DD282391A5 - Verfahren zur passivierenden und die biovertraeglichkeit erhoehenden beschichtung von polymerwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur passivierenden und die Biovertraeglichkeit erhoehenden Beschichtung von Polymerwerkstoffen hat zum Ziel, insbesondere medizinisch relevante Implantate, medizintechnische Geraete und Verbrauchsmaterialien aus temperaturunbestaendigen Polymerwerkstoffen zu beschichten, um diese sowohl zu passivieren als auch ihre Biovertraeglichkeit zu erhoehen. Erfindungsgemaesz erfolgt die Beschichtung der temperaturunbestaendigen Polymerwerkstoffe mittels eines plasmagestuetzten CVD-Verfahrens ohne Anwendung einer Substratheizung vorzugsweise bei Zimmertemperatur mit passivierendem, hochgradig biovertraeglichem, wasserstoffreichem Siliciumnitrid oder Siliciumoxid, die Oberflaeche vollstaendig oder teilweise bedeckend. Die Beschichtungstemperaturen liegen unter den Werten, bei denen die Polymerwerkstoffe sich zu zersetzen beginnen, oder ihre physikalisch-technischen Eigenschaften aendern. Die Herstellung der Siliciumnitridduennschicht erfolgt aus der Reaktion von Silan mit Ammoniak, wobei der Reaktandengasstrom durch eine, von der Substrathalterung entfernt installierten, Strahlungsheizung erwaermt wird. Bei der Herstellung der Siliciumoxidduennschicht wird das Gas Ammoniak durch Sauerstoff substituiert. Die eingespeiste HF-Leistung wird verfahrensabhaengig um mindestens 20% groeszer gewaehlt, als bei Verfahren, die mit einer Substratheizung arbeiten. Die Duennschichten aus Siliciumnitrid bzw. -oxid weisen eine Dicke von 0,1 mm bis 10 mm auf und sind so aufgebracht, dasz die Abgabe von Restmonomeren an das umgebende biologische oder andersartige Milieu blockiert oder stark reduziert wird.{Beschichtung; Siliciumnitrid; Siliciumoxid; Passivierung; Biovertraeglichkeit; plasmagestuetztes CVD-Verfahren; Polymerwerkstoffe; medizinische Implantate; medizintechnische Geraete}

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur passivierenden und die Bioverträglichkeit erhöhenden Beschichtung von Polymerwerkstoffen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet ist die Beschichtung von Polymerwerkstoffen, die insbesondere auf Grund ihrer Anwendungsspezifik dauerhaften bzw. zeitweiligen Kontakt zu biologisch aktiven Gewebe bzw. Substanzen besitzen und bei denen ein Stoffaustausch mit dem umgebenden Milieu verhindert werden soll.

die Erfindung ist vor allem in der medizinischen Implantologie und der Medizintechnik, aber auch beispielsweise im chemischtechnischen Gerätebau einsetzbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die "chemical vapour deposition" (CVD) ist ein hinlänglich bekanntes Verfahren. In einem Reaktor erfolgt bei Zufuhr der benötigten Aktivierungs- bzw. Reaktionsenergie in Folge der Reaktion von mindestens 2 chemischen Verbindungen auf den Substraten die gewünschte Schichtabscheidung. Im Fall der Siliciumnitridbeschichtung werden Silan und Ammoniak zur Reaktion gebracht. Man unterteilt den CVD-ProzeO in drei grundlegende Verfahren:

- Normaldruck-CVD: Die Reaktionsenergie wird in Form der

thermischen Energie der geheizten Substrate zur Verfüg_ng gestellt. Die Prozeßtemp.eratur beträgt ca. 1200 ⁰C.

- low pressure-CVD: Die Reaktionsenergie wird gleichfalls

durch die thermische Energie der geheizten Substrate zur Verfugung gestellt. Die Prozeßtemperatur beträgt ca. Qj(J ⁰C.

- plasmagestützte CVD: Die Reaktionsenergie wird sowohl in Form

der eingespeisten HF-Leistung, als auch durch thermische Energie des geheizten Substrates bereitgestellt. Die Prozeßtemperatur beträgt ca. 250 - 400 ⁰C.

Mit diesen herkömmlich bekannten Variationsformem der chemischen Dampfabscheidung ist eine Beschichtung von temperaturunbeständigen Polymerwerkstoffen nicht möglich.

