SE504165C2 - Metod att förbättra biokompatibiliteten hos proteser och andra mekaniska delar för insättning i blodbanan i människokroppen samt produkter framställda därav - Google Patents

Description

20 25 30 35 504 165 i stor utsträckning ersatt tilting disk valves. Anled- ningen är att de är relativt lätta att implantera, sär- skilt i mitralläget. Dessutom har de låg ljudnivå och risken för tromboemboliska komplikationer är låg.

Den mest allmänt använda bileaflat hjärtklaffen idag är St Jude-klaffen. Den introducerades kliniskt 1977 och har nu använts på mer än 500 000 patienter. Klaffen är helt och hållet tillverkad av pyrolytiskt kol. Den består av ett ventilhus med två plana semicirkulära blad med .en gångsjärnsmekanism och som tillåter bladen att öppna till 850 grader.

En annan bileaflet klaff som har fått ökad användning under senare år är Carbomedics-klaffen. Den liknar i stort sett St Jude-klaffen men har en något annorlunda gångjärns- mekanism och öppnas till 780 grader. Den har en metallring (av titan) runt omkring ventilhuset för att öka dess styv- het, varigenom risken för klaffläckage minskas och synbar- heten med röntgen förbättras.

En tredje bileaflet hjärtklaff som nyligen har introdu- cerats på marknaden är Sorin Bicarbon-klaffen. I motsats till de ovannämnda två bileaflet-klaffarna tillverkas Bicarbon-hjärtklaffen i Europa. Den har ett ventilhus av titan, belagt med en tunn film av turbostratiskt kol (Carbofilm) i hopp om att förbättra hemokompatibiliteten.

Användningen av titan i ventilhuset underlättar tillverk- ningen och förbättrar synligheten i röntgen.

Nackdelar med nu tillgängliga mekaniska hjärtklaffar Även om de flesta av de nu använda mekaniska hjärtklaffar- na fungerar bra, har de ett antal nackdelar. Bland dessa kan nämnas: 10 15 20 25 30 35 3 504 165 l) Beroende pà ofullkomligheter i konstruktionen förekom- mer en kontinuerlig förstöring av blodbestándsdelar (trom- bocyter, vita och röda blodceller), vilket som resultat ger aktivering av patientens koaguleringssystem och därmed en benägenhet till blodproppsbildning i klaffen. För att förebygga dessa s.k. tromboemboliska komplikationer måste patienten undergà livslång antikoaguleringsterapi, vilken i sig själv, om den inte sköts på rätt sätt, kan ge livs- hotande blödningar. _2) Hos patienter med försämrad hjärtfunktion och hög puls, kan läckaget vid klaffens tillslutning bli hög. Detta gäller särskilt för större hjärtklaffar i mitralposition, där läckaget kan bli så högt som 30% av slagvolymen i vissa situationer. 3) Hos unga och fysiskt aktiva patienter kan ljudnivån från hjärtklaffen bli störande för patienten och hans omgivning. 4) Hjärtklaffen är dyr och komplicerad att tillverka.

Kostnaden för kunden är för närvarande 20 000 SEK per enhet. önskvärda egenskaper hos en idealisk hjärtklaff 1) Den bör ha god hemodynamisk funktion, dvs den skall ge ostört flöde framåt och stänga med liten tillbakaström- ning. 2) Den bör ha ett fysiologiskt flödesmönster med frånvaro av skjuvspänning och àtergàende strömmar. 3) Den bör i minsta möjliga utsträckning aktivera patien- tens koaguleringssystem och således vara resistent mot tromboembolism, även om konventionella antikoagulerings- medel inte användes. 10 15 20 25 30 35 504 165 4) Den bör vara lätt att sätta in pà ett säkert sätt, även av oerfarna kirurger. De rörliga delarna bör vara skyddade av ventilhuset och bör företrädesvis röra sig i samma riktning som den naturliga klaffen, så att hjärt- klaffen kan insättas i mitralisostiet utan avlägsnande av mitralklaffens upphängningsapparat, (vilket är viktigt för den vänstra hjärtkammarens funktion), 5) Den bör vara mekaniskt tillförlitlig och hållbar mot förslitning. 6) Klaffunktionen bör vara möjlig att monitorera, regist- rera och studera utan ingrepp, t.ex. genom ekokardiografi eller röntgen. 7) Ljudet från hjärtklaffen bör inte störa patienten. 8) Den bör vara lätt att tillverka och marknadsföra.

En ny konstruktion av en mekanisk hjärtklaff visas i Fig 1 - 10. (C. Olin, svensk patentansökan 9002603-O). Detta är en bileaflet-konstruktion men enligt en ny princip.

Klaffbladen rör sig i samma riktning som naturliga hjärt- klaffar och har en kortare rörelsebåge än andra bileaf- let-konstruktioner. Klaffarna är lätt kurvformade i trans- versell och longitudinal riktning, vilket förbättrar blod- flödet. Snabbare och bättre tillslutning erhålles också.

