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Kapitel 1. Einleitung

1.1. Einleitung-Allgemeiner Teil

Der Einsatz von Silikonen in der Industrie ist weit verbreitet und hat seit den 50er Jahren auf breiter Basis Einzug in die unterschiedlichsten Branchen gefunden. Die Möglichkeiten, Silikone in beliebiger Weise zu funktionalisieren und für spezielle Anforderungen gezielt zu synthetisieren, hat zur Etablierung in den verschiedensten Industriezweigen geführt. Dabei kommen die Silikone in stufenlosen Übergängen von flüssigen über halbfeste (plastische) sowie elastischen und schließlich festen Qualitäten zum Einsatz. Mitbestimmend für diese weitreichende Verwendung ist in erster Linie ihre zumeist ausgeprägte Inertheit sowie hohe Thermostabilität.

Außer ihrem Vermögen, als Wirkstoffe eingesetzt werden zu können, sind Silikone in noch größerem Maße als Hilfsstoffe geeignet, um diversen Produkten verbesserte Eigenschaften zu verleihen oder um deren Verarbeitbarkeit zu optimieren. Von den Anwendungsmöglichkeiten als Hilfsstoff seien hier einige genannt:

Glas-/Keramikindustrie	Korrosionsschutz, Formentrennmittel, Hydrophobierungsmittel
Textilindustrie	Faserhydrophobierung, Imprägnierung
Papierindustrie	Trennmittel, Reduktion von elektrostatischer Aufladung
Bautenschutz	Verringerung der Benetzung, Frostschutz, Staub und Schmutzabweisung
Getränkeindustrie	Entschäumer, Glasvergütung
Gummindustrie	Formentrennmittel
Medizin	plastische Chirurgie, Medizinprodukte, Gleitmittel
Pharmazie	Bestandteil von Salbengrundlagen, Gleitmittel, Hydrophobierungsmittel für Gläser, Arzneistoff / Antidot

Eine sehr umfassende Übersicht über die Chemie und technischen Anwendungen von allen Arten von Silikonen gibt Walter Noll in seinem 1968 erschienene Werk [ 1 ]. Weitere, kürzere Übersichtsartikel finden sich bei Moretto [ 2 ] und Tomanek [ 3 ].

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden pharmazeutische Anwendungen im Bereich der Primärpackmittel für Parenteralia näher untersucht.

Da der Begriff Silikone für eine große Anzahl von Substanzen gebräuchlich ist, wird an dieser Stelle bereits eine Präzisierung für die folgenden Abschnitte vorgenommen. Der Begriff Silikone steht im weiteren ausschließlich für die flüssigen Vertreter dieser Stoffgruppe, die Silikonöle.

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1.1.1. Chemie / Nomenklatur und physikalische Eigenschaften

1.1.1.1. Chemische Konstitution

Bei den Silikonölen handelt es sich um polydisperse Gemische unterschiedlich langer und unterschiedlich substituierter, linearer oder cyclischer Siloxanketten. Die Gemische entstehen in katalysierten Syntheseprozessen. Die Darstellung monodisperser Polysiloxane ist technisch ebenfalls möglich, sie ist jedoch aufwendig und erfordert spezielle Aufreinigungen [ 4 ]. Die Polysiloxane bestehen aus alternierenden Atomen von Silicium und Sauerstoff, so daß das charakteristische Merkmal die Si-O-Si -(= Siloxan-) Bindung im Molekülverband ist. An den beiden freibleibenden Valenzen des Siliciums sind verschiedene Substituenten möglich, jedoch ist für die folgenden analytischen Betrachtungen nur die Dimethyl-Variante von Bedeutung.

Chemisch korrekt bezeichnet sind die behandelten Silikonöle also Polydimethylsiloxane, die im allgemeinen als PDMS abgekürzt werden. Sie werden durch nachstehende Formel charakterisiert:

Abb. 1 Struktur von linearen (links) und cyclischen Polydimethylsiloxanen (rechts)

Die Reste am Silicium können auch mit weiteren Siloxanbindungen abgesättigt sein; auf diese Weise kommt man zu verzweigten und vernetzten Silikonen. Erstere bilden dann die Silikonharze, letztere die Silikonelastomere.

1.1.1.2. Nomenklatur

Je nach Funktionalität der Siliciumgruppe (mono-, di-, tri- oder tetrafunktionell) hat man die symbolischen Schreibweisen M, D, T und Q eingeführt:

[M] = R₃SiO_1/2
[D] = R₂SiO_2/2
[T] = RSiO_3/2
[Q] = SiO_4/2

Man kann nach Noll [ 1 ] die folgenden Gruppen unterscheiden:

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• lineare Polysiloxane: sind kettenförmig aus difunktionellen Siloxaneinheiten aufgebaut und enthalten monofunktionelle Endgruppen; Bautyp [MD_nM] od. R₃SiO[R₂SiO]_n SiR₃,
  im Formelbild (R=CH₃).
• verzweigte Polysiloxane: sind ring- oder kettenförmig aus di-, tri- oder tetrafunktionellen Siloxan-Einheiten aufgebaut; Bautyp [M_nD_mT_n].
• cyclische Polysiloxane: sind ringförmig aus difunktionellen Siloxan-Einheiten aufgebaut; Bautyp [D_n].
• vernetzte Polymere: sind ketten- oder ringförmige Moleküle, die mit Hilfe von T- u. Q-Einheiten zu zwei- oder dreidimensionalen Netzwerken verknüpft sind.

1.1.1.3. Physikalische Eigenschaften

Silikonöle sind klare, farblose, neutrale, geruchsfreie, hydrophobe Flüssigkeiten, löslich in Benzol, Toluol und aliphatischen sowie chlorierten Kohlenwasserstoffen.

Kenngrößen:

Molekulargewicht:	1000-150000 [g/mol]
Dichte:	0.90-0.97 [g/ml]
Viskosität:	10-1000000 [cSt.] (kaum temperaturabhängig)
Stockpunkt:	-80 bis -40 [° C]
Schmelzpunkt:	>200 [° C]
Siedepunkt:	läßt sich nur für die sehr niedrigviskosen Öle im Vakuum angeben: die Öle der Viskosität 10-35 cSt. sieden bei ca. 0.5 mbar oberhalb von 200° C

Für die höherviskosen Öle kann nur noch eine Flüchtigkeit in % Masse angegeben werden.

Die Beziehung zwischen Molekulargewicht, Viskosität und Anzahl der enthaltenen Siloxaneinheiten läßt sich für die linearen Polydimethylsiloxane wie folgt aufstellen:

Tab. 1 Molekulargewicht von Silikonölen (modifiziert nach [ 5 ] )

Viskosität [cSt.]	Molekulargewicht	Siloxaneinheiten
0.65	162	2
10	1200	16
100	6700	90
1000	30000	406
10000	60000	810
100000	103000	1400

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1.1.1.4. Synthese

Bei der industriell am häufigsten verwendete Synthese von PDMS werden im ersten Schritt in einer Müller-Rochow Synthese aus Silicium und Methylchlorid verschiedene Chlormethylsilane gebildet (z.B. Dichlordimethylsilan):

nSi + 2n CH₃Cl n(CH₃)₂SiCl₂

Diese werden destillativ getrennt und das erhaltene Dichlordimethylsilan wird durch Hydrolyse oder Methanolyse in Cyclosiloxane und Dihydroxysiloxane umgesetzt:

Hydrolyse:

n(CH3)2SiCl2 + nH2O		[(CH3)2 SiO]n + 2n HCl ; (n= 3,4,5...)
n(CH3)2SiCl2 + (m+1)H2O		HO[(CH3)2 SiO]mH + 2m HCl ; (4 m 100)

Methanolyse:

n(CH3)2SiCl2 + 2nCH3OH		HO[(CH3)2 SiO]nH+ 2n CH3Cl + (n-1)H2O
n(CH3)2SiCl2 + 2nCH3OH		[(CH3)2 SiO]n + 2n CH3Cl + nH2O

Bei der anschließenden Cyclisierung erhöht man die Ausbeute an niedermolekularen Cyclen, indem man die erhaltene Mischung mit KOH versetzt. Dabei entstehen die cyclischen Polysiloxane Octamethylcyclotetrasiloxan (D₄) und Decamethylcyclopentasiloxan (D₅), welche spontan aus der Reaktionslösung abdestillieren und damit das Gleichgewicht nach rechts verschieben.

Sie bilden die Grundlage für die entweder sauer (kationisch) oder alkalisch (anionisch) katalysierte Polymerisation, in der dann Polydimethylsiloxane mit ,-Hydroxy-Funktionen entstehen. Die Reaktionsmischung wird neutralisiert und durch Zugabe von Trimethylchlorsilan Trimethylsiloxy-Endgruppen eingeführt. Nachfolgende Reaktionsgleichungen zeigen als Beispiel eine alkalisch katalysierte Synthese [1 = Startreaktion; 2 = Kettenwachstum; 3 = Kettenabbruch)].

1	[(CH3)2 SiO]4 + OH-		HO[(CH3)2 SiO]3 -Si(CH3)2-O-
2	HO[(CH3)2 SiO](n+2)-Si(CH3)2 -O- + n-1/4[(CH3)2 SiO]4		HO[(CH3)2 SiO]n+2-Si(CH3)2-O-
3	HO[(CH3)2 SiO]n+2-Si(CH3)2-O- + (CH3)3 SiCl		HO[(CH3)2 SiO]n+3-Si(CH3)3 + Cl-

Die aus der Hydrolyse oder Methanolyse erhaltenen Hydroxysiloxane können auch ohne vorhergehende Cyclisierung durch sauer katalysierte Polykondensation weiter in PDMS übergeführt werden. Tab. 2 gibt einen Überblick über die gängigsten industriellen Syntheseverfahren:

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Tab. 2 Synthese von Polydimethylsiloxan (modifiziert nach Moretto et al. [ 2 ])

Verfahren	anionische Polymerisation	kationische Polymerisation	Polykondensation
Startmaterial	D4	D4	HO[(CH3)2 SiO]nH
Katalysator	KOH	H2SO4	(PNCl2)x
Konz. Katalysator [ppm]	5 - 20	100 - 1000	5 - 200
Polymerisationszeit [min]	10 - 90	15 - 30	10 - 20
Reaktionstemperatur [° C]	140 - 180	20 - 160	40 - 160
Flüchtige Oligomere in der Reaktionsmischung [%]	13	13	2
Regulator	MDxM	MDxM	[R(CH3)2 Si]2 NH
Neutralisierung	H3PO4	ZnO / Na2CO3	Amine

Die Kinetik der Polymerisationsreaktion von PDMS bei saurer und basischer Katalyse sowie die Molekulargewichtsverteilungen von cyclischen und linearen PDMS nach Einstellung eines Gleichgewichtes wurden ausgiebig von Carmichael und Heffel untersucht [ 6 , 7 ].

1.1.2. Hersteller und Typen von Silikonölen

Es gibt zahlreiche Hersteller von Silikonprodukten, von denen hier nur die wichtigsten erwähnt werden sollen.

1. Dow Corning Corporation in Midland, Michigan, U.S.A. Europa
   & Dow Corning healthcare industries Cedex Frankreich
2. Bayer Industrieprodukte GmbH & Co. KG, Leverkusen, Deutschland
3. Wacker-Chemie GmbH, München, Deutschland

Alle drei Konzerne haben Firmen- und Vertriebssitze weltweit.

ad 1.) Die Fa. Dow Corning ist ohne Einschränkung der wichtigste Produzent und Vertreiber von Silikonölen und sonstigen Silikonprodukten. Hier sind auch die umfangreichsten Forschungsarbeiten sowohl zu Chemie und Analytik als auch zur Toxikologie von Silikonen durchgeführt worden.

So wurde das von A. L. Smith verfaßte Buch über die Analytik von Silikonen [ 8 ] ausschließlich von Mitarbeitern von Dow Corning gestaltet. Die 1991 erschienene Neuauflage [ 9 ] aktualisiert das Wissen und belegt die führende Position der Dow Corning-Analytiker in dieser Hinsicht.

Die für den medizinisch pharmazeutischen Bereich relevanten Produkte sind:

• DC 360 Medical Fluid , Viskosität 20, 100, 350, 1000 + 12500 [cSt.]
• DC 360 Medical Grade Emulsion 36% NF (enthält 350 cSt. Silikonöl)

ad 2.) Der Bayer-Konzern (seit 1998: GE-Bayer-Silicones) bietet ebenfalls Silikonöle für verschiedenste Zwecke an.

Der Name eines Bayer-Mitarbeiters ist mit dem Fortschritt in der Silikonforschung eng verbunden: Walter Noll. Er kann sogar als Wegbereiter der modernen Silikonforschung in Deutschland angesehen werden, wobei weniger die chemische Analytik als viel mehr die

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Die für die pharmazeutische Industrie bedeutenden Silikonöle sind:

• Baysilone-Öl-MPH, Viskosität 50, 100, 300, 350, 500, 1000, 1500 + 12500 [cSt.]
• Baysilone-Ölemulsion-H : enthält Baysilone-Öl-M 100
• Silikonölemulsion GE-SM 2035 (36%)

ad 3.) Auch von Wacker-Chemie wird ein umfangreiches Sortiment an Silikonprodukten angeboten. Die Silikonöle, deren Eigenschaften den Monografien "Dimeticon" von USP und EuAB entsprechen, heißen Silikonöl AKF und sind in allen Viskositätsstufen verfügbar.

Zur Glashydrophobierung wird auch eine wäßrige Emulsion angeboten:

• Silikonölemulsion Pharsil E10-49 (36%, nichtionogen)

Zusammensetzung von wäßrigen Silikonölemulsionen:

(allgemeine Angaben über Produkte verschiedener Hersteller)

• Konzentration ca. 36%
• Emulgatoren vom nichtionischen Typ mit PEG-Anteilen
• teilweise Konservierungsmittel auf Basis aromatischer Carbonsäuren

1.1.3. Pharmazeutische Verwendung von Silikonölen

Von der therapeutischen Verwendung als Arzneistoff ist die Anwendung als Hilfsstoff zu unterscheiden.

