Den ensartede materialefremføring overvåges desuden ved hjælp af højpræcise vejeceller, så afvigelser kan registreres og forebygges på et tidligt tidspunkt.
For pålideligt at bestemme placering og position, selv ved bløde eller komplekst formede medicinske produkter, er systemerne udstyret med automatisk nålemåling. Denne funktion kontrollerer applikatorerne med faste intervaller og foretager automatisk justering efter behov.
Et integreret fiducial-kamera registrerer referencepunkter, korrigerer nulpunktet og sikrer præcis drift, selv hvis emnet ikke er placeret nøjagtigt i emnebæreren. Derudover kompenserer en 3D-højdesensor automatisk for eventuelle deformationer eller ustabiliteter, f.eks. i meget tynde substrater.
Fleksibilitet og procespålidelighed i regulerede miljøer
I medicoteknik spiller fleksibilitet en central rolle afhængigt af applikationen. Ved prototypeudvikling eller hyppigt skiftende produktvarianter er der typisk tale om et low-volume/high-mix-scenarie: små batchstørrelser, forskellige geometrier og konstant nye krav til materialer og processer. Her er det afgørende, at doseringssystemerne kan tilpasses nye applikationer med minimal omstillingstid.
Fleksibilitet betyder ikke kun hurtige programskift, men også evnen til at behandle en bred vifte af materialer – lige fra højviskose silikoner og lavviskose akrylater til fyldte epoxyharpikser. Moderne systemer skal derfor kunne håndtere forskellige dysetyper, nålelængder, påføringsmønstre og procesparametre automatisk og pålideligt.
Integration i overordnede softwareløsninger spiller ligeledes en central rolle. Materialeparametre og doseringsbaner administreres centralt og indlæses automatisk afhængigt af produktet, hvilket reducerer omstillingstider og øger anlæggenes tilgængelighed.
Samtidig skal man være opmærksom på, at fleksibiliteten i reguleret højtvolumenproduktion, f.eks. ved fremstilling af aktive implantater som pacemakere, naturligt er begrænset. Her er hver produktionslinje valideret til et specifikt produkt, og ændringer af proces, geometri eller materiale er kun tilladt efter omfattende revalidering.
I disse tilfælde prioriteres processtabilitet over fleksibilitet, og doseringssystemerne er som regel skræddersyet præcist til ét produkt.
Samlet set er fleksibilitet fortsat en afgørende faktor, især hvor der er behov for innovative produkter, kundetilpassede varianter eller agile udviklingsforløb. Det er ikke alene en økonomisk fordel, men også en forudsætning for at kunne producere moderne medicoteknik effektivt og sikkert.
Automatisering, regulering og sporbarhed
Lovgivningsmæssige krav som Medical Device Regulation (EU MDR) stiller i stigende grad medicotekniske producenter over for komplekse udfordringer. Ud over procespålidelighed spiller overholdelse af sikkerheds- og hygiejnekrav en central rolle.
Som følge heraf får automatisering stadig større betydning. Dette ses blandt andet i den farmaceutiske industri, hvor EU Annex 1 allerede fra 2023 krævede, at operatørindgreb skulle minimeres mest muligt. Det må forventes, at denne udvikling i stigende grad også vil præge medicoteknikken.
Derudover skal systemerne ofte være egnede til brug i renrum. Rehm Protecto-systemerne til medicotekniske applikationer er f.eks. udviklet til anvendelse i et ISO 7-miljø.
Materialekompatibilitet er ligeledes af stor betydning i alle områder, der kommer i kontakt med doseringsmediet. Dette gælder især de metalliske overflader, som materialerne transporteres igennem. For at sikre biokompatibilitet erstattes aluminiumsoverflader derfor ofte med udførelser i rustfrit stål.
Der anvendes hyppigt UV-hærdende akrylater, biokompatible epoxyharpikser, silikoner og andre særligt godkendte materialer til medicinske doseringsapplikationer. Ved valg af den rette lim eller indstøbningsmasse er et centralt spørgsmål, om der er tale om et permanent implantat, som forbliver i kroppen i mange år, eller et midlertidigt system.
Ved langtidsimplantater skal det anvendte materiale være permanent biokompatibelt, særligt hvis limforbindelsen er i direkte kontakt med væv eller kropsvæsker. Hvis limforbindelsen derimod er indlejret i en biokompatibel indstøbningsmasse eller fuldstændigt indkapslet i et svejst titaniumhus, er det ikke nødvendigvis selve materialets biokompatibilitet, der er afgørende. I sådanne tilfælde er fokus oftere rettet mod egenskaber som vedhæftning og hærdningstid.
Fig. 5: Kundetilpasset linjeløsning med coating/dosering, tørring, håndtering og sporbarhed (Billedkilde: Rehm)
Dataovervågning og analyse er en integreret del af automatiseringen i moderne medicoteknisk produktion og betragtes ikke kun som et kvalitetssikringsværktøj, men også som et regulatorisk krav.
I et valideret produktionsmiljø skal processer kunne spores mange år tilbage. Hvis der opstår et problem, f.eks. hvis enkelte produkter viser fejl hos kunden, er det ikke tilstrækkeligt blot at afgrænse produktionsperioden groft. Systemerne skal kunne identificere præcist, hvilke serienumre der er berørt, hvilke procesparametre der var gældende under doseringen, samt under hvilke betingelser produktet blev fremstillet.
