CH691360A5 - Beschichtung mit zellwachstumsverzögernden bzw. -verhindernden Eigenschaften. - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung mit zellwachstumsverzögernden bzw. -verhindernden Eigenschaften, verschiedene Verwendungen der erfindungsgemäss definierten Beschichtungen sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mit zellwachstumsverzögernder bzw.     -verhindernder Eigenschaft. 



  Dünne Beschichtungen aus hartem, amorphem, hydrogeniertem Kohlenstoff, ebenfalls bekannt als amorpher, diamantartiger Kohlenstoff, werden bereits für eine Vielzahl von Anwendungen infolge der hervorragenden Eigenschaften verwendet. Zu erwähnen sind hohe Härte, Chemikalienbeständigkeit, wie insbesondere Korrosionsbeständigkeit, hohe Abriebfestigkeit, wie auch gute Wärmeleitung. Im Weiteren ist es durch Variierung der Abscheidebedingungen bzw. durch unterschiedliche Wahl der Prozessführung möglich, Beschichtungen von polymerähnlichen Eigenschaften bis zu hochharten Beschichtungen zu erhalten. 



  Kohlenstoff selbst ist bekannt als ein Material mit hervorragender Biokompatibilität, wie auch Hämokompatibilität bzw. Verträglichkeit mit Blut. Infolge der biologischen Verträglichkeit besteht somit ein wachsendes Interesse für Anwendungen von diamantartigen Kohlenwasserstoffschichten, wie insbesondere bei medizinischen Implantaten, wie beispielsweise Herzklappen, Kathetern usw. 



  Ein wichtiger Faktor derartiger Beschichtungen bei medizinischen Implantaten ist allerdings, dass nebst guter Chemikalienbeständigkeit auch sogenannte oberflächenspezifische Bio-Reaktionen verhindert werden müssen, wie beispielsweise das Zellwachstum auf der Kohlenstoffschicht. Dabei ist es wesent lich, dass allenfalls in die Kohlenstoffschicht eingebaute Additive zur Verzögerung bzw. Verhinderung des Zellwachstums nicht toxisch sein dürfen und zudem die gute Bioverträglichkeit der Kohlenstoffschicht nicht negativ beeinflusst wird, damit ein mit einer derartigen Beschichtung versehenes Implantat vom Körper nicht abgestossen wird. 



  Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Beschichtungen vorzuschlagen, welche zellwachstumsverzögernde bzw. -verhindernde Eigenschaften aufweisen, um insbesondere die Verwendung der eingangs erwähnten diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungen in der Medizinaltechnik zu ermöglichen, wo Zellwachstum ein kritischer Faktor ist. 



  Die erfindungsgemäss gestellte Aufgabe wird mittels einer Beschichtung gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst. 



  Vorgeschlagen wird eine Beschichtung, wobei die diamantartige Kohlenstoffschicht bzw. die amorphe, hydrogenierte Kohlenstoffschicht mindestens ein Metall enthält. Vorgeschlagen wird mindestens eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht, beinhaltend ein Metall und/oder eine metallorganische Verbindung und/oder ein Metallkarbid. 



  Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch das Einbauen von Metallen bzw. metallorganischen Verbindungen oder Metallkarbidverbindungen, wie vorzugsweise Kupfer oder Silber bzw. Verbindungen davon, auf entsprechenden Beschichtungen das Zellwachstum effizient verzögert bzw. verhindert werden kann. Dabei hat es sich gezeigt, dass der verzögernde bzw. verhindernde Effekt insbesondere bei einem Metallanteil bis zu maximal 30%, vorzugsweise zwischen 6 bis 16%, effizient erzielt werden kann, wobei ein Anteil von ca. 10 bis 16% an  Kupfer bzw. Silber bereits ausreicht, um ein Zellwachstum auf der Beschichtung effizient zu verhindern. 



  Die gebräuchlichste Methode zum Abscheiden von sogenannten diamantartigen Kohlenstoffschichten (kurz DLC) ist das Hochfrequenzplasma-unterstützte CVD-Verfahren. Dieses Verfahren gestattet einerseits die dreidimensionale Beschichtung von Werkstücken verschiedenster Form, und anderseits können damit nebst Glas und Kunststoff auch Metall und Keramikteile beschichtet werden. Zusätzlich geschieht die Abscheidung bei niedrigen Temperaturen, d.h. unter 150 DEG C. Die niedrige Prozesstemperatur erlaubt zusätzlich die Abscheidung auf temperaturempfindliche Materialien, wie gehärtetem Stahl, Leichtmetallen und Kunststoffen. Dabei wird bei einem Gasdruck von wenigen Pascal durch eine angelegte RF-Hochfrequenzspannung um die zu beschichtenden Teile ein Plasma erzeugt. Die Einkoppelung erfolgt kapazitiv über die Elektrode, auf der die zu beschichtenden Teile montiert werden.