1.1.3.1. Therapeutische Verwendung

In der Arzneitherapie hat das Polydimethylsiloxan wegen seiner ausgeprägten Oberflächenaktivität als Entschäumer Eingang gefunden. Als INN-Bezeichnung für den Stoff wurde Dimeticon festgelegt. Oral eingenommen werden Flüssigkeitsblasen im Magen-Darm-Trakt rasch zerstört. Dies wird zur Behandlung von Meteorismus und Flatulenz ausgenutzt (Handelspräparate u.a.: Rennie-Defarin^®, Lefax^®, SAB-simplex^®). Wichtig ist auch die Stellung des Dimeticons als Notfallmedikament, welches bei oralen Vergiftungen mit Tensiden oder ähnlich schäumenden Substanzen unter Umständen lebensrettend wirkt, oder Aspirationpneumonien zu verhindern vermag.

Nennenswert ist auch noch die Verwendung als Bestandteil von Salbengrundlagen v.a. in Hautschutzsalben (wegen ihrer hohen Hydrophobizität). Sie werden daher "bei Harninkontinenz, zur Prophylaxe von Dekubitus und Windeldermatitis und ähnlichen Indikationen (...)" eingesetzt [ 10 ].

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1.1.3.2. Verwendung als Hilfsstoff

Vor allem bei der Herstellung von festen, einzeldosierten Arzneiformen werden Silikone in Form von Überzügen eingesetzt. Bei Tabletten, Dragees und Gelatinekapseln lassen sich dadurch die Lagerbeständigkeit und Wasserdurchlässigkeit verbessern.

Bei der Tablettierung werden Silikone als Formentrennmittel zugesetzt.

Wichtiger ist jedoch der Einsatz der Silikonöle im Primärpackmittelbereich, hauptsächlich in der Parenteralia-Fertigung für folgende Einsatzgebiete:

Hydrophobisierung der Innenoberflächen von Glaspackmitteln durch Einbrennsilikonisierung

• geringe Wandhaftung von Lösungen und Emulsionen, Optimierung der
• Entnehmbarkeit durch verbessertes Ablaufverhalten
• Beeinflussung der Adsorption von Arznei- oder Hilfsstoffen an der Glaswand
  (Bei den meist wäßrigen Arzneimitteln ist eine Verringerung der Adsorption erwünscht)

Verwendung als Gleitmittel in vorgefüllten Glasspritzen und -kartuschen, Aufbringen ebenfalls durch Einbrennsilikonisierung:

• Haft- und Gleitreibungsreduktion zwischen Wand und Gummistopfen
• Gewährleistung von Funktionalität und Sicherheit
• erhöhte Bruchsicherheit

Verwendung in Kunststoffspritzen und -kartuschen als Gleit- und Hydrophobiermittel, Einbringen durch Verdüsungsverfahren, kein Einbrennen möglich.

Silikonisierung von Gummistopfen (Waschverfahren)

• als Formentrennmittel in der Produktion [ 11 ]
• als Trennmittel (Bulkware)
• zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit
• zur Haft- und Gleitreibungsreduktion in Spritzen

1.1.4. Arzneibücher

Von Bedeutung sind vor allem die Monographien des EuAB und der USP 23, speziell im NF 18. Während die USP nur eine Monographie zu diesem Thema führt (="Dimethicone"), gibt es im Europäischen Arzneibuch zwei Monographien zu Silikonölen:

"Dimeticon" beschreibt den als Entschäumer verwendeten Arzneistoff, wobei eine chemische Spezifizierung als reines Polydimethylsiloxan mit Trimethylsiloxy-Endgruppen wie in der USP nicht vorgenommen wird. Die zweite Monographie "Silikonöl als Gleitmittel" ist Grundlage für die Anwendung von PDMS in der Packmittelvergütung. Die Spezifikationen der Arzneibücher sind in der folgenden Tab. 3 zusammmengefaßt:

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Tab. 3 Silikonölspezifikation durch verschiedene Arzneibücher

Arzneibuch \|[xrArr ]\|	Pharm. Eur.	Pharm. Eur.	USP NF 18
Monographie \|[xrArr ]\|	Siliconöl als Gleitmittel	Dimethicon "Arzneistoff"	Dimethicone "Arzneistoff"
Chemie	PDMS	PDMS	PDMS mit TMS - Endgruppe
Polymerisationsgrad	n = 400-1200	n = 20-400	----------------
Viskosität [cSt.]	1000-30000	20-1000	20-12500
Identität	• kinematische Viskosität bei 25° C • IR - Spektrum ent- spricht Silikonöl CRS • Chromotropsäure- reaktion	• kinematische Viskosität bei 25° C • IR - Spektrum ent- spricht Silikonöl CRS • Chromotropsäure- reaktion	• IR - Spektrum ent- spricht PDMS CRS
sauer reagierende Substanzen	0.15 ml 0.01 N NaOH / 2 g (Bromthymolblau)	0.15 ml 0.01 N NaOH / 2g (Bromthymolblau)	0.10 ml 0.05 N KOH / 15 g (Bromphenolblau)
Mineralöle	< 0.1 ppm Chinin-SO4	< 0.1 ppm Chinin-SO4	----------------
Phenylverbindungen	Brechungsindex n < 1.410	UV-Absorption < 0.2 5g in10 ml Cyclohexan	n = 1.4013-1.4053 25° C (1000 + 350 cSt.)
Flüchtige Bestandteile (gravimetrisch)	< 2 % 2 g / 24h bei 150° C	< 0.3 % 1 g / 2h bei150° C	< 2 % 15 g / 4h bei 200° C
Schwermetalle	< 5 ppm (Dithizon)	< 5 ppm (Dithizon)	< 10 ppm ( H2S - Nd.)
spezifisches Gewicht	-	-	0.967-0.975 für 1000 cSt.
Pyrogene	-	-	Kaninchen
System.Injektionstest	-	-	Mäuse
Intracutan-Reiztest	-	-	Kaninchen

Außerdem werden im jeweiligen Reagenzienteil von der USP "Polydimethylsiloxane RS" und im EuAB "Polydimethylsiloxane R" spezifiziert (sowie einige Phenylmethylsilikone als Stationärphasen in der GC).

Das japanische Arzneibuch führt Silikonöl nur im Reagenzienteil mit der Spezifikation einer Viskosität zwischen 20 und 100 cSt.

1.1.5. Medizinische Verwendung von Silikonölen

Im medizinischen Bereich werden Silikone ebenfalls häufig eingesetzt. Flüssige oder plastisch-gelartige Silikone werden vor allem in der rekonstruktiven bzw. kosmetischen Chirurgie eingesetzt. In Brustimplantaten, die nach Brustabnahme oder nur zum Zweck der Brustvergrößerung in den Körper eingebracht werden, befinden sich eine Vielzahl unterschiedlicher Silikone, die nicht nur auf Dimethylsiloxane beschränkt sind. Sogenannte medical-grade Silikonöle werden injiziert, um kosmetische Verbesserungen des Aussehens im Gesichtsbereich zu bewirken. Eine Zusammenfassung und Bewertung geben Selmanowitz und Orentreich [ 12 ].

Silikonöle kommen weiterhin als Gleitmittel für Blasenkatheter zum Einsatz.

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Auch Einmalartikel wie sterile Spritzen sind, wenn Gummistopfen verwendet werden, silikonisiert, um eine sichere und funktionelle Anwendung zu ermöglichen.

1.1.6. Medical-grade Silikonöl

Der in der Literatur und vor allem von Herstellern häufig verwendete Begriff "medical-grade" ist nicht eindeutig definiert. Es sollen damit Silikonölqualitäten beschrieben werden, welche für den Gebrauch im medizinisch-pharmazeutischen Bereich geeignet sind.

Im Fall der Produkte der Fa. Dow Corning sind dies die Silikonöle mit der Zusatzbezeichnung "medical-fluid" oder "medical-grade-emulsion" für die Silikonölemulsion. Sie entsprechen in ihren Eigenschaften der Monographie Dimeticone des National Formulary in der USP 23.

Nach Riffkin [ 13 ] versteht der Hersteller darunter, daß die Biokompatibilität durch Studien belegt wurde. Die Ergebnisse sind dann Bestandteil der Produktinformation [ 13 ].

Die Bayer AG vertreibt unter dem Namen Baysilone-Öl MPH reine PDMS-Öle, die für die Verwendung im Medizin- und Pharmabereich spezifiziert sind. Dies schließt die Konformität mit den Monographien des Europäischen Arzneibuches ein.

Unter der Produktbezeichnung Silikonöl AK bringt die Fa. Wacker-Chemie AG diese Öle auf den Markt. Bei Selmanowitz [ 12 ] wird darunter sowohl Partikelfreiheit und Sterilität des Produktes als auch das Freisein von Zusätzen verstanden.

Braley [ 14 ] teilt medical-grade Silikone in Silikongummi für medizinische Zwecke und medical-grade Silikonöle ein. Die erstgenannten unterscheiden sich von gewöhnlichem Gummi durch ein nur kleines Spektrum von Zuschlagstoffen wie Vulkanisierinitiatoren und Füllstoffen, die als unbedenklich gelten und für das Material zugelassen sind. Medical-grade-Silikonöle gewährleisten "physiologische Indifferenz" [ 14 ].

1.1.7. Toxikologische Bewertung von Silikonölen

1.1.7.1. Allgemeines

Die Bewertung der Effekte von flüssigen Silikonen ist seit dem Beginn der Verwendung im medizinisch-pharmazeutischen Bereich nicht eindeutig.

Aufgrund der chemischen Inertheit der Silikonöle sind keine direkten Gefahren zu erwarten, wenn diese Substanzen in den menschlichen Körper eingebracht werden. Dies reflektiert auch die herstellernahe wissenschaftliche Meinung [ 15 ]. Von unabhängigen Kreisen werden die Unbedenklichkeit jedoch auch angezweifelt und gesundheitliche Risiken angenommen [ 16 ].

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Je nach Einsatzgebiet bzw. Aufnahmeweg in den Körper bestehen Erfahrungen zur physiologischen Verträglichkeit, die durch Studien belegt wurden.

Eine Diskussion der toxikologischen Aspekte von Silikonölprodukten wurde 1988 von Smith et al. [ 17 ] vorgenommen. Einen monographischen Artikel zur Bewertung des Einsatzes in der kosmetisch-rekonstruktiven Chirurgie verfaßten Selmanowitz und Orentreich [ 12 ]. Einige andere Autoren trugen ebenfalls toxikologische Aspekte von flüssigen Silikonen zusammen [ 15 , 16 , 18 , 19 ]. Ein großer Teil der Studien [ 15 , 20 , 21 ] wurde unter Federführung der Fa. Dow Corning durchgeführt, um die Unbedenklichkeit ihrer Produkte zu belegen. Die Beurteilung der Ergebnisse muß deswegen gerade hier sehr vorsichtig erfolgen. Auf Anfrage ist eine Zusammenfassung der Biokompatibilitätsdaten der Silikonöle mit den Ergebnissen der aktuellen Studien ("internal reports") [ 22 ] zugänglich.

1.1.7.2. Toxizität von injizierten Silikonölen

Dieses Thema ist beim Einsatz von Silikonöl in parenteralen Arzneiformen wie Spritzen, Kartuschen oder Vials wichtig , weil bei der Applikation der entsprechenden Arzneimittel eine Injektion geringer Mengen von Silikonölen nicht ausgeschlossen werden kann. Aber auch für die Verwendung der Silikonöle in der plastischen Chirurgie ist diese Betrachtung relevant.

Andrews [ 23 ] untersuchte die zelluläre Reaktion nach der Injektion von Silikonöl in Bindegewebe von Mäusen. Verwendet wurde DC-360 medical-fluid. Anhand der histologischen Untersuchung verschiedener Organe konnte keine klinisch relevante Veränderung festgestellt werden. Es zeigte sich, daß die Silikonpartikel nicht nur von Makrophagen, sondern auch von Monozyten und Neutrophilen phagozytiert wurden. Die betreffenden Makrophagen bildeten dabei durchscheinende Vakuolen, in denen das Silikon abgelagert wurde.

Calandra et.al [ 15 ] berichten über Reaktionen auf die intradermale und subkutane Injektion von Silikonölen einer Viskosität zwischen 0.65 und 12500 cSt. Irritationen imponierten danach nur bei Hexamethyldisiloxan, dem kurzkettigsten linearen Oligomer. Subsumierend kommen sie zum Ergebnis, daß Polydimethysiloxane "bemerkenswert unproblematisch" hinsichtlich toxikologischer Probleme sind.

Hawthorne [ 24 ] publizierte über hämatologische Effekte nach subcutaner Injektion von Silikonölen. Zwar bildeten einige rote Blutkörperchen multiple Vacuolen in der Cytoplasmaperipherie aus, doch blieb dieser Befund ohne klinische Relevanz. An weißen Blutzellen ebenso wie am Differentialblutbild ließen sich keine Veränderungen feststellen [ 24 , 16 ]. Bei intravenöser Injektion von Silikonöl DC 200 (350 cSt.) wurde eine Dosis von 0.1 g/kg von Kaninchen ohne ersichtliche Symptome vertragen. In der gleichen Studie wurde eine LD₅₀ von 0.5 g/kg ebenfalls an Kaninchen festgestellt. Die Todesursache war dabei eine Akku-

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Kimura et al. [ 19 ] berichten über eine Studie nach intravenöser Injektion des Entschäumers ”Antifoam A“ von Dow Corning (PDMS). Dabei wurde an Hunden eine LD₅₀ von ca. 1 ml/kg festgestellt. Todesursache waren ebenfalls embolische Prozesse in der Lunge. Intraarteriell lag die LD₅₀ erwartungsgemäß viel niedriger bei 0.02 ml/kg [ 19 ].