Materialegenskaper hos hjärtklaffen enligt uppfinningen.

Det ställs således mycket höga krav pá material, ytor och konstruktion för att uppfylla de ovan beskrivna kraven på en idealisk mekanisk hjärtklaff samt att undvika de beskrivna nackdelarna och uppfylla önskade tillverknings- aspekter. of l0 15 20 25 30 35 5 504 165 Titan och titanlegeringar är välkända material för an- vändning i proteser, implantat och andra biotekniska app- likationer beroende på unika egenskaper när det gäller korrosion och biokompatibla egenskaper samt kombinationen av låg densitet och hög mekanisk hållfasthet. Användningen av titan och titanlegeringar i applikationer med glidande kontakt ger alltid allvarliga slitage- och friktionsprob- lem, eftersom relativt låg hårdhet och egenskaper gällande adhesion och oxidation ger svåra problem med friktion och förslitning. En oförutsebar ökning i friktion och förslitning leder ofta till oacceptabla driftsstörningar.

Med en speciellt utvecklad ytbehandlingsmetod för titan och titanlegeringar, TiSurf Procesšš>kan många av ovan beskrivna problem avsevärt minskas eller helt elimineras.

Med denna metod skapas ett rent keramiskt ytskikt beståen- de av titannitrid (TiN). Ytskiktet är hårt, ger en låg friktion och försumbar nötning. Ännu ej publicerade resul- tat från experiment med tester av benägenheten till blod- proppsbildning visar helt unika och förbättrade egenskaper för med denna metod ytomvandlat titan och titanlegeringar jämfört med konventionella material använda i hjärtklaf- far.

Enli t den ovannämnda nya behandlingsmetoden TiSurf Pro- ces behandlas titan eller titanlegeringar i vacuum med ren kvävgas vid en temperatur på 650 - l000°C så att me- tallens ytskikt omvandlas till ett genomgående, likformigt fördelat nitridskikt med jämn tjocklek och med hög renhet.

Ytskiktet har även invändig täckning och täckning på "svär- átkomliga" ställen, exempelvis invändigt i rör, kapillärer etc. Detta nitridskikt har hög hårdhet, c:a 2000 HV 0,05 och har exceptionellt god vidhäftning. Skiktet har goda friktions-och nötningsegenskaper, korrosionsskyddande egenskaper och har goda biokompatibla egenskaper. Då man utgår från titanlegeringar erhålles ett rent nitridskikt som är utarmat på skadliga legeringsmetaller. 10 15 20 25 30 35 504 165 6 Enligt TiSurf-processen (Erik Johansson, Helena Westberg, europeisk patentansökan nr 91850067-9) erhålles ett nit- ridskikt med väsentligt förbättrade egenskaper i jämfö- relse med tidigare kända metoder. Metoden är dessutom enkel och billig att genomföra. Uppfinningen gäller en metod att genom beläggning av ytan med ett nitridskikt enligt TiSurf-processen, förbättra egenskaperna hos me- kaniska hjärtklaffar både när det gäller deras benägenhet att medverka till bildning av blodproppar och när det gäller mekaniska och biokompatibla egenskaper. Metoden kan också användas på andra mekaniska produkter som in- sättas i kroppen, i kontakt med det cirkulerande blodet, exempelvis blodpumpar. Uppfinningen gäller också produkter framställda med användande av metoden.

Mera speciellt gäller uppfinningen en mekanisk bileaflet- hjärtklaff framställd av titan eller titanlegering med ett nitridskikt enligt ovanstående beskrivning i ytan.

Som ett exempel visas en hjärtklaff enligt den ovannämnda av C. Olin patentsökta konstruktionen (svensk patentan- sökan 9002603-0), vilken enligt uppfinningen tillverkats av titan med ytbehandling enligt uppfinningen så att ett nitridskikt bildats i ytan. Hjärtklaffen har en unik konst- ruktion enligt Fig l - 10. Kombinationen av materialegen- skaper hos det ytbehandlade titanet och hjärtklaffens konstruktion ger alla de fördelar som önskas av en ideal hjärtklaff. Det ytbehandlade titaniet har visat sig ge mindre benägenhet för blodproppsbildning vid implantation i blodbanan jämfört med exempelvis pyrolytiskt kol som i dagsläget är det helt dominerande materialet. Tack vare den ovannämnda ytbehandlingen kan hela hjärtklaffen vara tillverkad av titan, vilket avsevärt förbilligar till- verkningen och dessutom underlättar funktionskontrollen i röntgen. Genom en kombination av en unik konstruktion hos hjärtklaffen och unika materialegenskaper som medger användning utan antikoagulerande läkemedel och därmed l0 15 20 25 30 35 504 165 nödvändiga kontroller kan det öppna sig möjligheter för en världsomfattande användning av denna nya hjärtklaff.