Im Rahmen der medizinischen Implantologie ist u. a. die Beschichtung der Intraokularlinsen von außerordentlicher Bedeutung. Obwohl weltweit nach Möglichkeiten gesucht wird, die Bioverträglichkeit von PMMA-Intraokularlinsen zu verbessern, ist kein Verfahren bekannt, was den Anforderungen genügt. Das häufig verwendete Material zur Herstellung der Linsenkörper ist Polymethylmethacrylat (US 4.707.903; US 4.759.762; EP 0195881) Die haptischen Elemente sind bevorzugt aus Polypropylen (US 4.718.905), einem vulkanisierten Siliconwerkstoff (DE 3439551) oder machinell bearbeitbarer Glaskeramik mit guten bioaktiven Eigenschaften (DD 245813) hergestellt.

PMMA als Werkstoff des Linsenkörpers weist jedoch entscheidende Nachteile auf:

- Durch die Abgabe von Restmonomeren oder Bearbeitungsrückständen kann es postoperativ zu toxischen und allergischen Reaktionen vom Sofort- und Spättyp kommen.

- Morphologie und Zeilproliferation von Endothelzellen (Pritnärkultur aus Nabelschnurvene) auf den Linsen sind unbefriedigend.

- Nach der Sterilisation mit gasförmigem Ethylenoxid besitzen die Linsen ein ungüstiges Uesorptionsverhalten, was lange Nachlagerzeiten erfordert.

Mittels unterschiedlicher Verfahren wird versucht, die Biover-,träglichkeit des Implantates sowie seine chirurgische Handhabbarkeit zu verbessern.

US 4.787.903 beschreibt eine Linse, welche, um eine glatte Überfläche zu schaffen, mit einem Compositmaterial belegt ist. Es handelt sich dabei um einen kristallinen odar amorphen Werkstoff, der seinen Brechungsindex ändert, sobald er einem elektrischen Feld bzw. Strahlungsenergie ausgesetzt wird. Eine weitere Methode zur Behandlung einer Intraokularlinse, d.h. des Linsenkörpers als auch der haptischen Elemente, mit einem,· einen Überzug bildenden, anhaftenden und wasserlösliche, Material, wie z.B. Polyvinylalkohol wird in WO 79/00327 vorgestellt.

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Der mittels eines Tauchverfahrens aufgetragenen Schicht werden anschließend durch Verdampfung die wäßrigen Bestandteile entzogen. Es entsteht ein überzug, der wasserlöslich und hygroskopisch ist. Unmittelbar vor der Implantation wird die Intraokularlinse in ein wäßriges, steriles Bad getaucht, um durch die aufquellende Schicht ein weiches, gleitfähiges Polster zu erzeugen, welches während der Implantation das Augeninnere vor Verletzungen infolge des statischen Berührungskontaktüs bzw. des dynamischen Gleitkontaktes mit der Linse bzw. deren Halteschlaufen schützt.

In US 4.718.905 wird das Verfahren der Ionenstrahlimplantation angewendet um die Biokompatibilität des Implantats zu verbessern. Es wird sich jedoch darauf beschränkt, in die Oberfläche der aus Polypropylen hergestellten haptischen Elemente, genauer, wenigstens dort wo i'nmittelbarer Kontakt zu lebendem Gewebe besteht, vorzugsweise Stickstoff-, Kohlenstoff-, Silicium- oder Aluminiumionen zu implantieren. Damit werden physikalische und chemische Veränderungen in der Oberfläche erzeugt. Die benötigten hohen bis sehr hohen Energien des Iunenstrahls (10 KeV bis 10 MeV) erlauben es nicht, auch in die Oberfläche des Linsenkörpsrs Ionen bis zu einer Tiefe von 2 pm zu implantieren, da die Einwirkung dieser hochenergetischen Strahlung zu einer Trübung des Kunststofflinsenkörpers führen würde.

Zudem fordert die Technologie der Ionenstrahlimplantation, in Abhängigkeit vom zu implantierenden Material, Prozeßdrucke, die bis in den Bereich des Ultrahochvakuums (UHV) reichen (10" bis 10" Pa). Damit ist der Arbeitsdruck deutlich kleiner als der Dampfdruck solcher Kunststoffe wie PMMA u. a., was zwangsläufig die Zerstörung der Linsenkörper in evakuierten Rezipienten zur Folge hat.

Außerdem sei erwähnt, daß die Ionenstrahlimplantation ein ökonomisch sehr aufwendiges Verfahren ist.