Selmanowitz und Orentreich [ 12 ] beobachteten ebenfalls eine leichte Phagozytoseaktivität und ein geringes Ausmaß einer Riesenzellbildung, die jedoch keine Entzündungsprozesse oder Granulombildung nach sich zog. Bei Injektion ins Gewebe kommt es teilweise zu einer leichten Fibrosebildung, deren Exazerbation aber überraschenderweise durch intermittierende Applikation von geringen Mengen Silikonöl vermieden werden kann [ 12 ].

Auftretende lokale Entzündungsreaktionen können mit Kortikosteroiden leicht behandelt werden [ 12 ]. Andere Autoren [ 16 ] bezweifeln jedoch die hier nachgewiesene hohe biologische Verträglichkeit und weisen ihrerseits auf bestehende Risiken hin.

1.1.7.3. Orale Toxizität

Oral aufgenommen werden die Silikone nahezu gar nicht resorbiert [ 19 ]. Nur sehr kurzkettige Oligomere können zu einem bestimmten Anteil aufgenommen werden. Der größte Anteil findet sich unverändert in der Faeces wieder, nur geringe Mengen werden renal ausgeschieden [ 15 ].

Eine Biotransformation von Siloxanen im menschlichen Körper wird nicht angenommen. Dennoch könnten die nach Injektion und oraler Aufnahme geringen im Urin auftretenden Mengen möglicherweise metabolisch verändert sein [ 15 ]. Daten über nachgewiesene Metaboliten existieren jedoch nicht [ 15 ].

Ein weniger kontroverses Bild als bei der parenteralen Toxizität zeigt die Literatur betreffend der Verträglichkeit von Silikonölen bei oraler Aufnahme. Die Bewertung spielt hinsichtlich des Einsatzes als Antiflatulenzmittel als auch seiner Verwendung als Entschäumer in Fruchtsaftgetränken und Bier eine Rolle.

Calandra et al. [ 15 ] schließen aus den Ergebnissen einer 2-jährigen hochdosierten Studie mit PDMS-Ölen einer Viskosität zwischen 0.65 und 60000 cSt. mit und ohne signifikanten Gehalt von niedermolekularen oder cyclischen Spezies, daß sich keine Hinweise auf eine akute Toxizität oder Karzinogenität ergeben. Letztere wurde bei Kaninchen mit einer LD₅₀ von ca. 50 g/kg bestimmt [ 19 ].

MacDonald et al. [ 25 ] konnten in einem 90 Tage dauernden Versuch an Ratten mit 1% Silikon in der Nahrung keine Symptome einer subakuten Toxizität finden.

Rowe et al. [ 21 ] fanden ebenfalls keine toxischen Effekte bei oraler Verabreichung von einigen Dow Corning-Silikonölen, die teilweise auch andere Substituenten statt Methylgruppen enthielten.

Bei einer anderen Studie [ 19 ] fanden sich Schäden im renalen Tubulusapparat nach der Anwendung einer einprozentigen Silikondiät.

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1.1.7.4. Karzinogenität

Nach verschiedenen Autoren kann eine krebsauslösende Wirkung durch reine Polydimethylsiloxane nicht angenommen werden. Bei der Auswertung der Krebsinzidenz von 10000 mit PDMS plastisch behandelten Patienten konnte kein Zusammenhang zwischen Injektion und Krebsrate gefunden werden [ 13 ]. Bischoff berichtet jedoch über eine Studie an weiblichen Mäusen, bei denen die Karzinomrate nach Injektion von Silikonöl in den Brustbereich signifikant anstieg [ 15 ].

Bis heute wurde dieser Befund nicht eindeutig abgesichert, obwohl immer wieder versucht wurde, Zusammenhänge zwischen z.B. Brustimplantaten und Mammakarzinomen herauszufinden [ 26 ].

1.1.7.5. Immunogenität

Viel intensiver diskutiert wird der Zusammenhang zwischen Silikonimplantation und Folgeerkrankungen wie Sklerodermie oder Autoimmunkrankheiten wie rheumatoider Arthritis [ 27 , 28 ]. Auch das Auftreten von Bindegewebserkrankungen wird kontrovers beurteilt [ 29 , 30 ].

Es zeigt sich aber, daß in diesem Bereich mit hoher Wahrscheinlichkeit Zusammenhänge bestehen.

1.2. Einleitung - Spezieller Teil

1.2.1. Silikonisierung von Glas

Von den industriellen Silikonisierverfahren ist besonders die Glassilikonisierung von Bedeutung, ein komplexer Prozess, welcher spezielle Wechselwirkungen zwischen Glasoberfläche und Silikonölbeschichtung bewirkt. Das gewünschte Ergebnis ist eine dauerhafte und chemisch beständige Hydrophobisierung der Glasflächen sowie der Verbleib einer gleitfähigen Schicht im Falle von vorgefüllten Spritzen und Kartuschen.

Dadurch wird einerseits das bereits erwähnte Ablaufverhalten ( 1.1.3.2 ) von hydrophilen Inhalten bewirkt (siehe Abb. 14 / Abb. 15 ) und andererseits die Funktionalität gewährleistet.

Die Glassilikonisierung ist nicht auf die Hohlglas-verarbeitenden Industriezweige beschränkt. So werden auch Windschutzscheiben von Kraftfahrzeugen silikonisiert, um bei Regen besseres Ablaufverhalten zu erreichen [ 31 , 32 ]. Nicht sachgerecht fixierte Silikone können dagegen auch zu gegensätzlichen Effekten führen [ 33 , 34 ].

1.2.2. Verfahren der industriellen Glassilikonisierung

Seit den 30er Jahren ist die Verwendung von Silikonen als Beschichtungsmaterial für Gläser gebräuchlich. Dabei bieten sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahren an [ 35 ]:

• Erzeugung von Silikonfilmen aus Monomeren mit Polymerisierung an und direkter Bindung mit der Glasoberfläche

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• Erzeugung von Silikonfilmen aus Lösungen oder Emusionen von oligo- bzw. polymeren Dimethylsiloxanen und anschließender "thermischer Fixierung"

Nach Noll [ 35 ] hat die chemische Verwandtschaft der organischen Siloxane mit den anorganischen, amorphen Glasoberflächen zur Folge, daß an der Grenzfläche stärkere Kräfte wirken als bei der Silikonisierung nicht-silicatischer Werkstoffe. Dies wird durch die Gegenüberstellung in Abb. 2 verdeutlicht.

Abb. 2 Ableitung von Silicontypen aus der Struktur des SiO₂ - Glases (aus: [ 35 ])
o = Sauerstoff = Methylgruppe = Silicium

1.2.2.2. Silikonisierung mit Monomeren

Grundsätzlich geeignet sind dazu entweder Methylchlorsilane oder salzartige Silikonverbindungen, wobei sich letztere in der Praxis mehr durchgesetzt haben [ 35 ]. Die genannten Methylchlorsilane können wegen ihres hohen Dampfdruckes aus der Gasphase eingesetzt werden, sind aber wegen ihrer Reaktionsbereitschaft und Toxizität nicht einfach zu verwenden. Bei der Reaktion an der Glasoberfläche spielt die dort vorhandene Wasserhaut eine wichtige Rolle. Die Reaktionen können durch folgende Gleichungen beschrieben werden:

(CH3)2 SiCl2 + 2 H2O		(CH3)2 Si(OH)2 + 2 HCl
n(CH3)2 Si(OH)2		[(CH3)2 SiO]n + n H2O

Bei der Silikonisierung ausgehend von einer salzartigen Silikonverbindung wird wie folgt vorgegangen: Man bringt eine Lösung von Natriummethylsiliconat (Mono-Na⁺-Salz des Methyl-Trihydroxy-Silans) auf den Untergrund auf und läßt in situ eine Reaktion mit CO₂ aus der Luft ablaufen:

2 CH3Si(OH)2 ONa + CO2 + H2O		2 CH3Si(OH)3 + Na2CO3
n CH3Si(OH)3		(CH3SiO3/2)n + n H2O

14

Die chemische Bindung von mit Silanen erzeugten Silikonschichten auf der Glasoberfläche beschreibt auch L.H. Lee [ 36 ]. Eingesetzt wurden verschiedene Silane mit reaktiven funktionellen Gruppen [ 36 ]. Als Zwischenstufe treten Silantriole auf, die zunächst mit einer ihrer Hydroxylfunktionen eine H-Brücken-Bindung zu einer OH-Gruppe der Glasoberfläche ausbilden.

Abb. 3 Reaktion von Chlorsilanen an hydratisierter Glasoberfläche (modif. n. Noll [ 1 ])

Durch diese Adsorption werden die Silanmonomere auf der Oberfläche organisiert und angenähert. Im folgenden kommt es dann unter Wasseraustritt zu einer Kondensation der Monomeren untereinander ( Abb. 4 ).

Der Grad der Hydrophobierung ist von den Substituenten der eingesetzten Ausgangsmaterialien abhängig und kann durch Randwinkel- und Oberflächenspannungsmessung beurteilt werden. Je größer der gemessene Randwinkel, desto stärker die Hydrophobierung. Die Dicke der entstandenen Schicht liegt nach Lee bei ca. 8 Moleküllagen [ 36 ].

Die Monomeren-Verfahren haben sich im großen Maßstab nicht durchgesetzt, da sie nicht nur schwerer zu beherrschen (HCl-Freisetzung), sondern auch kostenintensiv sind. Wegen der einfacheren Handhabung stehen die Oligomeren-Verfahren heute im Vordergrund, speziell das Aufziehen aus wäßriger Emulsion.

1.2.2.3. Silikonisierung mit Polydimethylsiloxanen

Das Silikonisieren von Hohlglas wurde zuerst von der Getränkeindustrie großtechnisch durchgeführt, nachdem man erkannt hatte, daß die Entleerbarkeit und, wichtiger, die Bruchsicherheit dadurch deutlich zu verbessern waren. Noch vor Einführung der Einbrennsilikonisierung behandelte man Getränkeflaschen von außen mit Silikonöl und erzielte dadurch bereits stark verminderte Bruchraten [ 37 , 38 ]. Eine Etikettierung war danach allerdings nicht mehr möglich, so daß das Verfahren nie wirklich zum Einsatz kam.

15

Abb. 4 Bildung linearer Polysiloxane an der Glasgrenzfläche (modifiziert nach Lee [ 36 ])

Anfang der 60er Jahre hat sich das Silikonisierverfahren auch bei pharmazeutischen Gläsern durchgesetzt [ 39 , 40 ]. Als zusätzlicher, nützlicher Gesichtspunkt wurde eine verminderte Alkaliabgabe der Gläser erkannt [ 39 ].

1.2.2.4. Durchführung der Silikonisierung

Die Glassilikonisierung im Lebensmittel- und Pharmabereich wird ausschließlich mit Silikonölen in wäßrigen Emulsionen durchgeführt. Dabei werden die Stammemulsionen, die typischerweise 33-38% Polydimethylsiloxan (siehe 1.1.2 ) enthalten, vor der Anwendung auf Konzentrationen von 0.5-1.5% verdünnt. Der hohe Wasseranteil erlaubt ein Arbeiten mit geringen Mengen und begünstigt außerdem die Spreitung des Silikonöls auf der Glasoberfläche.

Das Einbringen des Silikonöls erfolgt im Tauchbad, als Spülung oder mit Sprühdüsen; nur die letzten beiden Verfahren sind aber für definierte technische Prozesse anwendbar. Üblicherweise wird der Aufgabeschritt in den Waschprozess integriert bzw. an diesen angeschlossen. Schon früh wurden dafür spezielle Maschinen entwickelt [ 40 ].

Danach wird der aufgebrachte Silikonölfilm "hitzefixiert", was den wichtigsten Schritt im Prozessablauf darstellt. Nicht eingebrannte Silikonfilme, die z.B. aus Lösungen nach Abdampfen des Lösemittels entstehen, haben ein geringeres Haft- und Hydrophobiervermögen. Auch wenn diese Öle anschließend eingebrannt werden, ist die Güte der Hydrophobisierung derjenigen aus den Emusionen unterlegen.

Die Hitzebehandlung hat zusätzlich das Ziel, das Material zu sterilisieren bzw. entpyrogenisieren.

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V.Czetsch-Lindenwald [ 39 ] schlägt 250-300° C für 1h vor. Noll und Weißbach setzen den Bereich für die benötigten Reaktionstemperaturen zwischen 200 und 400° C an, optimalerweise oberhalb von 300° C [ 35 ]. Kuntscher gibt 200-300° C bei 2h an [ 40 ]. Riedel berichtet von 230-300° C [ 41 ]. Aber auch bei 50° C lassen sich 2-3 h nach der Behandlung deutliche Anstiege des Randwinkels beobachten [ 34 ]. Die Qualität der Silikonisierung, gemessen an der Größe des Randwinkels, untersuchten Noll und Weißbach an Hand verschieden substituierter Silikonöle und dem Vergleich von Silikonöllösungen mit -emulsionen [ 35 ]. Dabei zeigt sich ein maximaler Effekt bei einer Einbrenntemperatur von 400° C ( Abb. 5 ).

Abb. 5 Randwinkel von silikonisierten Gläsern. links: Vergleich verschieden substituierter Silikonöle; rechts: Vergleich der Silikonisierung aus organischer Lösung und wäßriger Emulsion (modifiziert nach [ 35 ])

Rieder und Steinbach [ 32 ] berichten jedoch von einer allmählichen Verschlechterung des Hydrophobiereffektes (absinkende Randwinkel) bei Temperaturen oberhalb 300° C und längeren Einbrennzeiten (t > 20 min) am Beispiel des Produktes Baysilone Ölemulsion-H.

