Chirurgische Instrumente
Hier ist Feuchtigkeit unerwünscht
Wie lassen sich chirurgische Werkzeugen weiter optimieren?
Elektrisch betriebene chirurgische Instrumente, die einem harten Einsatz und hygienischen Reinigungsprozessen ausgesetzt sind, müssen so konzipiert sein, dass sie das Eindringen von Feuchtigkeit begrenzen und deren Auswirkungen abschwächen. Dazu gehören elektrische Komponenten und korrosionsanfällige Materialien, insbesondere der Elektromotor, der das Gerät selbst antreibt.
Der Schutz vor Feuchtigkeit bedeutet eine lange Lebensdauer, die die Kosten der Chirurgie senkt – vor allem, da die chirurgischen Instrumente immer teurer und komplexer werden und mit Sensoren, Feedback- und Kontrollgeräten ausgestattet sind, die die Wirkung auf den Patienten verbessern. Um eine optimale Beständigkeit gegen Feuchtigkeit zu erreichen, arbeiten die Hersteller von chirurgischen Instrumenten zunehmend mit Motorherstellern wie Portescap zusammen, um gemeinsame Konstruktionen zu entwickeln.
Eindringen von Feuchtigkeit verhindern
Die Stelle, an der Feuchtigkeit eindringt, ist häufig das distale Ende des chirurgischen Instruments. Um dies zu verhindern, kann eine dynamische Dichtung zwischen dem Gehäuse des Handstücks und der Welle des Motors verwendet werden. Die Dichtung selbst besteht aus einer speziellen Polymermischung, die auf Temperatur- und Verschleißbeständigkeit ausgelegt ist.
Entscheidend ist jedoch, dass zwischen Dichtung, Gehäuse und Motorwelle ein fester Sitz vorhanden ist, um eine dauerhafte Barriere zu schaffen. Da die Dichtungslippe und die Wellenoberfläche jedoch verschleißen, dringt schließlich Feuchtigkeit ein, sodass der Motor und das Instrument über eine zusätzliche feuchtigkeitsbeständige Technologie verfügen muss.
Feuchtigkeit kann auch über die Verbindungsstellen am Motorgehäuse eindringen, beispielsweise zwischen Motor und Getriebe. Eine hermetische Laserschweißung, versiegelte Gewinde oder O-Ringe können alle unterschiedliche Barrieren gegen Feuchtigkeit bilden.
Ausfall eines mechanischen Bauteils
Um die Widerstandsfähigkeit mechanischer Komponenten gegenüber Feuchtigkeitseinflüssen zu verbessern, müssen die Werkstoffe entsprechend den Herausforderungen ausgewählt werden, mit denen sie konfrontiert sind. Hierfür ist auch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich.
Bauteile aus austenitischem rostfreiem Stahl haben beispielsweise gute Korrosionsschutzeigenschaften gegenüber Kochsalzlösung oder Wasserdampf, weisen aber möglicherweise nicht für alle Bauteile und Anwendungen eine ausreichende Verschleißfestigkeit auf. Martensitischer rostfreier Stahl hat eine geringere Korrosionsbeständigkeit, aber eine höhere Härte, was ihn ideal für Bauteile mit Metallkontakt wie Lager und Zahnräder macht.
Neuere Werkstoffe mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt ermöglichen martensitischen Edelstahl mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit, während zusätzliche Werkstoffe mit Korrosionsschutz und hohen Verschleißeigenschaften, wie PEEK oder PAI, für leicht belastete Bauteile verwendet werden können. Für eine lange Lebensdauer des Motorsystems ist zudem die Wahl der richtigen Schmierung zur Vermeidung von Auswaschungen und zur Verhinderung von Korrosion und Verschleiß von Bedeutung.
Ausfall von elektrischen und magnetischen Kreisen
Auch die Elektronik sollte in einem feuchtigkeitsbeständigen Material geschützt werden. Beim Verguss werden die Bauteile in ein Gehäuse eingesetzt, das mit einer flüssigen Masse wie Silikon oder Epoxidharz übergossen, gefüllt und versiegelt wird, wobei ein Vakuum angelegt wird, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Die Baugruppe wird ausgehärtet. Die Flüssigkeit härtet aus und schützt die Komponenten im Inneren.
Alternativ dazu werden beim Spritzpressen die Bauteile in einen beheizten Formhohlraum eingelegt. Wie beim Vergussverfahren wird dann eine Vergussmasse eingebracht, und die beheizte Form sorgt dafür, dass die Masse flüssig bleibt, um eine vollständige Füllung vor dem Aushärten des Duroplasts zu gewährleisten. Beide Techniken bieten eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie Schutz gegen Temperatur, Vibration und Stöße und bieten eine Zugentlastung für freiliegende Drähte.
Eine alternative Schutzmaßnahme ist die konforme Beschichtung. Konforme Beschichtungen, die häufig aus Parylenen bestehen, werden als verdampftes Gas aufgetragen und bilden eine sehr dünne, feuchtigkeitsbeständige Beschichtung, die praktisch frei von Hohlräumen ist. Die konforme Beschichtung ist jedoch nicht so haltbar wie Verguss- oder Spritzpress-Baugruppen und bietet nicht den gleichen Schutz vor Vibrationen oder Stößen.
Was den magnetischen Kreis betrifft, so kann auch die Feuchtigkeit in der Motorwicklung zu Ausfällen führen. Um den Auswirkungen standzuhalten, sollte Magnetdraht mit einer dicken Isolierung verwendet werden. Die geformten Spulen sollten an die Leiterplatte geformt oder vergossen werden. Um eine Korrosion oder Entmagnetisierung des Dauermagneten zu vermeiden, muss auch die Wahl des Magneten und der Beschichtungstypen entsprechend getroffen werden.
Fazit & Ausblick
Um die Zuverlässigkeit des Geräts gegenüber Feuchtigkeit zu maximieren, sollten Instrument und Motor zusammen entwickelt werden. Portescap entwickelt kundenspezifische autoklavierbare Motoren für OEMs von chirurgischen Geräten entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen. Die Motoren, die Tausenden von Sterilisationszyklen standhalten und weltweit in Operationssälen eingesetzt werden, erhöhen nicht nur die Zuverlässigkeit und senken Kosten, sondern tragen auch zur Verbesserung der Wirkung auf den Patienten bei.
