DE10309019A1 - Deformierbares medizinisches Implantat oder Implantatteil und Verfahren für dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Randschicht von flexiblen medizinischen Implantaten oder Implantatteilen aus Edelstahl sowie ein Verfahren zu deren Generierung. Die Randschicht ist als deformations- und biokompatible Randschicht funktionalisiert, wobei die Deformationskompatibilität die Riss- und Delaminationsresistenz umfasst und die Biokompatibilität die elektrische Polarisierbarkeit, den Korrosionswiderstand, das Lösungsverhalten von Schwermetallionen sowie die Oberflächentopographie umschließt. Als Verfahren zur Generierung der Randschicht wird ein vakuumgestütztes ionenbasiertes Verfahren der Oberflächentechnik unter gleichzeitiger Ausnutzung von Implantations- und Zerstäubungseffekten genutzt. DOLLAR A Anwendungsgebiete der Erfindung sind deformierbare medizinische Implantate oder Teile solcher Implantate, welche vollständig oder partiell aus Edelstählen gefertigt sind. Derartige Implantete werden bevorzugt als Gefäßstützen in der Angiologie und Kardiologie bzw. in der Traumatologie und Orthopädie eingesetzt.

Description

• Die Erfindung betrifft deformierbare medizinische Implantate oder Implantatteile, welche als Gefäßstützen in der Angiologie und Kardiologie bzw. in der Traumatologie und Orthopädie eingesetzt werden sowie ein Verfahren zur Generierung einer Oberflächenrandschicht der Gefäßstützen.
• Die Implantate dienen der Erweiterung und Abstützung verengter oder geschwächter Abschnitte von Gefäßsystemen im menschlichen oder tierischen Körper. Die auch als Stents bezeichneten Gefäßstützen werden über eine äußere Öffnung in das betroffene Gefäßsystem eingeführt, an ihren Zielort verbracht und dort so weit aufgeweitet, bis sie als mechanische Stützen für den betroffenen Gefäßabschnitt wirken. Die Positionierung und Aufweitung der Stents erfolgt mittels eines Ballonkatheters.
• Gefäßstützen unterliegen hohen Anforderungen an ihr mechanisches und chemisch-biologisches Leistungsvermögen:
  Die mechanischen Eigenschaften von Gefäßstützen müssen dabei den Bedingungen der Positionierung, Aufweitung und Stützwirkung von Stents genügen, wobei die Formhaltigkeit bei der Aufweitung der Stents und ein hinreichend hoher Deformationswiderstand der expandierten Stents von besonderer Bedeutung sind.
• Bevorzugte Stentformen sind gitterförmige Rohrstrukturen mit Wanddicken und Stegbreiten im Bereich von 100 μm. Bei der radialen Aufweitung dieser Strukturen können in kritischen Bereichen Materialdehnungen von bis zu 50 % auftreten, was unter anderem zu lokalen Rissausbildungen führen kann (J.-W. Park und F. Jung (Hrsg.), Stent-Restenose: Mechanische und therapeutische Strategien, Pabst Science Publishers, Lengerich 2000, S. 35).
• Eine für Stents häufig genutzte Stahllegierung ist der Edelstahl 316 L (ASTM-Bezeichnung) mit ca. 65 Massenprozent Eisen, 17 bis 20 Massenprozent Chrom, 12 bis 14 Massenprozent Nickel und 2 bis 4 Massenprozent Molybdän. Die Oberflächenrauheit der Stents ist in der Regel mittels Elektropolitur auf mittlere Werte von R_a = 0,01 μm und R_Z = 0,04 μm eingestellt. Lokale Abweichungen von diesen Werten, insbesondere die Ausbildung scharfkantiger und spitzer Oberflächenstrukturen können dabei allerdings nicht ausgeschlossen werden.
• Die chemisch-biologischen Anforderungen an Stents betreffen hauptsächlich die Korrosionsbeständigkeit, antithrombotische Oberflächeneffekte sowie Anwachsbedingungen für die Gefäßintima. Letzteres wird unter anderem durch die Oberflächentopographie der Stents, die chemische Reaktivität, Löslichkeit und Toxizität der Legierungsbestandteile sowie durch die elektrische Polarisierbarkeit der Oberfläche bestimmt (E. Wintermantel und S.-W. Ha: Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen, Springer, Berlin 1998, S. 129 f.).
• Hohe Risikofaktoren für das Einwachsen der Stents sind scharfkantige und spitze Oberflächenstrukturen sowie aus der Stentoberfläche freigesetzte Schwermetallionen (J.-W. Park und F. Jung (Hrsg.), Stent-Restenose: Mechanische und therapeutische Strategien, Pabst Science Publishers, Lengerich 2000, S. 54 ff.).