Zusammenfassend sollten bei der Silikonisierung zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses Emulsionen eingesetzt und beim Einbrennen Temperaturen zwischen 300 und 350° C für ca. 10-30 min. angewendet werden.

• In einem typischen Silikonisierverfahren werden folgende Schritte durchgeführt:
• Düsenspülung der Behältnisse mit Wasser für Injektionszwecke
• Drucklufttrocknung
• Einsprühen oder Einspülen der Silikonölemulsion
• Absaugen der überschüssigen Emulsion und Aerosole

  ---

  17

• Durchlauf eines Heißlufttunnels für 20-30 min (12-15 min im Heißteil) auf Transportbändern (gleichzeitige Sterilisation und Entpyrogenisierung) zum Einbrennen des Silikonöls
  

Die wichtigsten Variablen, die den Prozess beeinflussen, sind:

• Temperatur- und Zeitbedingungen beim Einbrennen
• Art des enthaltenen Silikonöls in der Emulsion (Viskosität)
• Zusammensetzung (Hilfsstoffe) und Konzentration der Emulsion
• Art und Qualität des Glases (hydrolytische Resistenz, Zusammensetzung)

1.2.2.5. Hypothesen über chemisch-physikalische Vorgänge beim Einbrennen von Silikonölfilmen auf Glasoberflächen

Solange die Silikonisierung von Gläsern mit wäßrigen Silikonölemulsionen durchgeführt wird, gibt es verschiedene Annahmen zu den Prozessen, die sich dabei abspielen. Sie werden an dieser Stelle zusammengefaßt, um den diesbezüglichen Stand des Wissens zu dokumentieren.

Von Noll und Weißbach [ 35 ] wurden die detailliertesten Vorstellungen zu diesem Vorgang eingebracht. Die Zerstörung des Emulgators durch Hitze macht eine Spreitung des PDMS aus der Emulsion erst möglich, bei der dann eine geordnete molekulare Anordnung der Siloxanmoleküle auf der Glasoberfläche eintritt. Weiterhin schreiben sie, daß bei der Einbrennsilikonisierung "mehr als nur eine Abdeckung der Oberfläche mit einem indifferenten Belag stattfindet" [ 35 ] und stellen daraufhin einige Theorien zur Diskussion:

• das Vorhandensein einer Wasserhaut auf der Festkörperoberfläche, die für die Prozesse mitbestimmend ist
• eine Abnahme der Molekülorientierung in den aufliegenden 10-30 Moleküllagen und dadurch Zunahme des Ölcharakters in den glasfernen Schichten
• Wasserstoffbrückenbindung zwischen Silanolgruppen der Oberfläche und Siloxan-sauerstoff der Silikone, die allerdings für die Stärke der Bindung nicht maßgeblich ist
• Ausbildung von Hauptvalenzbindungen zwischen Silanolgruppen und Si-CH₃-Gruppen unter Methanabspaltung

Jedoch wird auch eingeräumt, daß detaillierte Untersuchungen dieser Reaktionen zu der damaligen Zeit nicht vorlagen und außerdem als schwierig angesehen wurden [ 35 ].

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Abb. 6 Reaktion von PDMS an der Glasoberfläche (modif. n. [ 1 ])

Noll [ 1 ] formuliert ein Reaktionsschema analog den Reaktionen bei der Silanisierung von Gläsern ( Abb. 6 ).

Steinbach und Sucker [ 42 ] postulieren die Existenz einer adsorptiv gebundenen Schicht (H-Brücken), für deren Konformation komplex gebundene Wassermoleküle eine wichtige Rolle spielen. Über die Rolle der Wasserhaut auf der Festkörperoberfläche beim Silikonisieren aus Monomeren und deren Temperaturbeständigkeit siehe [ 36 ]. Sie kann nach ihren Untersuchungen durch kontinuierliche Beregnung mit Wasser über mehrere hundert Stunden abgelöst werden (Oberflächenlöslichkeit des PDMS), auch wenn die Autoren den experimentellen Beweis der vollständigen Entfernung des Silikons schuldig bleiben. Diese Schicht gleicht in ihrem Assoziationsverhalten einem auf Wasser gespreiteten Film der gleichen Substanz.

Eine Orientierung des Polysiloxanfilmes auf der Oberfläche, bei der alle Methylgruppen nach außen gerichtet werden, also eine "Methylfläche" entsteht, die für die Hydrophobizität verantwortlich ist, wird 1977 noch einmal von Rieder und Steinbach [ 32 ] in einem Artikel über silikonisierte Glasoberflächen beschrieben. Danach reicht eine monomolekulare Schicht, um die Eigenschaften des Glases zu verändern. Beim Einbrennen kann es zum Verdampfen von niedermolekularen Siloxanen kommen, was Absaugvorrichtungen in den Heißlufttunnels empfehlenswert macht. Aussagen zur allgemeingültigen Beständigkeit der Silikonfilme werden durch die Autoren nicht gegeben.

Riedel [ 41 ] charakterisiert die Silikonschicht mit "der gleichen wasserabstoßenden Wirkung wie die einer mit Chlorsilan behandelten Oberfläche". Schon leicht alkalische Reinigungsmittel entfernen aber nach seiner Ansicht den eingebrannten Silikonölfilm.

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Silikonisierte Glasscheiben konnten durch organische Lösemittel nicht vollständig entsilikonisiert werden. Dies gelingt nur mit alkalischen Reinigern, oder adsorbierend wirkenden Feststoffen wie Aerosil oder Phosphaten, berichtet Ramsauer [ 34 ].

Eine Vulkanisation ("curing") der Silikonschicht wird bei Riffkin [ 13 ] angenommen.

Kuntscher [ 40 ] spricht von einem "(...) zwar fest haftenden, aber mit dem Glas doch nicht innig und untrennbar verbundenen Überzug". Die Entfernung des Silikonfilmes gelingt aber nur mit ethanolischer KOH oder NaOH (hydrolytische Zerstörung).

Dasselbe Lösungsverfahren für durch Hitze "vulkanisierte" Silikonfilme schlägt die Fa. Dow Corning in ihrer Anwenderbroschüre [ 43 ] vor.

Spuren von Silikonen, z.B. von silikonisierten Gummistopfen, können selbst in nicht silikonisierten Gläsern auf Oberflächen spreiten und dort unerwünschte Nichtbenetzungsphänomene verursachen 44 ].

1.2.3. Eigenschaften silikonisierter Gläser

Die Silikonisierung von Gläsern hat einen Verlust der Oberflächeneigenschaften reiner Gläser zur Folge. Die zuvor hydrophile Fläche hat nach der Silikonbehandlung die Eigenschaften eines hydrophoben Festkörpers. Dies läßt sich vor allem durch drei Parameter charakterisieren:

• die Größe des Randwinkels eines aufgesetzten Tropfens einer reinen Flüssigkeit und daraus Ableitung der Adhäsionsarbeit
• die Oberflächenspannung und -energie
• Bruchfestigkeit

1.2.3.1. Randwinkel

Der Randwinkel ist eine Größe für die Benetzbarkeit einer Substanz und damit indirekt auch ein Maß für die Oberflächen bzw. Grenzflächenspannung. Voraussetzung ist, daß die Flüssigkeit eine sphärische Oberfläche ausbildet.

• Wird kein Randwinkel ausgebildet, (= 0°) d.h. die aufgesetzte Flüssigkeit breitet sich auf der Unterlage aus, so besteht volle Benetzbarkeit des Substrats.
• Ein 90° Kontaktwinkel bedeutet, daß die Grenzflächenspannung zwischen festem und flüssigem Substrat gleich der Grenzflächenspannung zwischen festem Substrat und Atmosphäre und damit gleich der Grenzflächenenergie des Festkörpers ist.
• Eine komplette Nichtbenetzbarkeit würde sich in einem Randwinkel von 180° zeigen, das hieße die Ausbildung eines kugelartigen Tropfens auf der Unterlage. Dies tritt praktisch jedoch nicht ein [ 45 ].

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Als erste untersuchten Spitze und Richards die Eigenschaften von einbrennsilikonisierten Gläsern mit der Kontaktwinkelmethode [ 45 ]. Dabei wurden sowohl Borosilicat- als auch Natronkalkgläser und zu deren Silikonisierung Polymethyl- und Polymethylphenylsiloxane eingesetzt und der Winkel von aufgesetzten Wassertropfen bestimmt.

Einige Zusammenhänge zwischen Temperatur, Heizzeit, Konzentration und Art des eingesetzten Polymers wurden dabei erarbeitet:

• Die Randwinkelerhöhung war bei Temperaturen zwischen 300 und 400° C am größten.
• Die Hitzestabilität der resultierenden Beschichtung war bei den phenylhaltigen Polymeren etwas ausgeprägter.
• Außerdem zeigte sich eine höhere Randwinkelausprägung bei Alkali (Na₂O)-haltigen Gläsern [ 45 ].

Die spätere Etablierung der Randwinkelmethode durch Noll und Weissbach [ 35 ] als Maß für die Güte der Hydrophobierung von silikonisiertem Glas bezog auch Silikonölemulsionen in die Experimente ein und bewies deren Überlegenheit ( Abb. 5 ).

Rieder und Steinbach [ 32 ] verwendeten dazu ein "Meßgerät zur Bestimmung des Randwinkels nach dem Prinzip der optischen Bank" eines schwedischen Herstellers.

Die Größe Adhäsionsarbeit [=H] beschreibt die Arbeit, die aufgewendet werden muß, um eine Flüssigkeit von einer Subphase zu entfernen [ 32 ]. Sie steht mit dem Kontaktwinkel und der Oberflächenspannung in folgender Beziehung:

= Randwinkel
_f = Oberflächenspannung

Abb. 7 Randwinkel eines Wassertropfens auf silikonisierter Glasoberfläche (aus: [ 32 ])

Randwinkel und Adhäsionsarbeit wurden an verschiedenen Flüssigkeiten auf silikonisierten und nicht silikonisierten Gläsern bestimmt [ 32 ]. Die Werte zeigt Tab. 4 . Durch die Verwendung verschiedener Meßflüssigkeiten lassen sich differenzierte Aussagen über hydrophile und hydrophobe Eigenschaften bzw. Wechselwirkungen der jeweiligen Oberfläche treffen.

1.2.3.2. Oberflächenspannung

Glasoberflächen sind mit einer Schicht aus adsorbiertem Wasser überzogen, deren Dicke nicht genau bekannt ist. Eine wichtige beinflussende Variable ist die relative Luftfeuchtigkeit. Frühere Autoren [ 46 ] postulierten, daß diese Haut erst im Bereich des Erweichungspunktes

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Tab. 4 Randwinkel () und Oberflächenspannung (f) verschiedener Flüssigkeiten auf Glasoberflächen (modif. n. [ 32 ])

		unbehandelte Glasoberfläche		silikonisierte Glasoberfläche
	?f	? [ ° ]	H [10-7J/cm2]	? [ ° ]	H [10-7 J/cm2]
Silikonöl	19.8	< 5	40	5	40
Ethylalkohol	24.1	< 5	48	25	46
Paraffinöl	32.2	40	57	24	62
Salatöl	32.9	25	63	38	59
Milch	42.0	14	83	93	40
Wasser	73.7	< 5	147	105	55

Sicher ist jedoch, daß diese Wasserhaut die Oberflächeneigenschaften des Glases entscheidend mitbestimmt. Olsen und Osteraas [ 46 ] zeigten mit der Randwinkelmethode, daß die Oberflächenspannung von Glas näherungsweise gleich der von Wasser ist, wobei die Glasart keinen entscheidenden Einfluß hatte.

Rhee [ 47 ] bestimmte die Oberflächenenergie von silanbehandeltem Glas ebenfalls nach der Randwinkelmethode, da dieser mit der Oberflächenenergie in Beziehung steht.

Die gemessenen Oberflächenenergien von Silan-behandelten Gläsern entsprachen den Oberflächenenergien der reinen Silane. Daraus kann geschlossen werden, daß die Silanbehandlung die Energie der zuvor wasserbelegten Glasoberfläche auf den Wert des jeweiligen Silikons absenkt. In Zahlen ausgedrückt sinkt die Oberflächenenergie von 120 mN_m^-1 auf 30-40 mN_m^-1.

Durch diese Studie konnte erstmals über den Kontaktwinkel ein direkter Parameter für die Hydrophobizität der Oberfläche gefunden werden. Die Daten von Olsen et al. [ 46 ] und Lee [ 36 ] wurden bestätigt.

1.2.3.3. Bruchfestigkeit

Schwiete et al. [ 48 ] untersuchten die Bruchfestigkeit von Flaschen und Flachgläsern nach Einbrennsilikonisierung bei 300° C für 12h mit 0.5%iger Silikonölemulsion. Festgestellt wurde eine Verringerung des Bruchs um 10% bei Getränkeflaschen und um 50% bei der Schlagbeanspruchung von Flachglas. Ähnliche Messungen wurden früher an außen silikonisierten Flaschen vorgenommen [ 37 , 38 ].

1.3. Grenzflächeneigenschaften von Polyorganosiloxanen

Mit dem Etablieren der Silikonisierung von silicatischen Werkstoffen wurde auch die Grenzflächenaktivität der flüssigen Silikone näher untersucht. Das ausgeprägte Spreitungsverhalten von Silikonölen auf wäßrigen Subphasen macht sie für verschiedene Messungen zugänglich. Folgende Eigenschaften wurden untersucht:

• Platzbedarf und molekulare Konformation von Siloxanketten aus Kraft-Flächen- Diagrammen von komprimierten Monolayern [ 49 ]

  ---

  22

• Substituenteneinfluß der Anordnung von Monolayern auf Wasser [ 50 , 51 ]
• Die Assoziation des Wassers an gespreiteten Polysiloxanfilmen [ 52 ]
• Gesetzmäßigkeiten von Volumen- und Oberflächenlösung [ 53 ]
• Adsorption von Polydimethylsiloxanen aus organischen Lösemitteln auf Glas [ 54 ]

Die größte Anzahl der vorhandenen Veröffentlichungen geht auf W. Noll, H. Steinbach und C. Sucker zurück. Die Bayer-Mitarbeiter untersuchten intensiv das Spreitungsverhalten eines breiten Spektrums verschiedener Polyorganosiloxane. Seit 1962 wurden Experimente mit Polysiloxanen gemacht, und diese Untersuchungen wurden bis ca. 1975 ständig fortgesetzt und publiziert 51 , 55 , 56 , 57 , 58 ].