Ziel der Erfindung

Das Zisl der Erfindung besteht darin ein optimales Verfahren bereitzustellen, mit dem passivierende und hochgradig bioverträgliche Dünnschichten auf Polymerwerkstoffe aufgebracht werden.

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Zum einen soll dadurch eine Erhöhung der Verweilzeit, eine verbesserte Körperverträglichkeit und damit eine größere Zuverlässigkeit, eine Verbesserung der Handhabbarkeit, eine Senkung des Komplikationsrisikos und damit der Behandlungsdauer, eine Erweiterung des Anwendungsgebietes und eine Erhöhung des Gebrauchs wertes von medizinischen temporären und Dauerimplantaten, zum anderen eine Verlängerung der Standzeit, Steigerung der Zuverläs sigkeit, Erweiterung des Anwendungsgebietes und Erhöhung des Gebrauchswertes von medizintechnischen Geräten und Verbrauchsmaterialien erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für Polymerwerkstoffe geeignete Beschichtung sowie ein praktikables Verfahren zur Abscheidung derselben, insbesondere für medizinische temporäre und Dauerimplantate, z.B. Intraokularlinsen und medizintechnische Geräte aus diesen Stoffen bereitzustellen, die passivierend und bioverträglich ist und einen stofflichen Austausch zwischen Polymerwerkstoff und Umgebungsmedium verhindert. Dabei soll die aufgebrachte Beschichtung, sowohl die uneingeschränkte FunktionsfähigKeit des Implantates gewährleisten und verbessern, als auch allen praktisch relevanten chemischen, mechanischen und physiologischen Anforderungen gerecht werden. Insbesondere ist die Sterilisierbarkeit umfassend zu garantieren und eine hohe Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Polymerwerkstoff zu sichern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf beliebige temperaturunbeständige Polymerwerkstoffe, mittels eines plasmagestützten CVD-Verf ahrens, ohne Substratheizung, aber mit einer verfahrensabhängig erhöhten HF-Leistung, Dünnschichten aus passivierendum, hochgradig bioverträgliciiem, wasserstoffreichem Siliciumnitrid oder Siliciumoxid aufgebracht werden. Die Oberfläche kann dabei wahlweise vollständig oder durch Anwendung von Masken, teilweise bedeckt werden. Die Beschichtungstemperatur liegt unter den Vierten, bei denen die Polymerwerkstoffe sich zu zersetzen beginnen, oder ihre physikalisch-techn'.schen Eigenschaften ändern, d.h. vorzugsweise bei Zimmertemperatur.

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Die Siliciumnitriddünnschicht wird mittels des o.g. CVÜ-Verfahrens aus der Reaktion von Silan mit Ammoniak hergestellt. Der Reaktantengasstrom wird dabei durch eine, in geeigneter Entfernung zur Substrathalterung installierten, Strahlungsheizung erwärmt, so daß eine unerwünschte thermische Belastung der Substrate vermieden wird.

Die Siliciumoxiddünnschicht wird mittels des gleichen Verfahrens hergestellt. Das Gas Ammoniak wird jedoch durch Sauerstoff substituiert auf die externe Heizung wird verzichtet. Die eingespeiste HF-Leistung wird in beiden Prozessen um mindestens 20% größer gewählt als bei Verfahren, die mit einer Substratheizung arbeiten.

Die Dünnschicht weist eine Dicke von 0,1 pm bis 10 |im, vorzugsweise 0,2 pm bis 1,5 pm, auf, wobei diese Schicht so aufgebracht wird, daß die Abgabe von Restmonomeren an das umgebende biologische oder andersartige Milieu blockiert oder stark reduziert wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1. Eine in bekannter Weise ausgeführte Intraokularlinse wird in einem Reaktor für die Durchführung der Siliciumbeschichtung mittels des plasmagestützten CVD-Verfahrens, wie es beispielsweise von Hampel, H. et.al., wiss. Zehr. Karl-Marx-Uni. Leipzig, Math.-Nat. R. 32 (1983) 467-470 beschrieben wurde, mit einer 0,3 pm dicken Schicht aus Siliciumnitrid beschichtet. Um der geringen Temperaturstabilität der PMMA-Linsen gerecht zu werden, wird der Prozeß ohne Substratheizung betrieben. Um trotzdem die erforderliche Gasphasenreaktion von Silan "nd Ammoniak zur Bildung des Siliciumnitrid!; zu gewährleisten, wird der Gasstrom durch eine extern am Reaktor angebrachte Heizschleife auf 120 ⁰C erwärmt.