   Infolge der unterschiedlichen Masse von Elektronen und Ionen und damit unterschiedlicher Beweglichkeiten im RF-Feld werden die zu beschichtenden Teile vorzugsweise negativ aufgeladen, wodurch die Ionen auf die Oberflächen beschleunigt werden. 



  Als Ausgangsgas wird am häufigsten Azetylen verwendet, weil es die dichtesten und härtesten Schichten bei einer hohen Wachstumsgeschwindigkeit ergibt, aber prinzipiell kann jedes kohlenstoffhaltige Gas verwendet werden. Während der vorgängigen Argonplasmareinigung und auch während des Abscheideprozesses wird eine negative Vorspannung bei mehreren hundert Volt bei einem Gasdruck von 1 bis 2 Pascal eingestellt. Die Eigenschaften der Schichten werden durch Gasdruck, Gaszusammensetzung, Gasfluss und Strömung, RF-Leistung und geometrische Randbedingungen beeinflusst. Um harte DLC-Schichten zu erhalten, ist die zusätzliche Beschleunigung der Ionen und  das daraus resultierende Bombardement der Oberfläche absolut notwendig. Bei zu kleinen Vorspannungen entstehen weiche, polymerartige Schichten, während bei zu hohen Spannungen eher graphitartige Schichten abgeschieden werden.

   In Abhängigkeit der Abscheidebedingungen stehen die DLC-Schichten unter kompressiven Eigenspannungen von 0,5 bis zu 5 GPa. Unter den erwähnten üblichen Abscheidebedingungen erhält man Wachstumsraten bis zu 3  mu m pro Stunde. 



  Um nun die erfindungsgemäss geforderten Metalle in die DLC-Schicht einzubauen, wird zusätzlich zum RF-Plasma noch eine Gleichspannungsentladung (DC-Plasma) mit Argon über dem entsprechenden Metalltarget erzeugt. Dadurch werden Metallatome aus dem Target herausgesputtert, die dann zusammen mit dem Kohlenstoff aus dem RF-Plasma in der Schicht eingebaut werden. Die Metallkonzentration wird dabei einerseits durch die Stärke des DC-Plasmas und anderseits durch das Verhältnis zwischen Argon und Abscheidegasmenge bestimmt. 



  Anhand der nachfolgenden experimentellen Beispielen soll unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1 und 2 dargelegt werden, dass mit dem Einbau von Silber bzw. Kupfer in eine amorphe Kohlenwasserstoffbeschichtung die Zellbildung auf der Oberfläche der Beschichtung verzögert bzw. verhindert werden kann. Dabei zeigt: 
 
   Fig. 1 grafisch dargestellt bei unterschiedlichen Silberkonzentrationen das Zellwachstum während einer Dauer von 0 bis 7 Tagen, und 
   Fig. 2 das Zellwachstum auf der Oberfläche einer amorphen Kohlenwasserstoffbeschichtung, Kupfer mit unterschiedlicher Konzentration beinhaltend. 
 



  Für die verschiedenen Beschichtungen, welche für die Untersuchungen des Zellwachstums, dargestellt in den Fig. 1 und 2, dienten, wurden die folgenden experimentellen Bedingungen gewählt: 



  Die verschiedenen Beschichtungen wurden hergestellt in einer Hochvakuumkammer aus rostfreiem Stahl, in welcher ein Vakuum erzeugbar ist besser als 2 x 10<-><6> Pa. Vor dem Beschichten der Substrate (Glasplättchen), welche auf der mit Hochfrequenz betriebenen Elektrode angeordnet worden sind, wurden die Proben während 30 Minuten in einem reinen Argonplasma bei 2 Pa gereinigt. Während des Reinigungsvorgangs und der Ablagerung wurde der Hochfrequenzgenerator-Leistungsoutput (13,65 MHz) geregelt, um eine konstante Vorspannung von -600 Volt einzustellen. Nach dem Reinigen der Substrate wurde eine ungefähr 30 nm dicke Si-a-C:H-Haftschicht mittels plasmaaktiviertem CVD von Tetramethylsilan (TMS) bei einem Druck von 2 Pa abgelagert.