Das zu untersuchende Polymer wurde als Monolage aus organischer Lösung auf Wasser gespreitet und nach Verdunsten des Lösemittels in einer kontinuierlich registrierenden Spreitungswaage komprimiert. Als Meßergebnis erhält man Kraft-Flächen-Diagramme.

Die Messung von F/A-Isothermen von Polyorganosiloxanen war jedoch nicht neu. Begründet wurde sie 1947 durch die Amerikaner Fox, Taylor und Zisman [ 59 ], deren Ergebnisse aber bis 1962 nicht weiterverfolgt wurden.

Da später auch der Versuch unternommen wurde, einige wichtige Resultate auf silikonisierte Gläser zu übertragen, werden einige Ergebnisse über Polydimethylsiloxan hier ausführlicher dargestellt.

1.3.1.1. Kraft/Flächen - Isothermen

Die F/A-Isotherme eines langsam komprimierten Polydimethylsiloxans zeigt einen charakteristischen Verlauf mit verschiedenen sogenannten Umwandlungspunkten, an denen eine Umorientierung der Moleküle sichtbar wird. Den Kurvenverlauf sieht man in der folgenden Abb. 8 .

Abb. 8 F/A - Isotherme von Polydimethylsiloxans (aus: [ 56 ])

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Der Kurvenverlauf zeigt zunächst keinen Kraftanstieg (nicht dargestellt). Bei ca. 1.8 m²/mg kommt es zu einer Kraftregistrierung (Punkt A₁) und einem schmalen Anstieg bis zum Punkt A₂. Ab hier kommt es zu einem stärkeren Anstieg bis zum Plateaubeginn in Punkt B. Das Plateau ohne Steigung endet bei Umwandlungpunkt C. Es folgt eine flache Steigung bis Punkt D, nach dem die Kurve steil ansteigt und die Messung keine zuverlässigen Ergebnisse mehr liefert. Aus den Daten wurde folgendes abgeleitet:

• Bei einer Flächenausdehnung zwischen 2 und 0.75 m² ist eine Monolayerschicht von 1 mg PDMS existent.
• Das bedeutet umgekehrt, daß der Flächenbedarf einer gespreiteten PDMS-Monolage zwischen 0.5 und1.5 mg/m² liegt.
• Der Flächenbedarf einer Dimethylsiloxaneinheit in den verschiedenen Monoschichten liegt zw. 6 und 30 Ų.
• Der Filmdruck der Monolage liegt zwischen 0 und 8 mN/m.
• Der qualitative Kurvenverlauf ist von der Kettenlänge unabhängig.

Die Anordnung von PDMS-Spreitungsketten auf dem Wasseruntergrund und die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen kann wie in Abb. 9 formuliert werden.

Abb. 9 Orientierung von Polydimethylsiloxanketten auf der Wasseroberfläche
(aus: [ 56 ])

1.3.1.2. Monolayer-Strukturen von PDMS

Die Konformation der Moleküle in den verschiedenen Stadien der Monolayerkompression wird wie folgt gedeutet:

Vor Punkt A₁ ist eine zufallsbestimmte Anordnung der Ketten auf der Wasseroberfläche wahrscheinlich. Es können helikale wie auch unbestimmte oder geordnete Ketten von Siloxanen vorliegen.

In Punkt A₁ sind die Moleküle so aneinander angenähert, daß eine geschlossene Schicht vorliegt. Dabei sind zwei Moleküle Wasser pro Siloxaneinheit komplexartig assoziiert [ 52 ]. Während der Kompression wird bei schwachem Filmdruck eine dichtere Packung provoziert,

24

Während der folgenden Transformation A₂B werden diese Wassermoleküle "ausgepreßt" und es entsteht eine dritte stabile Anordnung mit eng verzahnten Siloxanketten, zwischen denen kein Wasser mehr eingelagert ist.

Auf dem Plateau zwischen Punkt B und C wird nun eine sukzessive Aushebung der Siloxanketten von der Wasseroberfläche angenommen, wobei Molekül für Molekül zu einer Helix aufrollt, deren Achse parallel zur Wasseroberfläche liegt. Eine einzelne Wendel einer solchen Helix enthält 6 Siloxaneinheiten [ 49 ].

Unmittelbar vor der Umwandlung C ist die Oberfläche von dicht gepackten waagerechten Helices bedeckt. In Punkt C kommt es zum Kollaps der Monoschicht. Einzelne Moleküle werden herausgehoben und gleiten über der unteren Lage ab [ 49 ].

Letztere Annahmen wurden durch gleichartige Messung an verzweigten und vernetzten Siloxanen bestätigt. Das Fehlen eines Umwandlungspunktes C bei diesen Species zeigt an, daß eine helikale Umformung nicht möglich ist [ 57 ]. Die zuerst aufgestellte Vermutung [ 59 ], daß nach der Umwandlung in Punkt C eine Monolage mit senkrecht zur Wasseroberfläche stehenden Helices existiert, konnte nicht gehalten werden [49].

Die Ergebnisse aus diesen Analysen wurden 1969 von Garret und Zisman [ 60 ] mittels der Technik der Kapillarwellendämpfung bestätigt und weitere Details zur Diskussion gestellt. Die Ausweitung der Theorien zum Verhalten von linearen PDMS-Monolayern auf Wasser für makrocyclische PDMS mit mehr als 20 Ringgliedern wurde von Granick et al. [ 61 ] durchgeführt. Auch in den letzten Jahren wurde die Forschung an gespreiteten PDMS-Monolayern wieder fortgeführt. In Frankreich überarbeiteten Lee, Mann, Langevin et al. [ 50 , 62 , 63 , 64 ] die vorhandenen Theorien mit anderen analytischen Techniken wie Neutronenreflexion und Ellipsometrie.

1.3.1.3. Struktur von PDMS auf silikonisierten Gläsern

1977 stellten Steinbach und Sucker [ 42 ] eine Verbindung zwischen den Messungen von Randwinkeln an silikonisierten Gläsern und den Theorien über die molekulare Anordnung von PDMS-Monolayern auf Wasser her.

Sie führten diese Versuche mit einbrennsilikonisierten Objektträgergläsern durch, die nach der Silikonisierung kontinuierlich mit reinem Wasser beregnet und nach bestimmten Beregnungszeiten immer wieder mit der Randwinkelmethode vermessen wurden ( Abb. 10 ).

Dabei zeigte sich, daß der Randwinkel in Abhängigkeit von der Beregnungszeit kleiner wurde. Dieser Abfall war nicht kontinuierlich, sondern zeigte einen stufenförmigen Verlauf. Direkt nach der Silikonisierung und Einbrennen der Emulsion waren sehr geringe Randwinkel zu messen, was durch Spuren von Emulgatoren auf der Oberfläche erklärt wurde. Danach bildete sich ein Plateau mit Randwinkeln von ca. 90-100° aus, das während ca. 250 Stunden Beregnungszeit dreimal steil abfiel und anschließend wieder plateauförmig verlief.

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Abb. 10 Randwinkel von Wassertropfen auf silikonisiertem Glas bei Dauerberegnung
(modif. n.: [ 42 ])

Den Plateaus in der Darstellung (siehe Abb. 10 ) wurden die verschiedenen Punkte A₁, A₂, B und C zugeordnet. Interesssant ist auch der Befund, daß die Oberflächenspannung der silikonisierten Gläser in den Zuständen der Wasserassoziation A₀ (ohne Ordnung), A₁ und A₂ (79, 76 und 67 mN/m) deutlich von den Werten der auf Wasseroberflächen gespreiteten Polysiloxane differieren. Letztere zeigen in den drei Zuständen dem Wasser vergleichbare Werte von 72.3, 72.2 und 71.8 mN/m.

Demnach ist der Einfluß der Subphase für diesen Effekt maßgeblich. Während bei Monoschichten auf Wasser ein "Strukturbefehl" [ 42 ] des PDMS von dem beweglichen Wasser übernommen wird, paßt sich umgekehrt das Polysiloxan dem starren Strukturgefüge der Glasoberfläche an und verändert dabei nach Konzentration seine Oberflächenspannung. Auch die berechnete Wärmetönung nach dem Hess`schen Wärmesatz für den Übergang der einzelnen Zustände ineinander ist nahezu identisch [ 42 , 52 ].

26

1.4. Experimentelle Einführung

1.4.1. Beobachtungen an silikonisierten Glasbehältnissen

Nach Einbrennsilikonisierung von Glas mit polymeren Dimethylsiloxanen aus wäßriger Emulsion erhält man eine stark hydrophobe Oberfläche mit einem je nach Ausgangsmenge schwankenden Anteil an freiem Silikonöl, das der Ablösung mit lipophilen organischen Lösemitteln und der nachfolgenden quantitativen Bestimmung mit geeigneten Verfahren (AAS,IR) zugänglich ist.

Die Bestimmung des mit organischen Lösemitteln aus Spritzen extrahierbaren Silikonöls zeigt, daß in einem gut meßbaren Bereich "freies" Silikonöl existiert, welches durch die Hitze-Vulkanisation nicht immobilisiert wurde. Wenn also von "Hitzefixierung" gesprochen wird, kann dies nur auf einen Teil des Silikonöls zutreffen.

Ausgehend von Beobachtungen kann durch verschiedene Experimente gezeigt werden, daß die mehrfache Extraktion von Silikonöl aus solchen Behältnissen die Eigenschaften einer unsilikonisierten Glasoberfläche nicht wiederherstellt.

Nach und vor der Extraktion ist der Oberflächenzustand der eines hydrophoben Festkörpers, typische Glaseigenschaften sind nicht erkennbar. Beobachten läßt sich dies an folgenden Phänomenen:

• starke Erniedrigung der Grenzflächenkräfte zwischen Glasoberfläche von Spritzenkörpern und darin bewegten Gummistopfen
• deutlich verändertes Ablaufverhalten verschiedener Flüssigkeiten und Suspensionen an den Innenflächen der Behältnisse
• spontane Ausbildung hoher Randwinkel von Wasser auf der behandelten Oberfläche
• Rekonstitution hydrophilen Oberflächenverhaltens nach Einwirken hoher Temperaturen

Die genannten Eigenschaften sprechen zwar stark dafür, daß durch die Lösemittelbehandlung ein Teil des vorhandenen Silikonöls entfernt wird, an der Grenzfläche aber eine adsorbierte Silikonschicht verbleibt, die für die Veränderung der Festkörperoberfläche verantwortlich ist. Es ist denkbar, daß die dauerhafte Veränderung schon durch eine einzige Moleküllage von PDMS bewirkt wird. Für den organischen Charakter der unlöslichen Schicht spricht außerdem das Fehlen hydrophober Eigenschaften nach Erhitzen bei hohen Temperaturen, welches die Pyrolyse der organischen Schicht anzeigt.

Ziel der nachfolgenden Untersuchungen war eine experimentell abgesicherte Verifizierung der vorstehenden, aus Handversuchen stammenden Beobachtungen.

27

1.4.2. Gleit- und Haftreibungsanalyse an stufenweise extrahierten Glaskartuschenzylindern

Nach Extraktion von silikonisierten Glasspritzen mit lipophilen Lösemitteln (Toluol/Hexan etc.) lassen sich Gummistopfen in diesen Zylindern erheblich schwieriger voranschieben als vorher. Die Entfernung von löslichem Silikonöl führt also zum Ansteigen von Gleit- und Haftreibungswerten. Für eine manuelle Injektion läßt sich die erforderliche Kraft kaum noch aufwenden. Diese Erscheinung wird mit kontrollierten Reibungsexperimenten experimentell belegt.

1.4.2.1. Material und Methodik

1.4.2.1.1. Prinzip/Prüfeinrichtung

Zur Messung der Gleiteigenschaften in silikonisierten Glaszylindern wurde ein Kraft-Weg Meßgerät der Fa. INSTRON, Modell 4464 eingesetzt. Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des INSTRON-Meßsystems.

Abb. 11 Schematischer Aufbau des INSTRON Druck-/Zugprüfstandes

Ein als Querhaupt bezeichnetes waagerechtes Bauteil kann dabei durch Schneckenantriebe mit konstanter Geschwindigkeit zwischen zwei senkrechten Säulen vertikal aufwärts- (Zugprüfung) oder abwärts bewegt (Druckprüfung) werden .

Bei der hier durchgeführten Messung wird ein Stopfen mit konstanter Geschwindigkeit in abwärtiger Richtung durch einen senkrecht fixierten Glaszylinder bewegt. Die am Stopfen

28

1.4.2.2. Materialien/Durchführung

Zur Prüfung wurde ein silikonisierter Gummistopfen von Hand in den Glaszylinder eingesetzt, bis dieser bündig mit der oberen Zylinderaußenkante positioniert war. Geprüft wurde bei einer Querhauptgeschwindigkeit von 20 mm/min über einen Gesamtweg von 120 mm. Die Registrierung der zur Messung eingesetzten Kraftmeßdose beträgt maximal 2 kN.