Das in der Gasphase, mit einer HF-Leistung von 50 W, plasmagestützt gebildete Siliciumnitrid scheidet sich auf dem, etwa 20 cm von der Heizzone entfernt liegendem, nicht geheiztem Substrat, als transparente, quasi-aniorphe Schicht ab.

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2. Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit sonst, gleichen Merkmalen wie bei 1. ist dadurch charakterisiert, daß das Gas Ammoniak durch das Gas Sauerstoff substituiert wird

Unter Verzicht auf die externe Heizung des Gasstromes und gleichfalls ohne Heizung des Substrates wird mit einer um ca. 40% erhöhten HF-Leistung von 70 W in einer Gasphasenreaktion aus Silan und Sauerstoff Siliciumoxid gebildet, welches auf den Intraokularlinsen mit einer Dicke von 0,3 pm als transparente Schicht abgeschieden wird.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wahlweise abscheidbaren Siliciumnitrid- bzw. Siliciumoxiddünnschichten sind keramische Materialien mit hohem Wasserstoffanteil und besitzen eine sehr gute chemische Stabilität und Resistenz und sind auch sehr stabil in körperrelevanten Flüssigkeiten, hier speziel im Milieu des Kammerwassers.

Umfangreiche tierexperimentelle und zytotoxische Untersuchungen haben die sehr gute Bioverträglichkeit an der Grenzfläche zum biologischen Milieu nachgewiesen.

Mittels Korrosionsuntersuchungen im Blutserum und physiologischer NaCl-Lösung konnte das gute Passivierungsverhalten der Siliciumnitrid- und Siliciumoxidschichten bestätigt werden

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung wird die aus den Polymerwerkstoffen auftretende Abgabe von Restmonomeren und Bearbeitungsrückständen, die postoperativ zu toxischen und allergischen Reaktionen vom Sofort- und Spättyp führen kann, vermieden

Das ungünstige Desorptionsverhalten der Intraokularlinsen aus Polymerwerkstoffen, was sich bei der Sterilisation mit gasförmigem Ethylenoxid als Nachteil erweist und lange Nachlagerzeiten erfordert, wird eindeutig verbessert.

Claims (6)

1. Patentansprüche

   1.Verfahren zur passivierenden und die Bioverträglichkeit erhöhenden Beschichtung von Polymerwerkstoffen, insbesondere zur Beschichtung von medizinischen tamporären und Dauerimplantaten, medizintechnischen Geräten und Verbrauchsmaterialien mittels eines plasmagestützten CVO-Verfahrens gekennzeichnet dadurch, daß auf beliebige Polymerwerkstoffe, mittels des plasmagestützten CVD-Verfahrens, ohne Substratheizung, aber mit einer verfahrensabhängig erhöhten HF-Leistung, Dünnschichten aus passivierendem, hochgradig bioverträglichem, wasserstoffreichem Siliciumnitrid oder Siliciumoxid, die Oberfläche wahlweise vollständig oder teilweise bedeckend, aufgebracht werden, wobei die Beschichtungstemperaturen unter den Werten liegen, be! denen die Polymerwerkstoffe sich zu zersetzen beginnen, oder ihre physikalisch-technischen Eigenschaften ändern.
2. 2.Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Siliciumnitriddünnschicht mittels des plasmagestützten CVD-Verfahrens ohne Verwendung einer Substratheizung aus der Reaktion von Silan mit' Ammoniak hergestellt wird, wobei der Reaktandengasstrom durch eine, in geeigneter Entfernung zur Substrathalterung installierten, Strahlungsheizung erwärmt wird.
3. 3.Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Siliciumoxiddünnschicht mittels des plasmagestützten CVD-Verfahrens ohne Verwendung einer Substratheizung hergestellt wird, wobei das Gas Ammoniak durch Sauerstoff substituiert wird.
4. 4.Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, daß die eingespeiste HF-Leistung um mindestens 20% größer ist als bei Verfahren die mit einer Substratheizung arbeiten.
5. 5.Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 gekonnzeichnet dadurch, daß die Dünnschicht eine Dicke von 0,1 pm bis 10 pm, vorzugsweise 0,2 pm bis 1,5 pm, aufweist.
6. 6.Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, daß die Dünnschicht so aufgebracht wird, daß die Abgabe von Restmonomeren an das umgebende biologische oder andersartige Milieu blockiert oder stark reduziert wird.