   Silber oder Kupfer enthaltende amorphe Kohlenwasserstoffschichten von 200 nm Dicke wurden mittels plasmaaktiviertem CVD aus einer Mischung von Methan und Argon und dem gleichzeitigen Magnetronsputtern von einem Silber- bzw. Kupfertarget hergestellt. Die Ablagerung wurde bei 12 sccm Argon und 1.4 sccm CH4 und bei einem totalen Druck von 1,7 Pa durchgeführt. Der Silber- bzw. Kupfergehalt der Beschichtungen wurde mittels der am Magnetron angelegten Stromstärke eingestellt. Die Substrattemperatur während der Ablagerung betrug ungefähr 100 DEG C infolge der direkten Plasmabeheizung. 



  Die chemische Oberflächenzusammensetzung wurde mittels Röntgen-Photoelektronspektroskopie (XPS) ermittelt. 



  Die Beschichtung von Substraten zur Herstellung der Proben erfolgte jeweils auf einem grösseren Probenhalter, sodass bis zu 40 Substrate während einer Prozessführung beschichtet  und anschliessend analysiert werden konnten. 



  Um den Einfluss des Silbergehaltes bzw. des Kupfergehaltes in der Kohlenwasserstoffbeschichtung in Bezug auf Biokompatibilität bzw. auf Zellwachstum zu untersuchen, wurden Kurzzeit-Zellkultivierungstests durchgeführt. Die Proben wurden zunächst durch zyklisches Waschen in einer Lösung von Ethanol/bidestilliertem Wasser (70 zu 30) sterilisiert und in jeweils 24 Schalen enthaltende Kontrollplättchen aus Polystyrol eingefüllt. Reine Polystyrolplättchen ohne Beschichtungen wurden als Kontrolloberflächen verwendet. Am Tage 0 wurden 5000 Zellen (Knochenzellen, MC3T3E1-Zelllinie) in 60  mu l Nährlösung (Alpha-MEM, 5% Foctal-bovine-Serum, 0,2% Gentamyzine, erhältlich von Gibco) pro Probe während 30 Minuten bei 37 DEG C, 5% CO2 und 95% relativer Feuchtigkeit inkubiert. Nach dem Absetzen wurde das Medium bis zu 1 ml aufgefüllt und weiter inkubiert.

   Nach Intervallen von bis zu sieben Tagen wurden die Zellen von der Oberfläche entfernt durch Hinzufügen von 0,5 Milliliter Trypsin. Die Proben wurden dann mit 0,5 mm Phosphat-gepufferter Salzlösung gewaschen. Die Anzahl Zellen pro Probe wurde in einem Zellzähler bestimmt, und der Mittelwert von jeweils drei Proben ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. 



  In den beiden Fig. 1 und 2 sind die Resultate der Experimente dargestellt, wobei eine Beschichtung untersucht worden ist, bestehend ausschliesslich aus amorphem Kohlenwasserstoff, eine Kontrollmessung auf Polystyrol erfolgte, sowie weitere Messungen bei unterschiedlichen Silber- bzw. Kupferanteilen. Dabei zeigt Fig. 1 den Anteil Silber, wobei bei einem Anteil von 8% Silber in der Kohlenwasserstoffschicht das Zellwachstum nur unwesentlich von demjenigen abweicht auf der reinen Kohlenwasserstoffbeschichtung. Demgegenüber ist bei einem Gehalt von 16% Silber die Verzögerung des Zellwachstums er heblich, d.h. das Zellwachstum beträgt ca. nur noch 50% von demjenigen bei einem Anteil von 8%. 



  Noch deutlicher sind die dargestellten Resultate in Fig. 2, wo bereits bei einer Beschichtung mit einem Anteil von 10% Kupfer praktisch überhaupt kein Zellwachstum mehr festgestellt werden konnte nach der Kurzzeittestphase von sieben Tagen. 



  Aus den Experimenten kann also geschlossen werden, dass, wenn der Silber- oder Kupfergehalt einen gewissen Anteil in der Kohlenwasserstoffbeschichtung übersteigt, das Zellwachstum weitgehendst gestoppt werden kann und die meisten Zellen absterben. Dabei hat ein Vergleich der silberbeinhaltenden Beschichtungen und der kupferbeinhaltenden Beschichtungen gezeigt, dass Silber enthaltende Beschichtungen wohl das Zellwachstum drastisch reduzieren, jedoch, im Gegensatz zu Kupfer enthaltenden Beschichtungen, bereits auf der Beschichtung angeordnete Zellen nicht absterben.