5 Kollektive von je 10 Glaszylindern wurden untersucht.

1. Glaszylinder, nicht silikonisiert
2. Glaszylinder, silikonisiert, Startwerte (unbehandelt)
3. Glaszylinder, silikonisiert, 1x mit Toluol extrahiert
4. Glaszylinder, silikonisiert, 2x mit Toluol extrahiert
5. Glaszylinder, silikonisiert, 3x mit Toluol extrahiert

Die Rohdaten der entsprechenden Meßkurven wurden am INSTRON in ASCII-Formate transformiert und in MS-EXCEL-97 weiterverarbeitet. Dazu wurden die Primärdaten mittels eines Makroprogramms auf ca. 150 Meßpunkte verdichtet und aus diesen Daten je eine Mittelwerts- sowie Minimum- und Maximumkurve berechnet.

1.4.3. Ergebnisse

Die in Abb. 12 dargestellten Kurven entsprechen den Mittelwerten von je 10 Messungen.

Bei den silikonisierten Zylindern sind die Kraftwerte auf einen sehr kleinen Betrag reduziert.

Abb. 12 Gleit- und Haftreibungsverhalten in entsilikonisierten Glaskartuschen

29

Bei den lösemittelbehandelten Proben sieht man ebenfalls ein ausgeprägtes Gleitverhalten, allerdings auf einem wesentlich höheren Niveau. Die hierbei auftretenden mittleren Kraftwerte in der Gleitphase liegen bei ca. 40, 45 und 60 N für die 1x, 2x und 3x entsilikonisierten Proben.

Die Kraftkurve der 3x extrahierten Zylinder steigt mit fortschreitender Weglänge an.

Außerdem ist bei diesen Glaszylindern ein wellenförmiger Verlauf zu erkennen, der nach einer Wegstrecke von ca. 25 mm einsetzt. Das spricht dafür, daß hier auch der auf dem Stopfen zunächst vorhandene Silikonfilm abgeschert wurde und als Folge davon die Vorwärtsbewegung mehr ruckartig verläuft. Nach maximaler Extraktion werden die Gleiteigenschaften also erheblich schlechter, es kommt jedoch nicht zum Havarieren des Stopfens.

Zum Vergleich wurden auch Kraft/Weg-Kurven von nicht silikonisierten Glaszylindern aufgezeichnet.

Deren Meßkurven zeigen extrem hohe Kraftwerte von >600 N (siehe Abb. 13 ). Meistens wurde die Messung auf Grund des Erreichens der Maximalkraft abgebrochen. Einige der Glaszylinder zerbrachen beim Festfahren des Stopfens im Kartuschenzylinder.

Abb. 13 Kraft/Weg-Diagramme silikonisierter und unbehandelter Glaszylinder

Dadurch bedingt bildet deren Mittelwertkurve einen stark schwankenden Verlauf. In Abb. 13 sieht man den sehr großen Unterschied zwischen den Mittelwerten von lösemittelextrahierten und nicht silikonisierten Proben.

Besonders überraschend ist die Tatsache, daß trotz maximaler Extraktion des Silikonöls von den Glaswandungen dennoch die Reibungskräfte soweit herabgesetzt werden, daß ein Gleiten grundsätzlich noch möglich ist. Offensichtlich sind die Grenzflächenkräfte zwischen Glas und Gummi bei diesen Mustern sehr stark reduziert. Die Oberfläche hat also auch nach der erschöpfenden Extraktion stark hydrophobe Eigenschaften.

30

1.4.4. Ablaufverhalten von Suspensionen an silikonisierten Glasoberflächen

Auch Injektionsvials können einbrennsilikonisiert werden, um hydrophobe Innenflächen zu erhalten. Hydrophile Inhalte werden von dieser Wand abgestoßen und laufen sauber ab. Beim Arbeiten mit durch Lösemittelextraktion entsilikonisierten Fläschchen wurde festgestellt, daß sich das Ablaufverhalten durch die Extraktion nicht verändert hatte. Offensichtlich war die Oberfläche immer noch hydrophob.

Das Ablaufverhalten in silikonisierten Glasbehältnissen wurde 1977 durch Rieder und Steinbach [ 32 ] am Beispiel einer Penicillin- (hydrophil) und einer Talkumsuspension (hydrophob) in beschichteten Reagenzgläsern gezeigt. Talkum haftet nach Aufschütteln gut an silikonisiertem Glas, an unbehandeltem jedoch weitaus weniger. Bei der Penicillinsuspension verhält es sich entgegengesetzt. Die Gläser waren nach der Silikonisierung jedoch nicht Lösemittel-extrahiert worden.

Vom Silikonhersteller Dow Corning [ 43 ] wird zum schnellen Nachweis, ob silikonisiertes oder unbehandeltes Glas vorliegt, empfohlen, Feststoffstaub von z. Bsp. Talkum, Stärke, Calciumcarbonat oder Titandioxid auf die Oberfläche zu bringen, welcher an behandelten Gläsern (eingebrannt oder nicht) haften bleiben wird. Dieser Schnelltest wird in der Praxis häufig eingesetzt.

Die kurze Studie dokumentiert, wie sich das Ablaufverhalten nach Behandlung der silikonisierten Behältnisse mit verschiedenen Lösemitteln und Detergentien darstellt.

1.4.4.1. Material

Zur Prüfung wurden 20 ml Injektionsflaschen aus Fiolax^® eingesetzt.

1. Injektionsvial, nicht silikonisiert
2. Injektionsvial, einbrennsilikonisiert
3. Injektionsvial, einbrennsilikonsiert, 3x mit Toluol extrahiert
4. Injektionsvial, einbrennsilikonsiert, 3x mit Toluol extrahiert, 3h bei 600° C erhitzt
5. Injektionsvial, einbrennsilikonsiert, 3x mit Dichlormethan extrahiert
6. Injektionsvial, einbrennsilikonsiert, 3x mit Detergentienlösung extrahiert

1.4.4.2. Probenvorbereitung:

Silikonisierung	industrielle Silikonisierung aus wäßriger Emulsion (siehe 1.4.6.2.2 )
Extraktion	3 x 30 sec. mit je 5 ml Lösemittel; Trocknung bei RT; bei Detergentien: Nachspülen mit Wasser, bis keine Schaumbildung mehr erfolgt, Trocknung bei 50° C im Trockenschrank
Reagenzien	Toluol p.a., Merck; Dichlormethan p.a., Merck Wäßrige Lösung von Triton-X-100® und Polysorbat-20, 1% (m/V) Wasser: hochrein, Qualität milli-Q®, Fa. Waters Talkum (als hydrophober Feststoff) Galaktose (als hydrophiler Feststoff

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1.4.4.3. Durchführung

Von jedem Probentyp wurden 6 Muster präpariert. Die Proben 1 und 2 wurden ohne weitere Vorbehandlung analysiert. In alle Injektionsflaschen wurden dann je 2.5 g des betreffenden Feststoffes eingewogen und das Behältnis mit einem Teflon-beschichteten Gummistopfen verschlossen und verbördelt.

Zunächst wurden die befüllten Vials mit dem trockenen Feststoff geschüttelt und der Zustand mit digitalisierten Videoaufnahmen dokumentiert.

Nach Zugabe von 10 ml Wasser durch ein Minispike^®-System wurden die Behältnisse 15 sec. lang intensiv geschüttelt. Die Dokumentation des dann bestehenden Zustandes erfolgte unmittelbar anschließend durch Videoaufnahmen.

1.4.5. Ergebnisse

Als erste Probegruppe wurden die unbehandelten Vials trocken und nach Suspendierung bewertet (siehe Abb. 14 ).

Abb. 14 Ablaufverhalten von Suspensionen in nicht silikonisierten Vials
oben: suspendiert; unten: trocken geschüttelt; links: Galaktose; rechts: Talkum

Die Galaktose zeigt bei diesen Glastypen eine ausgeprägte Wandhaftung sowohl im trockenen (größere Aggregate) als auch im suspendierten Zustand (feinverteilt). Die Objekte mit Talkum-Befüllung verhalten sich anders. Im trockenen Zustand findet eine gleichmäßige Belegung mit feinem Staub statt, die Talkumsuspension wird von der Wand eher abgestoßen. Es befinden sich aber einige anhaftende Suspensionstropfen an der Wand.

32

Nach der Extraktion mit Toluol ( Abb. 16 ) sind diese Effekte erhalten geblieben, sie haben sich sogar teilweise verstärkt. Völlig klar sind die Fläschchen mit Galaktose-Suspension durch das vollständige Ablaufen des Suspensionfilmes. Im trockenen Zustand sieht man ebenfalls nahezu keine Pulveradhäsion. Umgekehrt ist jedoch das Verhalten der Talkum-befüllten Gläser: Es ist sowohl eine ausgeprägte Pulveranhaftung wie auch das Verbleiben von zusammenhängenden Stücken des Suspensionsfilmes auf der Innenwand zu bemerken.

Abb. 15 Ablaufverhalten von Suspensionen in silikonisierten Vials
oben: suspendiert; unten: trocken geschüttelt; links: Galaktose; rechts: Talkum

Diese Eigenschaften bringen zum Ausdruck, daß die Extraktion mit Lösemitteln den hydrophoben Status der Oberfläche nicht rückgängig macht. Es kann daher vermutet werden, daß ein Teil der Silikonschicht immer noch auf der Glaswand anhaftet.

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Abb. 16 Ablaufverhalten von Suspensionen in silikonisierten, extrahierten Vials
oben: suspendiert; unten: trocken geschüttelt; links: Galaktose; rechts: Talkum

Die Befunde nach der Behandlung der silikonisierten Vials mit Dichlormethan bzw. mit der Emulgatorlösung decken sich mit denen nach Toluolextraktion. Sie werden daher hier nicht abgebildet.

Im letztgenannten Fall haften die Galaktose-Pulverpartikel etwas stärker an der Behältniswand. Entgegen den Beobachtungen von Rieder und Steinbach [ 32 ] bildet die Talkumsuspension nach Umschütteln immer anhaftende Tropfen und Bereiche.

Zur Analyse des Ablaufverhaltens wurden auch silikonisierte Gläser eingesetzt, die nach Extraktion für 3 Stunden hohen Temperaturen von 600° C ausgesetzt waren. Durch diese Behandlung hat sich die Oberflächenbeschaffenheit wieder stark verändert.

Die Galaktose-Suspension läuft nun nicht mehr von der Wand ab. Sie haftet feinverteilt an der Wand. Die trocken geschüttelten Vials haben eine zusammenhängende Pulverschicht von Galaktose an der Wand adsorbiert. Bei den Talkum-Fläschchen haftet deutlich weniger Feststoff an der Wandung, nach Suspendierung ist bei diesen ausgeheizten Vials auch bei Talkum eine stärkere Wandbelegung zu sehen. Durch die Hitzebehandlung ist der Ausgangszustand der Gläser wieder eingetreten und die Innenoberfläche hat keine hydrophoben Eigenschaften mehr. Durch die reduzierte Menge (Verbrennung) an zufällig vorhandenen Stoffen auf der Oberfläche sind die reinen Glaseigenschaften bei diesem Probentyp stärker ausgeprägt als im Ausgangszustand.

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Abb. 17 Ablaufverhalten von Suspensionen in silikonisierten, extrahierten Vials nach Behandlung bei 600° C
oben: suspendiert; unten: trocken geschüttelt; links: Galaktose; rechts: Talkum

Die nach der Extraktion verbleibende organische Oberflächenschicht ist durch die thermische Behandlung zerstört und entfernt worden.

1.4.6. Randwinkel-Ausbildung von Wasser auf silikonisierten Glasoberflächen

In Handversuchen wurde festgestellt, daß beim Schütteln wäßriger Flüssigkeiten in silikonisierten und anschließend Lösemittel-behandelten Glasbehältnissen Tropfen entstehen, die deutliche Kontaktwinkel zur Glasoberfläche ausbilden. Diese sind gegenüber nicht silikonisierten Behältnissen auffallend größer.

Diese Beobachtung wurde durch einen erweiterten Versuch statistisch abgesichert.

Durch verschiedene Vorbehandlung der Gläser mit Lösemitteln und bei unterschiedlichen Temperaturen sollte das Lösungsverhalten und die Thermostabilität der Silikonölbeschichtung untersucht werden.

1.4.6.1. Literatur

Das Verfahren der Randwinkelmessung zur Beurteilung chemisch-physikalischer Oberflächeneigenschaften ist weit verbreitet. Lange bevor Techniken wie ESCA, TOF-SIMS, CP-MAS-NMR oder DRIFT- Spektroskopie zur Verfügung standen, wurden Oberflächenstudien vielfach auf das Kontaktwinkelverfahren gestützt. Trotz neuer Verfahren ist die Methode zur Oberflächenanalyse heute immer noch aktuell.

35

Ein Review (Kontaktwinkel-Studien bis 1964) findet sich bei Riddiford und Elliot [ 65 ].

Der Vorteil der Kontakwinkelmessung liegt darin, Oberflächen unter verschiedenen Bedingungen beurteilen zu können. So können neben einfachen statischen Messungen durch aufgesetzte Tropfen (engl. "sessile drop") auch dynamische Messungen mit in Bewegung befindlichen Tropfen durchgeführt werden. Riddiford und Elliot [ 66 , 67 ] befaßten sich intensiv mit dynamischen Messungen (Vorrück- bzw. Rückzugswinkel, engl. "advancing /receding contact angle") und setzten für ihre Studien Gläser ein, die mit reaktiven Silanen silikonisiert worden waren.

Zur differenzierenden Beurteilung von Oberflächen können verschiedene Flüssigkeiten zur Messung eingesetzt werden, wie zum Beispiel Rieder und Steinbach zeigten [ 32 ], die zur Bewertung silikonisierter Gläser neben Wasser auch Glycol, Paraffinöl und Glycerin einsetzten. Es können auch verschiedene Dreiphasensysteme aufgebaut werden, wie z.Bsp. Wasser-in-Luft , Luft-in-Wasser oder Octanol-in-Wasser.