• Die mechanischen Eigenschaften der Stents werden durch das verwendete Material und die Stentstruktur bestimmt, die chemisch-biologischen Eigenschaften dagegen hauptsächlich über Oberflächeneffekte. Die Oberflächen von Stents sind somit eine wesentliche Komponente für das Leistungsvermögen der Stents und Gegenstand einer Reihe von Entwicklungen, welche im Folgenden kurz dargestellt werden sollen.
• Bekannte Lösungsvorschläge für die biokompatible Oberflächenmodifizierung medizinischer Implantate bzw. von Edelstahl, insbesondere von Stents, finden sich u. a. in der DE 299 24 161 U1 . Darin sind mehrere Deckschichten beschrieben, welche unter anderem auch als Schutzschichten gegen das Austreten von Nickelionen wirken sollen. In einer ersten Gruppe sind dies nickelfreie Deckschichten aus Magnesium-, Aluminium-, Eisen- und/oder Wolframoxid mit Schichtdicken zwischen 30 nm und 1,5 μm, welche entweder elektrolytisch aufgebracht bzw. oxidiert sind oder aus der Dampfphase abgeschieden werden können. Bei den angegebenen Schichtmaterialien handelt es sich allerdings um sehr spröde Materialien. Deren sichere Anbindung an Stentbereiche, welche bei der Expansion um bis zu 50 % gedehnt werden, ist mit den genannten Beschichtungsverfahren nicht möglich. Des Weiteren sind für die genannten Schichtmaterialien bei Dicken von mehr als ca. 100 nm in den Bereichen großer Dehnung des Trägermaterials Brüche und Ausbrüche in der Schicht zu erwarten.
• In einer zweiten Gruppe von Schichtmaterialien ist in der DE 299 24 161 U1 eine oxidierte Oberflächenschicht (Randschicht) des Trägermaterials als Deckschicht benannt. Das Trägermaterial wird hierbei allerdings lediglich als Metall bezeichnet, was keine Bewertung der oxidierten Randschicht bezüglich der oben genannten Kriterien für Deckschichten auf Stents erlaubt. Darüber hinaus fehlt für die oxidierten Randschichten eine Abgrenzung von der auf Metallen vorhandenen nativen Oxidschicht.
• Aus A. Lacoste u. a., Surf. Coat. Technol., 156 (2002) 225-228)2 ist bekannt, dass Oxidschichten auf Edelstählen prinzipiell auch mittels Implantation von Sauerstoffionen hergestellt werden können. Hierbei erweist es sich aber, dass die Oxidschicht unter der äußeren Oberfläche entsteht und zusätzlich im unmittelbaren Oberflächenbereich eine Chromverarmung auftritt. Gleichzeitig werden keine Oberflächenrauhigkeiten abgebaut. Insgesamt muss bei dieser Art von Randschichten mit einer verringerten Deformations- und Biokompatibilität im Vergleich zu der vorgeschlagenen Lösung gerechnet werden.
• Aus der US 2002 00 92 583 A wird für Implantate aus Nitinol mit einem Nickelanteil von 50 Masseprozent eine Absenkung des Nickelanteils in einer vorzugsweise 10 nm dicken Randschicht auf weniger als 3 Masseprozent vorgeschlagen. Offen bleibt hierbei, wie die Nachdiffusion von Nickel aus dem Volumenbereich der Legierung unterdrückt werden kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu eliminieren. Das medizinische Implantat oder Implantatteil für aus Edelstahl gefertigte Gefäßstützen soll eine deformations- und biokompatible Randschicht aufweisen. Der Begriff Deformationskompatibilität steht hierbei für die Rissresistenz und Verbundsicherheit des Randbereiches bei der Stentexpansion. Der Begriff Biokompatibilität bezieht sich auf das Fehlen gefäßschädigender scharfkantiger und spitzer Oberflächenstrukturen, auf die Korrosionsbeständigkeit, auf den Schutz gegen die Freisetzung von Metallionen sowie auf die elektrische Polarisierbarkeit der Stentoberfläche.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Randschicht ist Gegenstand des rückbezogenen Anspruchs 5. Vorzugsweise Weiterbildungen der Randschicht und des Verfahrens zu ihrer Herstellung sind Gegenstand jeweils abhängiger Unteransprüche.
• Die multifunktionellen Anforderungen an die Randschicht (5) werden hierbei durch ein Schichtsystem mit folgenden Strukturkomponenten erfüllt:

  

  
• Die Herstellung der Randschicht und die Generierung der oben genannten Strukturkomponenten erfolgt durch hochenergetisches und im zeitlichen Mittel polyanguläres Ionenbombardement mit Sauerstoffionen oder mit Ionen, welche Sauerstoff enthalten. Hierbei wird ein auf 3 keV bis 80 keV beschleunigter großflächiger Ionenstrahl (8) auf die einzeln positionierten Stents gerichtet, wobei die Ausdehnung des Ionenstrahles quer zur Längsachse (4) größer als der Durchmesser (1) jedes der mit Ionen zu beschießenden Implantate oder Implantatteile ist. Damit ändert sich der Einfallswinkel der Ionen auf der Stentoberfläche von nahezu streifendem Einfall (10) an den langen Seiten der Projektionsfläche (2) bis zu senkrechtem Einfall (9) im Bereich der Längsachse der Projektionsfläche (2).
• Mit den Extremwerten dieser Einfallswinkel korrelieren für den angegebenen Ionenenergiebereich die Feststoffzerstäubung (streifender Einfall) und die Ionenimplantation (senkrechter Einfall). In den Übergangsgebieten der Stentoberfläche treten entsprechend Mischformen der beiden Elementareffekte auf. Durch gleichmäßige Rotation der Stents um ihre Längsachse (4) werden die Anteile der Feststoffzerstäubung und der Ionenimplantation über dem gesamten Umfang homogenisiert.
• Die oben angegebenen Effekte gelten für die Außen- und die Innenfläche der Stents. Die schmalen Stegstrukturen (3) der Stents ermöglichen hierbei einen zur Außenseite nahezu identischen Beschuss der Innenseite der Stents.
• Zusätzlich zu den oben beschriebenen Eigenschaften ist der Effekt der Nickelverdrängung aus der Randschicht des Edelstahls infolge des im zeitlichen Mittel polyangulären Ionenbeschusses bei gleichzeitiger Ausbildung einer Nickeldiffusionsbarriere in Form eines oxidischen Randschichtbereiches eine funktionelle Kombination, welche bisher nicht bekannt war. Eine festkörperphysikalische Interpretation dieses Effektes kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht gegeben werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist das Aufbringen einer zusätzlichen funktionellen Deckschicht, wie beispielsweise Kohlenstoff, zur Modifizierung der Zellanwachsbedingungen auf der äußeren Randschicht (5.1). Als besonders vorteilhaft für die Ausbildung des Randbereiches erweisen sich die in den folgenden Ausführungsbeispielen genannten Parameterbereiche.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben und in zugehörigen Zeichnungen illustriert:
• Es zeigen:
• 1a: eine schematische Darstellung eines Stents in Vorderansicht und Draufsicht mit schraffierter Projektionsfläche (2),
• 1b : eine schematische Schnittdarstellung einer dreigeteilten Randschicht (5) mit einer qualitativen Darstellung der Elementekonzentration über der Tiefe der Randschicht (S),
• 2: eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse beim Ionenbeschuss eines Stents (7) mit einem hochenergetischen Ionenstrahl (8),
• 3a: ein Elemente-Tiefenprofil (Augenelektronen-Spektroskopie) eines Stents nach dem Ionenbeschuss sowie Darstellung der drei Randschichtbereiche (5.1, 5.2, 5.3),
• 3b: ein Elemente-Tiefenprofll gemäß 3a nach einer zusätzlichen Wärmebehandlung des Stents bei 300 °C unter Vakuumbedingungen.
• Edelstahlstents mit einem äußeren Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 13 mm werden in einer Vakuumkammer mit einer im Deckel befindlichen Ionenstrahlquelle so auf einer beweglichen Unterlage platziert, dass sie mittels Abrollbewegungen den Bereich des Ionenstrahls mehrfach durchlaufen können. Die Ausdehnung des Ionenstrahls in Höhe der Stents beträgt 2 cm × 10 cm. Nach der Positionierung der Stents wird die Vakuumkammer auf einen Basisdruck von 1·10^-5 mbar evakuiert. Nach Erreichen dieses Ausgangsdruckes werden die Stents in Rollbewegungen versetzt und der Ionenstrahl zugeschaltet. Als Ionen werden Kohlenmonoxidionen verwendet. Die Beschleunigungsspannung der Ionen beträgt 60 keV und die mittlere Stromdichte 0,5 μA/cm². Die Prozesszeit ist unter Berücksichtigung der Stentbewegung so gewählt, dass eine mittlere Implantationsdosis von 2·10¹⁶ Ionen/cm² realisiert wird.
• Mit dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren wurden Randbereiche auf verschiedenen Stents sowie auf Flachproben erzeugt. Die Tiefenprofile der somit erzeugten Randbereichen wurden mittels Augerelektronenspektroskopie untersucht, wobei partiell Temperzyklen zum Nachweis der Diffusionsbarrierenwirkung der Schichten zwischengeschaltet wurden. Im untersuchten Temperbereich von bis zu 300 °C konnten hierbei keine Veränderungen in der Nickelverarmung und in der Barrierewirkung des oxidischen Randbereiches nachgewiesen werden.