Dette muliggør målrettede tilbagekaldelser uden unødigt at fjerne fejlfri produkter fra markedet.
Grundlaget herfor er en konsekvent sporbarhed med individuelt konfigurerbare grænseflader og kontinuerlig dataopsamling. Temperaturer, materialebatches, serienumre og proceshistorikker kan registreres, synkroniseres horisontalt mellem maskiner og rapporteres vertikalt til overordnede MES-systemer.
Desuden bidrager materiale- og procesinterlocks til ekstra sikkerhed. Inden hver produktionsstart kontrollerer systemet, om det aktuelt indlæste program faktisk svarer til det planlagte produkt og det valgte materiale. Hvis der konstateres afvigelser, frigives processen ikke, og anlægget låses automatisk.
Disse foranstaltninger sikrer en komplet sporbarhed og gør det muligt at reagere øjeblikkeligt på procesafvigelser, hvilket yder et afgørende bidrag til patientsikkerheden inden for medicoteknik.
Fra udvikling til serieproduktion – „Design to Automation“
En særlig udfordring ligger i skaleringen fra prototype til serieproduktion. Nye produkter gennemgår lange udviklings- og valideringsfaser, og først når alle processer er kvalificeret, kan de overføres til serieproduktion.
For at forkorte disse tidsforløb er det afgørende allerede under produktudviklingen at tage højde for den senere automatisering. Denne tilgang er kendt som Design to Automation.
I sit eget Technology Center støtter Rehm sammen med ViscoTec kunder og interessenter allerede i udviklingsfasen ved at gennemføre praktiske forsøg med de originale produkter. Under realistiske forhold kan de optimale procesparametre for den senere serieproduktion identificeres, og potentielle udfordringer kan håndteres på et tidligt tidspunkt.
Dette tætte samarbejde fra starten gør det muligt at fremskynde overgangen fra udvikling til produktion betydeligt og samtidig undgå senere tilpasninger eller revalidering.
Præcis, skånsom og pålidelig: Mikrodosering med ViscoTec og preeflow
Volumetriske doseringssystemer som løsningerne fra ViscoTec og preeflow muliggør kontinuerlig og materialeskånsom dosering af 1-komponent- og 2-komponentvæsker samt pastaer på tværs af et bredt viskositetsområde.
Især inden for medicoteknik, hvor rene og sterile overflader er afgørende, sikrer retraktionsfunktionen et kontrolleret trådbrud uden dryp. Med en doseringsnøjagtighed på op til ±1 % kan limmængder i mikroliterområdet påføres præcist og reproducerbart. Dermed kan selv de mindste komponenter, såsom katetre, balloner eller konnektorer, sammenføjes pålideligt.
Processen sikrer et højt niveau af procespålidelighed.
Afhængigt af kravene anvendes systemerne som selvstændige enheder, i automatiserede anlæg eller integreret i styringssystemer og styreskabe. Særligt de kompakte preeflow-doseringssystemer egner sig både til manuelle doseringsopgaver i laboratoriet eller produktionen og til automatiseret fremstilling af medicotekniske komponenter.
Deres robusthed er allerede dokumenteret inden for bil- og elektronikindustrien og er målrettet blevet tilpasset de høje krav i medicoteknik.
Fig. 6: 1-komponent-trykbeholder vipro-HEAD under limning af en pacemaker (Billedkilde: ViscoTec)(Image source: ViscoTec)
De nye vipro-HEAD-trykbeholdere i medical-grade-udførelse er udviklet specielt til applikationer, hvor sikkerhed, materialekompatibilitet og patientspecifik behandling er i fokus.
Alle produktberørende komponenter er fremstillet af rustfrit stål eller plast- og elastomerbaserede materialer med FDA-certificering. Derudover fås en autoklaverbar version, der tåler temperaturer op til 121 °C.
Med preeflow eco-PEN XS 180 er der desuden adgang til en særligt kraftfuld mikrodoseringsløsning. Systemet er udviklet til meget små doseringsvolumener og betragtes i dag som det mest præcise volumetriske system i sin klasse.
Det kompakte design gør integration i applikationer med begrænset plads lettere og muliggør parallel drift af flere enheder.
Ekscentersnekketeknologien sikrer en ekstremt skånsom transport med lav forskydningsbelastning, hvilket er en væsentlig fordel ved følsomme eller stærkt fyldte limsystemer, som ofte anvendes i avanceret medicinsk udstyr.
Konklusion
Mikrodosering spiller i dag en central rolle i produktionen af moderne medicinsk udstyr. Kombinationen af høj doseringspræcision, materialeskånsom teknologi og dokumenterbar processtabilitet gør det muligt at håndtere selv meget små doseringsvolumener sikkert og reproducerbart.
Med innovative teknologier som ekscentersnekkebaseret dosering, intelligente kalibrerings- og overvågningssystemer samt konsekvent sporbarhed skaber virksomheder som Rehm Thermal Systems og ViscoTec grundlaget for pålidelige, sikre og omkostningseffektive produktionsprocesser inden for medicoteknik.
Forfattere:
Jasmin Fuchs – Sales Manager New Markets, Rehm Thermal Systems
Gianfranco Sinistra – Sales Director Coating & Dispensing, Rehm Thermal Systems