Weiterhin können Kontaktwinkel zeitabhängig gemessen werden, um die Wechselwirkung der Festkörperoberfläche mit den umgebenden Medien besser sichtbar zu machen. Bis zur Einstellung eines Gleichgewichtes erhält man bei solchem Vorgehen Kontaktwinkel-Zeit-Kurven, die auch für kinetische Betrachtungen eingesetzt werden können.

Ruckenstein und Lee [ 68 ] verwendeten bei der zeitabhängigen Analyse von PDMS-beschichteten Gläsern (hydrolytische Präparation mit reaktiven Silanen) Hexan, Cyclohexan, Octanol und Methyleniodid zum Aufbau verschiedener Dreiphasensysteme. Aus den unterschiedlichen Randwinkeldaten konnten die Autoren polare und unpolare Anteile von Oberflächenenergien bestimmen.

Mit der gleichen Methode analysierten Lee und Ruckenstein [ 69 ] die Oberflächenumstrukturierung von PDMS und Hydrogelen an der Kontaktfläche mit dem aufgesetzten Wassertropfen im Verhältnis zur Kontaktzeit.

Eine sehr umfangreiche Arbeit über N-Alkyl derivatisierte Oberflächen von Borosilicatgläsern stellten Park und Andrade [ 70 ] vor. Gemessen wurden dynamische Kontaktwinkel nach dem Wilhelmi-Platten-Prinzip im Wasser-in-Luft- bzw. Wasser/Methanol-in-Luft-System. Zur Messung wurden Glasplatten mit mono- und difunktionellen Methylchlorsilanen silikonisiert. Die Messungen zeigten Einflüsse der Alkyl-Kettenlänge und der Funktionalität der eingesetzten Silane auf die Höhe des Kontaktwinkels. Daraus konnten Aussagen über die Stabilität und den Ordnungszustand der Silikonlage abgeleitet werden.

Heute wird die Randwinkelanalyse vor allem parallel mit anderen Verfahren (s.o) eingesetzt, um deren analytische Information zu ergänzen. Zusätzlich zu ESCA-Analysen wurden z.Bsp. Kontaktwinkelmessungen für Studien an Copolymer-Oberflächen [ 85 , 95 ] verwendet. Die zeitabhängige Restrukturierung oxidativ hydrophilisierter PDMS-Oberflächen und anderer hydrophober Polymere wurde von einigen Autoren mit XPS untersucht. An ähnlichen Oberflächen wurden auch dynamische Kontaktwinkelanalysen durchgeführt, z.B. Duel und Owen [ 90 ] (PDMS-Formentrennmittel), Morra et al.[ 92 ] (zeitabhängige Kontaktwinkel-Daten und kinetische Arrhenius-Analyse) oder Hillborg et al.[ 94 ] (dynamische Kontaktwinkelmessungen).

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1.4.6.2. Material und Methodik

1.4.6.2.1. Untersuchungsgut

Da die Messung von Kontaktwinkeln auf gekrümmten Oberflächen nicht möglich ist, wurden für die Bestimmung auf Oberflächen von Glasinjektionsflaschen die weitestgehend flachen Bodenstücke abgetrennt. Aus den Bodenflächen wurden anschließend kleinere Bruchstücke gebildet und möglichst ebene für die Analysen ausgewählt.

1. Flaschenboden, nicht silikonisiert, Anlieferzustand
2. Flaschenboden, silikonisiert, nicht lösemittelbehandelt (Produktionsware)
3. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt
4. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt, 1h bei 400° C getempert
5. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt, 1h bei 450° C getempert
6. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt, 1h bei 500° C getempert
7. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt, 1h bei 550° C getempert
8. Flaschenboden, silikonisiert, lösemittelbehandelt, 1h bei 600° C getempert
9. Duran^® -Flachglas, nicht silikonisiert
10. Duran^® -Flachglas, silikonisiert und lösemittelbehandelt
11. Duran^® -Flachglas, mit kalt gespreiteter Silikonölschicht

1.4.6.2.2. Silikonisierung

Die Silikonisierung der Proben 2-8 erfolgte industriell aus wäßriger Emulsion (Verfahren: Einsprühen wäßriger Silikonölemulsion (Baysilone-Ölemulsion-H^®), (c) 2.5%; Einbrennen im Heißlufttunnel für 15 min bei 320° C).

Probe 10 wurde im Labormaßstab silikonisiert. (Verfahren: wäßrige Silikonölemulsion Baysilone-Ölemulsion-H^®, (c) 2.5% im Tauchbad, Abtropfen überschüssiger Emulsion; Einbrennen im Muffelofen für 20 min bei 330° C).

1.4.6.2.3. Weitere Probenvorbereitung

Probe 1, 3, 9 + 10	Behandlung der Prüfmuster für 2h mit siedendem Toluol am Rückfluß
	5 x Spülen mit Toluol p.A.
	Trocknen bei Raumtemperatur
Probe 4-8	zunächst wie Probe 3 (Lösemittelbehandlung)
	für je eine Stunde bei den oben angegebenen Temperaturen
Probe 11	wie Probe 9
	Aufbringen eines Silikonölfilmes (d)durch Spreitung eines Öltropfens zwischen 2 Flachglasmustern

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1.4.6.2.4. Reagenzien:

Meßflüssigkeit:	reinst-Wasser (Qualität: Waters milli-Q®)
Lösemittel:	Toluol p.A., Merck
Silikonölemulsion:	Baysilone-Ölemulsion-H®
Silikonöl:	Baysilone-MPH®, 100 cSt.

1.4.6.3. Durchführung

Die Messung des Kontaktwinkels erfolgte mit einem Zeiss-Jena Profilprojektor, Modell MP 320. Die Glasproben (außer Probe 2 und 11) wurden vor der Messung intensiv mit Linsenpapier gereinigt und in den Strahlengang eingebracht.

Mit einer Einwegspritze und Kanüle wurde ein ca. 20 µl großer Wassertropfen auf die zu analysierende Oberfläche aufgesetzt. Nach Scharfstellung des Tropfenprofils erfolgte die Randwinkelmessung durch Anlegen einer Tangente am jeweils rechten und linken Rand des Tropfenprofils und Ablesen des Winkels an einer Skala. Von je 10 Meßwerten wurde für jede Probe ein Mittelwert gebildet.

Bei den Kontaktwinkelmessungen wurde nach der statischen sessile-drop-Methode gearbeitet. Die Messung erfolgte nicht zeitabhängig. Nach Aufsetzen des Tropfens verging nur soviel Zeit, wie zur Einstellung des Projektors notwendig war. Die Proben wurden nicht in speziellen Medien equilibriert, alle waren aber nach Präparation bis zur Messung unter Raumtemperatur-Bedingungen gelagert worden.

1.4.7. Ergebnisse und Diskussion

Es wurden die Wasser-in-Luft Kontaktwinkel (W/L) auf den Injektionsflaschenböden im Ausgangszustand, nach Silikonisierung sowie nach Lösemittel- und Hitzebehandlung der Muster verglichen. Die Darstellung der Werte zeigt Abb. 18 . Die Streuung resultiert aus den zufälligen, unterschiedlich langen Equilibrierzeiten des Tropfens auf der zu prüfenden Oberfläche. Mit einer Abweichung von ± 2° ist auch bei sorgfältigsten Bedingungen zu rechnen.

Der Randwinkel der unsilikonisierten Probe liegt bei ca. 30°, obwohl auf reinem Glas eine vollständige Spreitung eines Wassertropfens bzw. ein Kontaktwinkel von annähernd 0° zu erwarten wäre.

Diese Bedingung erreicht man jedoch nur durch Ätzen mit oxidierenden Säuren, wie zum Beispiel Chromschwefelsäure. Für die vergleichenden Messungen war ein solches Vorgehen jedoch nicht notwendig. Der erhöhte Randwinkel resultiert aus der Anwesenheit von organischen Verunreinigungen. (Siehe dazu auch Ergebnisse aus ESCA-und TOF-SIMS-Studien bei nicht silikonisierten Gläsern unter 2.5.4.5 , 2.5.2 und 5.4.2 .)

Nach der Silikonisierung steigt der Kontaktwinkel steil an und liegt im Mittel bei über 90°. Es ist anzunehmen, daß bei diesen Proben noch ablösbares Silikonöl auf der Oberfläche der Gläser vorhanden ist. In diesem Zustand ist die Hydrophobie der Oberfläche am größten. Nach Steinbach [ 32 ] werden Randwinkel in dieser Höhe bereits bei Einbrenntemperaturen von 200° C erreicht, bei Verwendung von reaktiven Hydromethylpolysiloxanen bereits bei 100° C.

Spitze und Richards [ 45 ] verglichen Gläser, die mit unterschiedlich funktionellen Chlorsilanen und mit verschieden substituierten Polysiloxanen silikonisiert worden waren. Die Randwinkel

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Abb. 18 Kontaktwinkel unbehandelter, silikonisierter und LM-extrahierter Behältnisgläser (vor und nach Exposition bei verschiedenen Temperaturen); Fehlerindikator = 1xSD

Nach der Lösemittelbehandlung (siedendes Toluol, 2h) ist der Randwinkel zwar auf 82° abgesunken, liegt aber immer noch auf einem hohen Niveau. Diese Beobachtung zeigt, daß die Oberfläche immer noch organisch modifiziert sein muß. Das Lösemittel hat die Silikonschicht nicht vollständig entfernt, sondern nur auf eine unlösliche Dünnschicht reduziert. Die Streuung ist bei diesen Proben am größten. Dies kann als Hinweis auf eine relativ inhomogene Oberflächenschicht gewertet werden.

Proben des letztgenannten Typs wurden nun bei steigenden Temperaturen für jeweils 1h behandelt. Die bei 400° C belastete Probe zeigt einen vergleichbar hohen Kontaktwinkel wie die nicht erhitzte. Der Winkel ist im Vergleich sogar noch etwas angestiegen. Möglicherweise hat sich die Oberflächenlage unter diesen Bedingungen auf der Oberfläche stärker orientiert.

Nachfolgend sieht man mit steigender Temperatur einen allmählichen Abfall der Randwinkel, die bei 550° C wieder auf dem Ausgangsniveau bzw. dicht unter diesem liegen (siehe Abb. 18 ).

Spitze und Richards [ 45 ] bewerteten nicht nur die Thermostabilität von Silikonölen bei verschiedenen Einbrenntemperaturen und konstanter Zeit, sondern auch in Abhängigkeit von der Zeit. Betrachtet wurde dabei jedoch das Verhalten der gesamten und nicht wie hier der reduzierten Silikonschicht. Nach ihren Ergebnissen zeigten die mit Polydimethylsiloxan und Methylphenylsiloxan beschichteten Gläser bei langer Hitzeexposition die höchste Stabilität.

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50e thermogravimetrische Analysen ( 12.3.9.2 und 12.3.3 ) und Literaturwerte zeigen, ist insbesondere in Luftatmosphäre bei 450° C schon mit einer spürbaren thermischen Depolymerisation bzw. Verbrennung von PDMS zu rechnen. Da die Reaktion aber vergleichsweise langsam einsetzt, kam es in der genannten Studie [ 45 ] noch nicht zu einem Abfall des Kontaktwinkels innerhalb von 5 Stunden Behandlungszeit. Wahrscheinlich war die nach dem Einbrennen resultierende Schicht noch relativ dick und reduzierte sich nur langsam. Auf den hier verwendeten Lösemittel-behandelten Gläsern ist nur noch eine äußerst dünne Silikonlage anzunehmen. Um den hohen Randwinkel auszubilden, ist theoretisch die Anwesenheit einer Monolage von PDMS ausreichend. Die bei 450° C eintretende Pyrolyse reduziert diese Lage rasch, so daß ein Randwinkelabfall einsetzt. Mit einer signifikanten Absenkung des Randwinkels ist bei den Übergangstemperaturen (400-450° C) daher erst zu rechnen, wenn nur noch eine sehr dünne Silikonlage auf der Oberfläche vorhanden ist.

Ein weiterer Versuch wurde mit im Labor silikonisierten Flachgläsern durchgeführt. Neben einer einbrennsilikonsierten Probe wurde eine unbehandelte Glasprobe sowie ein kalt präparierter dickerer Silikonfilm auf dem gleichen Glastyp untersucht.

Die Randwinkel auf der nicht silikonisierten Probe sind mit denen der Behältnisgläser vergleichbar. Bei der silikonisierten Probe werden knapp 80° erreicht. Interessant ist die Randwinkelausbildung auf der kalt gespreiteten Silikonölschicht. Die Winkel liegen mit 44° nur relativ gering über den Ausgangswerten der unsilikonisierten Proben. Eigentlich wären hier viel höhere Werte zu erwarten, aber die gespreitete Silikonölschicht tritt offensichtlich in stärkere Wechselwirkung mit dem Wassertropfen als dies bei dem Festkörper möglich ist.

Auch bei Rieder und Steinbach [ 32 ] traten bei Temperung silikonisierter Gläser bei 30° C für 5 Stunden (also ohne Einbrennen) nur Winkel von ca. 45° auf. Die Anwendung von hohen Temperaturen hat daher einen entscheidenden Einfluß auf die Ausbildung des Hydrophobeffektes. Dieses Phänomen muß durch die Orientierung der Siloxanketten bewirkt werden. Bei nicht erhitzten Silikonölschichten herrscht eine zufällige, ungeordnete Struktur der Moleküle, die daneben eine Wechselwirkung von Wasser mit Siloxansauerstoffen zuläßt. Dabei können anscheinend auch die Grenzflächenkräfte des Silikonöls (Schaumzerstörer) wirksam werden, und die Kontaktwinkel fallen ab. Werden die Ketten (auch in Multilagen) durch die Anwendung hoher Temperaturen mit ihren organischen Resten zur Luftseite hin orientiert, steigt die Hydrophobie der Oberfläche und damit der Kontaktwinkel stark an.