1

Durchmesser

2

Projektionsfläche

3

Stegstruktur

4

Längsachse

5

Randschicht

5.1

äußere Randschicht

5.2

innere Randschicht

5.3

Übergangsschicht

7

Stent

8

Ionenstrahl

9

senkrechter Einfall (der Ionen)

10

streifender Einfall (der Ionen)

Claims (8)

1. Deformierbares medizinisches Implantat oder Implantatteil aus Edelstahl mit einer 5 bis 100 nm dicken, vollständig oder partiell die Oberfläche bedeckenden Randschicht (5), die aus drei gradierten Schichtbereichen aufgebaut ist, wobei die Hauptlegierungsbestandteile des Grundmaterials Eisen, Chrom und Nickel in den Schichtbereichen der Randschicht im Vergleich zur Konzentration im Grundmaterial auf folgende Werte eingestellt sind: – Eisen: weniger als 50 % in der äußeren Randschicht (5.1), weniger als 20 % in der inneren Randschicht (5.2) und gradierter Übergang zum Grundmaterial in der Übergangsschicht (5.3), – Chrom: weniger als 20 % in der äußeren Randschicht (5.1), 80 % bis 120 % in der inneren Randschicht (5.2) und gradierter Übergang zum Grundmaterial in der Übergangsschicht (5.3), – Nickel: weniger als 20 % in der äußeren und der inneren Randschicht (5.1, 5.2) und mehr als 150 % sowie gradierter Übergang zum Grundmaterial in der Übergangsschicht (5.3), und dass die äußere und die innere Randschicht (5.1, 5.2) im Mittel bis zu 80 At. % Sauerstoff enthält, welcher zu mehr als 60 % in Form von Chromoxid vorliegt.
2. Deformierbares medizinisches Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der Randschichtbereiche kontinuierlich ineinander übergeht.
3. Deformierbares medizinisches Implantat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat ein Stent ist.
4. Deformierbares medizinisches Implantat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Randschicht (S) eine Auftragsschicht angeordnet ist.
5. Verfahren zur Erzeugung eines Schichtsystems für ein deformierbares medizinisches Implantat nach einem der vorherigen Ansprüche mittels eines hochenergetischen Ionenstrahles, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Ionenstrahls quer zur Längsachse (4) der Stents größer ist als der Durchmesser (1) jedes mit Ionen zu beschießenden Implantats oder Implantatteiles, dass Sauerstoffionen oder Sauerstoff enthaltende Ionen oder Mischungen dieser Ionen mit anderen Ionen, insbesondere mit Edelgas-ionen, verwendet werden und dass die Implantate oder Implantatteile während des Ionenbeschusses so bewegt werden, dass über deren Umfang im zeitlichen Mittel eine homogene Ionenstromdichte wirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenbeschleunigungsspannung 3 bis 80 keV beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenbeschleunigungsspannung während des Ionenbeschusses verändert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenbeschuss mit einer Dosis von bis zu 5·10¹⁷ Ionen/cm² auf der äußeren Stentoberfläche realisiert wird.