Biobasierte Kunststoffe für Infusionsbeutel

Katheter, Blutbeutel, Beatmungsschläuche: Medizinische Einwegartikel aus Kunststoff tragen erheblich zur Müllbelastung in Kliniken und zu hohen Treibhausgasemissionen im Gesundheitssektor bei. Dies erfordert innovative Materiallösungen. Biobasierte Kunststoffe bieten eine vielversprechende Alternative zu Kunststoffen auf Erdölbasis, da sie einen geringeren CO₂-Fußabdruck aufweisen und bei der Verbrennung kein zusätzliches CO₂ ausstoßen.

Hier setzt ein Projekt der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) an: Ein Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Diana Völz und Prof. Dr. Ilona Brändlin entwickelt gemeinsam mit der BIOVOX GmbH aus Darmstadt, vertreten durch Dr.-Ing. Vinzenz Nienhaus, einen Kunststoff aus nachwachsenden Rohstoffen für Infusionsbeutel. Das Projekt mit dem Titel ​„Bio_​K_​Sub – Entwicklung eines BioKunststoff-Compound für Medizinprodukte als nachhaltigerem Substitutionswerkstoff“ wird im Rahmen der Innovationsförderung Hessen aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (Förderlinie 3: KMU Verbundvorhaben) mit ca. 500.000 Euro gefördert und läuft noch bis Oktober 2026.

Hohe Anforderungen an biobasierte Kunststoffe

In deutschen Kliniken entstehen laut einer aktuellen Studie durchschnittlich rund 8,3 Kilogramm Abfall pro Patient*in und Krankenhausaufenthalt. Die Wiederverwertung von medizinischen Einweg-Produkten ist aufgrund hoher Hygiene- und Sicherheitsanforderungen stark eingeschränkt, daher wird Medizinabfall größtenteils verbrannt, was die Klimabilanz der Kliniken zusätzlich belastet. Biobasierte Kunststoffe minimieren zusammen mit effektivem Recycling den CO₂-Aussstoß von Medizinprodukten. Sie gelten als nachhaltiger als konventioneller Kunststoff, weil bei ihrer Verbrennung lediglich das CO₂ freigesetzt wird, das die Pflanzen zuvor aufgenommen haben. Zudem bieten sie die Chance, ohne schädliche Additive (wie z.B. Weichmacher) auszukommen.

Für Verpackungen von Medizinprodukten können biobasierte Kunststoffe bereits eingesetzt werden, da ihre Komponenten als stabil und sicher im Kontakt mit dem menschlichen Organismus gelten. ​„Die besondere Herausforderung für unser Vorhaben besteht darin, einen Kunststoff zu entwickeln, der neben der geforderten Biostabilität auch alterungsbeständig ist und z. B. UV-Resistenz aufweist. Hierfür sind spezielle Kenntnisse im Bereich des Compoundierens, also des Beimischens von Zuschlagstoffen zum Erzielen der erwünschten Eigenschaften, notwendig“, erläutert Prof. Dr. Diana Völz, Professorin für Produktentwicklung, Konstruktion und CAD.

Breite Expertise des Forschungslabors Personalized Biomedical Engineering

Die Verbundpartner BIOVOX und Frankfurt UAS – hier insbesondere das Team des Forschungslabors Personalized Biomedical Engineering (PBE), zu dem Diana Völz und die Molekular- und Zellbiologin Ilona Brändlin gehören – verfügen über interdisziplinäre Forschungskompetenzen sowie Laboreinrichtungen und Erfahrung in der Herstellung und Bewertung der biologischen Sicherheit von biobasierten Kunststoffen. Bereits geleistete Vorarbeiten seitens BIOVOX umfassen Kunststoffcompounds für andere Anwendungen, wie z. B. Gehäuse von veganen Schwangerschaftsschnelltests und Griffe für chirurgische Instrumente.

Die Forschung zum Einsatz von biobasierten Kunststoffen für Einwegartikel im Gesundheitssektor wird durch die Arbeit von Maria Heckel ergänzt, die sich in ihrer Promotion mit ökologischen Bilanzierungsmodellen der Biokunststoffe beschäftigt.

Nachweis der Biokompatibilität

Während BIOVOX die ​„Rezeptur“ für das Kunststoffgranulat auf Basis von Zellulose, Zuckerrohr oder Maisstärke entwickelt, erfolgen die angepassten Biokompatibilitätsnachweise und physikalischen sowie chemischen Sicherheitsprüfungen an der Frankfurt UAS. ​„Der Nachweis der Biokompatibilität ist wesentlich für die spätere Marktreife, da dies ein wichtiger Aspekt für die Nutzbarkeit des Werkstoffs ist“, so Ilona Brändlin. Die Analysen der Biokompatibilität der entwickelten Biokunststoffe erfolgen unter ihrer Leitung mithilfe von eukaryotischen Zellkulturen in einem Sicherheitslabor nach dem 3R-Prinzip zur Vermeidung von Tierversuchen (Replace =Vermeiden, Reduce =Verringern, Refine = Verbessern). Die Zugversuche am Kunststoff, die Aufschluss über wichtige mechanische Eigenschaften wie Streckspannung, Streckgrenze und Reißfestigkeit des Werkstoffs geben, erfolgen im Biomechanik Labor.

Etablierung von Werkstoffkreisläufen in der Medizin

Das Forschungsteam erhofft sich weitere wissenschaftliche Erkenntnisse zur Sicherstellung von Alterungs- und Wasserbeständigkeit biobasierter Kunststoffe, die durch umfassende biologische Prüfungen und Einflussanalysen bestätigt werden. ​„Das Projekt weist somit ein erhebliches wirtschaftliches und wissenschaftliches Innovationspotenzial auf und trägt zur Etablierung von Werkstoffkreisläufen und somit zum Erreichen der gesetzten Klimaziele in der Medizinbranche bei“, resümiert Völz.

Die angestrebten Werkstoffeigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit und Einsetzbarkeit des neu entwickelten biobasierten Kunststoffes lassen sich perspektivisch auch für andere medizinische Behälter wie Blutbeutel nutzen.