Det unika materialet kan dessutom användas för andra de- taljer som insättes i människokroppen och ge produkter med minskad benägenhet att medverka till bildning av blod- proppar och med förbättrade mekaniska och biokompatibla egenskaper.

Kort beskrivning av ritningarna -Fig l-10 visar en hjärtklaff enligt svensk patentansökan 90026030 som tillverkats av titan med ett yt- skikt enligt uppfinningen, visar ytan sett i tvärsnitt av en detalj till- verkad av titanlegeringen Ti-6Al-fi7(ASTM Grade 5) med ett rent,heltäckande nitridskikt i ytan enligt TiSurfmetoden (TiSurf Procesššö, ytskik- tet har ljus kontrast och bilden är tagen med svepelektronmikroskop (SBM).

Fig 12-13 visar ytor av olika material som implanterats Fig ll i blodbanan pà försöksdjur och Fig 14 visar ett diagram över blodproppsbeläggning på de undersökta materialen.

Exempel Försök som visar minskad risk för blodproppar.

För att studera ytan på titan och titanlegering (Ti-6 Al-4V) behandlade med TiSurf ProcesÅ:)med avseende pá Ti-ytans benägenhet att ge upphov till blodproppsbildning och jämföra dess egenskaper i detta avseende med material som f.n. används i hjärtklaffproteser utfördes experiment på får. Diskar med samma ytfinish som i klaffproteser implanterades i blodbanan pà sövda får via ett snitt i bröstkorgen. Upp till fyra olika material kunde samtidigt 10 15 20 25 30 35 504 165 studeras och jämföras i ett får och sammanlagt användes 8 får, (Fig 12-13). De material som studerades var pyro- lytiskt kol (Pyrolitäšö(C), titan Gr 5 (Ti-6 Al-4V), (Ti), Titan Gr 5 ytbehandlat med TiSurf Procesgšdi-6 Al-4V (Ti- S) och glutaraldehydbehandlad hjärtsäck fràn kalv (Pe).

Det sistnämnda materialet togs från blad i biologiska klaffproteser och sveptes runt de plastknappar av Delrin som användes till att föra diskarna i kontakt med blod- strömmen. Efter tvà timmar togs diskarna ut och fotogra- ferades bredvid varandra (Fig 12-13). Därefter fixerades _de i buffrad glutaraldehydlösning och fotograferades på nvtt en och en med c:a 3 gàngers förstoring. Från dessa foton räknades sedan med planimetrisk teknik fram den area", i kvadratmillimeter på varje disk med blodpropp. Vid bedömningen skall ob- yta, "thrombus som var belagd serveras att två av Ti-S-diskarna var belagda med blod- propp som sannolikt kom från intilliggande kärlvägg som blivit skadad och som egentligen inte skulle räknas (men som tagits med). Sammanställningen av resultaten (som ännu inte publicerats) visar att Ti-Surf-ytan hade be- tydligt mindre (trestjärnig signifikans) blodproppsbe- läggning än övriga material (Se diagram, Fig 14).

Claims (8)

1. 0 15 20 25 30 504 165 PATENTKRAV Metod att förbättra egenskapema hos proteser och andra mekaniska delar, för insättning i blodbanan i människokroppen, genom att minska deras benägenhet att medverka till bildning av blodproppar, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda produktema framställs av titan eller titanlegeringar med ett ytskikt av titannitrid (TiN), framställt genom att behandla titan eller titanlegering i vacuum med ren kvävgas vid hög temperatur.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n et e c k n a d av att det nämnda ytskiktet framställts vid en temperatur pá 650 - 1000° C.

3. Metod enligt patentkrav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att det nämnda ytskiktet framställts genom behandling av en titanlegering.

4. Produkter, avsedda att användas som proteser eller andra mekaniska delar, för insättning i blodbanan i människokroppen, k ä n n e t e c k n a d e av att de är framställda av titan eller en titanlegering med ett keramiskt ytskikt av titannitrid och har minskad benägenhet att medverka till bildning av blodproppar.

5. Produkter enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d e av att de är framställda av en titanlegering.

6. Mekanisk hjärtklaff, k ä n n e t e c k n a d av att den är framställd av titan eller titanlegering med ett ytskikt av titannitrid och har minskad benägenhet att medverka till blodproppsbildning. 504 165 10

7. Mekanisk hjàrtklaff enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att den har en bileafletkonstruktion med lätt kurvformade klaffar (3) i transversell och longitudinell riktning och med klaffblad som har en kortare rörelsebàge än andra bileafletkonstmktioner.

8. Blodpump, k ä n n e t e c k n a d av att den är framställd av titan eller titanlegering med ett ytskikt av titannitrid och har minskad benägenhet att medverka till ' blodproppsbildning.