   Weiter hat es sich gezeigt, dass ein maximaler Wert von ca. 30% Anteil Metall in der Kohlenwasserstoffbeschichtung nicht überschritten werden sollte, da einerseits die zellwachstumshemmende Wirkung nicht mehr entscheidend verbessert werden kann und anderseits die hervorragenden Eigenschaften der amorphen Kohlenwassserstoffschichten durch einen zu hohen Anteil Metall negativ beeinflusst werden können. 



  Die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Beschichtungen eignen sich insbesondere für die verschiedensten Anwendungen im Medizinalbereich, speziell zum Beschichten von Implantaten, wie speziell von temporären Implantaten, wie Kathetern. Die Beschichtungen eignen sich auch für das Beschichten von länger im menschlichen Körper verbleibenden Implantaten, wie Pumpen, Ventile und dergleichen. Der grosse Vorteil der erfindungs gemäss vorgeschlagenen Beschichtungen liegt auch darin, dass sie nicht toxisch sind, bioverträglich sind und schlussendlich vom menschlichen Körper nicht abgestossen werden. 



  Erfindungsgemäss definierte Beschichtungen eignen sich aber auch für Pumpen, Rohrleitungen und dergleichen in sogenannten Bioreaktoren, wo biologische Flüssigkeiten zu transportieren bzw. zu lagern bzw. zu verarbeiten sind. Auch in der Pharmazeutik können die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Beschichtungen in Pumpsystemen, Röhren, Reaktoren und dergleichen Verwendung finden. Auch Anwendungen im Bereich der Nahrungsmittelverarbeitung bzw. -herstellung sind denkbar. 



  Grundsätzlich gilt, dass die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Beschichtungen insbesondere dort geeignet sind, wo Zellwachstum auf bzw. an Oberflächen verzögert bzw. verhindert werden soll. 



  Die beiden in den experimentellen Beispielen verwendeten Metalle haben sich als besonders geeignet erwiesen, doch kann grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass auch noch andere Metalle in amorphen Kohlenwasserstoffschichten eingebaut werden können, um auf der Oberfläche dieser Schichten ein Zellwachstum zu verzögern bzw. zu verhindern. Insofern ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beiden beispielsweise genannten Metalle Kupfer und Silber beschränkt, sondern grundsätzlich gilt, dass sämtliche für das Verhindern von Zellwachstum geeigneten Metalle in einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht in der vorliegenden Erfindung miteingeschlossen sind. Es ist schlussendlich eine Frage des Durchführens von umfangreichen Testreihen, um weitere geeignete Metalle zu ermitteln. 

Claims (13)

1. Beschichtung mit zellwachstumsverzögernden bzw. -verhindernden Eigenschaften, gekennzeichnet durch eine metallenthaltende Kohlenwasserstoffschicht.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, enthaltend mindestens eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht, beinhaltend ein Metall und/oder eine metallorganische Verbindung und/oder ein Metallkarbid.

3. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallbestandteil Kupfer und/oder Silber und/oder Legierungen und/oder Verbindungen davon geeignet sind.

4. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 0,1 bis 10 mu m beträgt.

5. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 100-500 nm, vorzugsweise zwischen 200-300 nm beträgt.

6.

Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Metall in der Beschichtung bis zu maximal 30% beträgt.

7. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil Metall in der Beschichtung 6 bis 20%, vorzugsweise 10 bis 15% beträgt.

8. Verwendung der Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Beschichtung von Instru menten, Vorrichtungen und Geräten in der Medizinaltechnik, wie insbesondere von Implantaten sowie von chirurgischen Geräten und Instrumenten.

9. Verwendung der Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für das Beschichten von Apparaturen und Vorrichtungen bei biologischen, pharmazeutischen oder biochemischen Prozessen.

10.

Verwendung der Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei Apparaturen und Vorrichtungen für die Verarbeitung oder Herstellung von Nahrungsmitteln.

11. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zellwachstumsverzögernder bzw. -verhindernder Eigenschaft, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Plasmaentladung eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht erzeugt wird, wobei gleichzeitig ein Metall von einem Target mittels Sputtern in der Beschichtung miteingebaut wird.

12.

Verfahren nach Anspruch 11, zum Beschichten von Glas, Kunststoff, Keramik oder Metall, dadurch gekennzeichnet, dass eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht mittels Hochfrequenzplasma-aktiviertem CVD erzeugt wird und gleichzeitig überlagert mittels Magnetronzerstäubung von einem Metalltarget mittels Sputtern das Einbauen von Metall in der amorphen Kohlenwasserstoffschicht erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass überlagert bzw. gleichzeitig mit der Erzeugung der Kohlenwasserstoffschicht Silber oder Kupfer mittels Sputtern von einem entsprechenden Target in die Schicht eingebaut wird.