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Optische Glasfasern kommen in der Medizintechnik vielfältig zum Einsatz, so zum Beispiel als zuverlässige und langlebige Lichtleiter in der Endoskopie oder Lichttherapie. Dass Spezialglas als technischer Werkstoff für die Faseroptik beste Voraussetzungen und Resultate bietet, dafür gibt es vielerlei Gründe.

Glas als Materialbasis für optische Fasern – wie sie für flexible und starre Lichtleiter verwendet werden – ermöglicht, dass Licht in höchster Qualität an die gewünschte Austrittsstelle geliefert wird. Dies liegt unter anderem an dem hohen Farbwiedergabeindex CRI (color rendering index) des Systems aus Lichtquelle und Glasfasern. Die Glasfaser als passives Element kann man sich als eine Art Filter vorstellen, der die ursprüngliche Farbwiedergabe der Lichtquelle nur sehr wenig verändert. Dadurch können Ärzte das zu untersuchende Gewebe mit hoher Farbechtheit sehen – ein Faktor, der für präzise Diagnosen entscheidend ist.

Ein weiterer Vorteil von Mehrkomponenten-Glasfasern sind die großen Öffnungswinkel von bis zu 120 Grad. Dadurch kann zum einen sehr viel Licht von der Lichtquelle eingekoppelt werden; zum anderen wird das Licht im selben Winkel abgestrahlt und leuchtet somit ein größeres Sichtfeld aus. Polymerfasern sind aktuell nur mit einem Öffnungswinkel von unter 70 Grad verfügbar.

Die theoretische Grundfestigkeit von Glas ist höher als die anderer Materialien. Anfällig sind Gläser nur an ihrer Oberfläche, von der aus sich mechanische Verletzungen durch Kratzer oder Risse weiter in das Material hineinarbeiten könnten. Dem Risswachstum kann man allerdings durch geschickte Auswahl von Kern- und Mantelglas vorbeugen, wodurch innerhalb der Glasfasern eine Druckspannung erzeugt wird. Derart stabilisierte Fasern lassen sich mechanisch bis auf kleinste Durchmesser im Bereich von 30 Mikrometern herunterziehen. Optisch halten sich die Streuverluste bei der Totalreflexion an der Grenzfläche Kern-/Mantelglas auch bei kleinen Durchmessern in vertretbaren Grenzen.

Bei Polymerfasern ist durch den Herstellprozess die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel nicht so präzise definiert. Dadurch kommt es zu vermehrter Streuung bei der Totalreflexion. Je dünner die Faser, desto größer die Verluste, da mehr Kontakte mit Totalreflexionen auftreten. Ein Grund dafür, dass die Durchmesser von Polymerfasern bei mindestens 250 Mikrometern liegen.

Wer an Alltagsgläser denkt, mag es nicht glauben: Fasern aus Spezialglas sind biegsamer und flexibler als Kunststofffasern. Je kleiner der Faserdurchmesser, desto geringer die realisierbaren Biegeradien – rein mechanisch betrachtet. Aber was passiert mit dem Licht in der Faser? An der Biegestelle ändern sich die Bedingungen für die Totalreflexion – der Grenzwinkel wird überschritten und Licht koppelt aus der Faser aus. Hier sind Materialien mit großem Öffnungswinkel wie Mehrkomponentenglasfasern im Vorteil, da sie bei Biegungen mehr Licht in der Faser halten.

Dies ist etwa in flexiblen Endoskopen, in denen Lichtleiter geschmeidig durch den menschlichen Körper an ihren Einsatzort geführt werden, von großem Vorteil. Zudem beanspruchen dünnere Fasern weniger Platz für ihren Einbau in Geräten, erlauben die Konstruktion dünnerer Endoskope und begünstigen damit die Wundheilung nach minimalinvasiven Eingriffen.

Glasfasern bieten bei der Temperaturfestigkeit gegenüber Kunststofffasern eindeutige Vorteile. Denn Lichtquellen erzeugen Wärme, die einkoppelseitig Temperaturen von mehr als 100°C leicht überschreitet. Kunststofffasern weisen hierfür keine ausreichende Temperaturfestigkeit auf, da sie bereits bei mehr als 80°C verbrennen. Glasfasern hingegen eignen sich auch für den Einsatz mit Hochleistungslichtquellen z.B. auf Xenon-Basis oder für moderne LED-Lichtquellen. Für diesen Fall werden die Glasfaserbündel heiß verschmolzen statt mit Epoxidklebern endkonfektioniert. Dadurch werden Temperaturfestigkeiten bis 350°C erreicht – ein unschlagbares Argument für den Langzeiteinsatz.

Auch bei der Wiederaufbereitung sind sichere Hochtemperatur-Sterilisationsverfahren wie das Autoklavieren bei bis zu 137°C keine Herausforderung für Glasfasern. Diese Verfahren sind Standard bei starren Endoskopen wie Laparoskopen oder faseroptischen Dentalstäben.

Der Werkstoff Glas ist chemisch und biologisch inert und daher sehr gut verträglich. Anders als manche Kunststoffe löst er keine Allergien aus. In diesem Materialvergleich hat Glas zudem die deutlich höhere chemische Beständigkeit, ist stabil gegen vielerlei Lösungsmittel, Säuren und Laugen und zeigt keinerlei Wechselwirkungen mit anderen chemischen Stoffen. Dies ist ein weiterer Vorteil von Glasfasern auch mit Blick auf die wiederholte Reinigung und Sterilisation mittels chemischer Verfahren wie der Reinigung im Thermodesinfektor oder Niedertemperatursterilisationsverfahren auf Basis von Plasma oder Wasserstoffperoxid. Diesen haben im Allgemeinen starke Wechselwirkungen mit Kunststoffen und können nicht dauerhaft eingesetzt werden.

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Als übergeordnetes Fazit lässt sich sagen, dass überall dort, wo es um hohe Qualität und Leistung, um medizinische und regulatorische Höchstanforderungen geht, der Werkstoff Spezialglas trumpft. Weil die Ansprüche an die Lichttechnik in der Medizin noch steigen, wird sich auf manchen Feldern für Glasfasern in Zukunft ein noch breiteres Einsatzfenster öffnen.

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* Die Autorin Karen Holst ist Senior Product Manager Medical der Firma Schott.

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