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1.5. Ergebnisse der experimentellen Einführung

1.5.1. Gleitverhalten

Zwar erhöhten sich Gleit- und Haftreibungswerte der untersuchten Spritzen nach Extraktion deutlich, aber nicht annähernd so, wie es bei Annahme der vollständigen Entfernung der Silikonölschicht zu erwarten gewesen wäre.

• Durch Lösemittelextraktion von silikonisierten Glaskartuschen werden die Gleiteigenschaften von Gummistopfen in diesen Behältnissen maßgeblich verändert.
• Die zum Drücken des Stopfens benötigte Kraft steigt nach stufenweiser Lösemittelbehandlung ebenso stufenartig auf das ca. Zehnfache ihres Ausgangswertes an.
• Im Vergleich mit unsilikonisierten Kartuschen sieht man, daß die Grenzflächenkräfte zwischen Stopfen und Glaswand durch eine beständige Hydrophobie der Oberfläche auch nach mehrmaliger Extraktion um mindestens den Faktor 10 verringert werden und ein Gleiten von Gummistopfen ermöglichen.
• Die Eigenschaften der extrahierten Zylinder deuten auf eine organisch modifizierte Glasoberfläche hin.
• Das Experiment mit unbeschichteten Glasspritzen führt zum Festsetzen des Stopfens und in der Folge häufig zum Glasbruch.

Für ein einwandfreies Gleiten von Gummi auf Glas ist also eine freie Silikonschicht unabdingbar, auch wenn bereits eine äußerst dünne Lage zur Reduktion der Grenzflächenkräfte ausreicht.

1.5.2. Ablaufverhalten

An silikonisierten und unsilikonisierten Injektionsflaschen wurde mittels Pulverhaftung und Wandbelegung durch Feststoffsuspensionen gezeigt, wie sich die Oberflächeneigenschaften nach der Silikonisierung verändern. Es wird eine stark hydrophobe Oberfläche erzeugt. Durch das Extrahieren dieser Behältnisse mit lipophilen Lösemitteln und mit Lösungen nichtionischer Emulgatoren, wie sie üblicherweise für Silikonölemulsionen eingesetzt werden, wird die Hydrophobie der Oberfläche nicht beeinflußt. Auch wenn evtl. der überwiegende Teil des Silikonöls dadurch entfernt wird, verbleibt offensichtlich eine an der Glasgrenzfläche stark gebundene Schicht, welche die Oberflächeneigenschaften maßgeblich bestimmt.

Setzt man die extrahierten Behältnisse wiederum Temperaturen von 600° C aus, gehen die hydrophoben Eigenschaften verloren. Der Ausgangszustand stellt sich wieder ein und läßt die Glaseigenschaften noch typischer hervortreten.

Bei den Versuchen mit Galaktose-Suspensionen traten die Unterschiede am deutlichsten hervor. Talkum lieferte jedoch nicht die genau entgegengesetzten Effekte, sondern verhielt sich eher uneinheitlich.

41

1.5.3. Kontaktwinkel

Vergleichende Randwinkelmessungen auf silikonisierten Behältnisgläsern zeigten das Verhalten der durch Einbrennsilikonisierung erzeugten Silikonölschicht. Durch die Behandlung mit Lösemitteln wird der größte Teil des Silikons von der Oberfläche entfernt. Die hydrophoben Eigenschaften des Festkörpers verändern sich aber nur gering, wie die Persistenz hoher Randwinkel zeigt. Eine Abnahme um ca. 10° wird durch die Behandlung bewirkt.

Durch Behandlung der so erhaltenen Gläser mit reduzierter Silikonschicht bei steigenden Temperaturen wird die hydrophobe Schicht schrittweise entfernt. Bei isothermer Behandlung mit 400° C wird während einer Stunde noch keine Abnahme des Kontaktwinkels bewirkt. Die Beschichtung an der Grenzfläche ist daher unter diesen Bedingungen als stabil anzusehen. Das Einsetzen pyrolytischer Prozesse führt bei 450° C innerhalb einer Stunde zu einer sichtbaren Reduktion der Hydrophobie, ausgedrückt durch ein Absinken des Kontaktwinkels. Die Verbrennung des Silikons ist bei 550° nach einer Stunde abgeschlossen. Die weitere Erhöhung der Temperatur bewirkt keine zusätzliche Verringerung des Kontaktwinkels.

Der Vergleich mit einer kalt silikonisierten Modellprobe aus DURAN^® Flachglas zeigte, daß das Einbrennen einen ganz wesentlichen Effekt auf die Hydrophobie der Oberfläche hat. Auf einer flüssigen, ungeordneten Silikonölschicht werden viel geringere Randwinkel ausgebildet als nach entsprechender Einbrennbehandlung. Die Wechselwirkungen zwischen der flüssigen Silikonschicht und dem Wassertropfen sind daher anders und werden wahrscheinlich durch die Grenzflächenaktivität des Silikonöls mitbestimmt. Offensichtlich wird daher auch in einer aus vielen Lagen bestehenden PDMS-Beschichtung durch Hitzebehandlung ein Orientierungsvorgang ausgelöst, der nicht nur durch die Anwesenheit der Glasoberfläche erklärt werden kann, wie dies bei Rieder und Steinbach [ 32 ] erfolgte.

Es kann deswegen gefolgert werden, daß der Hitzeprozess für die Erzielung einer guten Hydrophobierwirkung notwendig ist, denn es werden ohne thermische Behandlung nur geringe Randwinkel erzielt.

Es kann weiterhin auf eine Verbrennung einer organischen Substanz auf der Oberfläche geschlossen werden, welche die hydrophoben Eigenschaften bedingte.

42

1.6. Interpretation: Ergebnis der Einbrennsilikonisierung

Die vorstehend beschriebenen Messungen und Beobachtungen lassen folgenden Schluß zu:

Die Einbrennsilikonisierung von Glas hinterläßt mindestens zwei
differenzierbare Komponenten auf der Oberfläche:

1. Eine organische Dünnschicht, die der Glasoberfläche direkt aufliegt und sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:

• Dicke der Schicht im Bereich einer oder einiger weniger Monolagen
• Ursache für hydrophobe Festkörpereigenschaften des Glases
• Orientierung an der Grenzfläche durch "Strukturbefehl" des starren Glases
• Beständigkeit gegen Lösemittel und Detergentien
• Starkes Bindungsverhalten an der Glasoberfläche (chemische Bindung?)

2. Eine Bulkschicht von PDMS oberhalb der Grenzfläche, die charakterisiert werden kann durch:

• Dicke der Schicht je nach Menge des eingesetzten Silikonöls
• Orientierung durch Einbrennen (Hydrophobwirkung)
• Löslichkeit in geeigneten organischen Lösemitteln
• Ursache und notwendiger Faktor für die Gleitreibungsreduktion
• Veränderung in ihrer molekularen Zusammensetzung gegenüber dem Ausgangsprodukt
• schwache Bindungskräfte (Adsorption/Kohäsion)

Es ist Ziel der Analysen dieser Arbeit, diese beiden Hauptkomponenten näher zu charakterisieren bzw. ihre Veränderung gegenüber dem Ausgangszustand zu beschreiben.

1.7. Bewertung und Zusammenfassung

Die vorstehende Analyse des Wissensstandes über die Glassilikonisierung zeigt den defizitären Zustand bei der Erforschung dieses Prozesses, obwohl er seit mindestens 50 Jahren erfolgreich angewandt wird. Über logische Schlußfolgerungen und theoretische Annahmen hinaus wird von keinem der Autoren plausibles Material angeboten. Die hier betrachteten Untersuchungen sind am intensivsten vor dreißig Jahren durchgeführt worden und wurden lediglich auf dem Gebiet der Spreitungsfilme auf Wasser um moderne Methoden ergänzt.

43

Es ist anzunehmen, daß die Gesamtheit der während der Einbrennsilikonisierung ablaufenden Prozesse sehr komplex ist. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Temperaturbelastbarkeit der eingesetzten Silikonölemulsionen und der in ihnen enthaltenen Silikonöle. Je nach chemischer Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und seiner Eigenschaften hinsichtlich Flüchtigkeit, Molekulargewicht und Thermostabilität kann das Resultat der Silikonisierung durchaus unterschiedlich sein, obwohl der technische Prozess durch eingehende Validierung zahlreicher Parameter wie z.B. Einbrennzeit und -dauer beherrschbar ist. Problemlösungen erfolgen dabei meist durch Variation der Bedingungen auf empirischer Basis.

Zwar gibt es Bemühungen, auf andere Art ortsfeste, beständige hydrophobe Oberflächenbeschichtungen zu erzeugen, dennoch ist das Verfahren für die pharmazeutische Industrie in der Parenteraliafertigung nicht wegzudenken.

• Die Silikonisierung sollte daher genauer hinterfragt werden, speziell auch vor dem Hintergrund, daß die Entwicklung von Präparaten in vorgefüllten Injektions-Systemen stetig zunimmt, und hinsichtlich der möglichen Wechselwirkungen zwischen Arzneimittel und Silikonbeschichtung, weil hier eine gleitfähige Schicht essentiell für die Funktionalität ist und es bislang keinen Ersatz für Silikonöle gibt.

Da die Interpretation des Silikonisierresultates zu der Aussage führt, daß mindestens zwei verschiedene Arten von Silikon nach der Einbrennsilikonisierung anwesend sind, werden die gewählten analytischen Methoden zur Beschreibung der Phänomene an dieser Einteilung orientiert.

1.7.1. TEIL I: Analyse der Glasgrenzfläche

Zur Analyse der dem Glas aufliegenden Grenzschicht ist es notwendig, einerseits deren Existenz überhaupt nachzuweisen und andererseits strukturelle Betrachtungen anzustellen.

Alle Experimente hierzu werden an Glasobjekten durchgeführt, die vorher mit einem geeigneten Lösemittel behandelt wurden, um die Silikonölschicht auf den Anteil zu reduzieren, der an der Glasoberfläche fest gebunden ist.

1. Massenspektroskopie

• Direktverdampfungsanalysen mit Glaspulvern im Zentrum einer Ionenquelle
• Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie (TOF-SIMS) zur Oberflächenmassenanalyse silikonisierter Gläser

2. FT-Infrarotspektroskopie

• attenuierte Totalreflexion (multiple oder einfache Reflexion)
• externe Reflexion mit "grazing angle"-Lichteinfall

  ---

  44

• diffuse Reflexion an pulverisierten Gläsern
• Photoakustik-FTIR-Spektroskopie

3. Chemische Oberflächenanalyse (ESCA/XPS)

• small-spot-XPS an flachen und gekrümmten Objekten und Nachweis von PDMS
• Nachweis oder Ausschluß einer chemischen Bindung des Silikons an der Glasoberfläche
• Analyse der Bindungselektronen- und damit der chemischen Feinstruktur

4. Oberflächen-Imaging-Verfahren:

• Rasterelektronenmikroskopie (REM)
• Rasterkraftmikroskopie (AFM/SFM)

1.7.2. TEIL II: Analyse der löslichen Silikonölschicht

Der zweite Block fokussiert auf den Aufbau analytischer Methoden für die Charakterisierung der postulierten Silikonöl-Bulkschicht.

Die Analysen werden hierbei durch Extraktion der Oberfläche und Bewertung des Extraktes mit der jeweiligen Technik durchgeführt. Parallel werden vergleichende Untersuchungen mit entsprechenden Ausgangsmaterialien gemacht.

1 Thermisches Verhalten von Silikonölen und -emulsionen

1.1 Thermoanalyse

• Thermogravimetrie für Verdampfungs- und Pyrolysestudien und -simulationen
• Differential Wärmestrom Kalorimetrie
• "vorher-nacher"-Charakterisierung
• Temperatur-Flüchtigkeits Betrachtungen

2 Chemische Veränderung von Silikonölen durch Einbrennsilikonisierung

Ziel ist es eine "vorher-nachher" Relation mit den ausgewählten Methoden durchzuführen.

2.1 Gelpermeationschromatographie (GPC/SEC)

• Charakterisierung von Silikonölen (Hersteller/Chargen)
• Veränderung der Molekulargewichtsverteilung durch Hitzebehandlung

2.2 Gaschromatographie

• Zusammensetzung von Silikonölen hinsichtlich ihrer verdampfbaren Anteile
• "vorher-nachher"-Bewertung von Silikonölen

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2.3 Infrarotspektroskopie

• Kettenlängenveränderungen durch Analyse von Bandenintensitätsverhältnissen
• Differenzierung verschiedenviskoser Silikonöle

2.4 Kernmagnetische Resonanzspektroskopie

• Anwesenheit von Emulgatoren nach der Einbrennsilikonisierung

3 Beeinflussung von Arzneimitteln durch Migration von Silikonölen

3.1 Atomabsorptionsspektroskopie

• Spurenanalyse von Silikonöl in flüssigen Arzneizubereitungen
• Wiederfindung von ablösbarem Silikonöl nach geringstmöglicher Silikonisierung

Ziel dieser Arbeit ist es, eine vielseitige analytische Beschreibung zu erarbeiten, die eine zeitgemäße Bewertung der Silikonisierung von Pharmapackmitteln aus Glas erlaubt und die es ermöglicht, technische Probleme besser zu verstehen.

Die breite Anlage der ausgewählten analytischen Techniken zur Beschreibung des Themas "Einbrennsilikonisierung bei pharmazeutischen Glaspackmitteln" soll es ermöglichen, aus verschiedenen Bereichen Informationen zusammenzutragen, die dann zu einer Gesamtbeschreibung des Problems verdichtet werden können.

Das umfangreiche Wissen zur Analytik von Polydimethylsiloxanen aus den verschiedensten wissenschaftlichen Gebieten bildet dabei die Grundlage zur Erforschung des hauptsächlich im pharmazeutischen Bereich angewendeten Verfahrens der Einbrennsilikonisierung.

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