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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strukturierungen
von Metalloberflächen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, dessen Oberfläche mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
strukturiert ist.
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Die
Strukturierung von Metalloberflächen
ist in zahlreichen unterschiedlichen Technologiebereichen von Bedeutung.
Ein Beispiel ist der Bereich der Medizintechnik. Es ist bekannt,
Implantate mit Medikamenten zu beschichten, damit die Implantate
an der Stelle ihres Einsatzes in gewünschter Weise das oder die
Medikamente freisetzen können.
So ist es beispielsweise bekannt, koronare Stents mit einer Medikamentenbeschichtung
zu versehen. Derartige Stents werden eingesetzt, um durch Ablagerungen verengte
Arterien der Herzkranzgefäße aufzuweiten, um
wieder einen ausreichenden Blutfluß zu gewährleisten. Stents bestehen
aus einem Geflecht biokompatiblen Materials, das in den Bereich
einer Gefäßverengung,
d.h. einer Stenose eingebracht und sodann aufgeweitet wird. Stents
verbleiben nach ihrer Aufweitung üblicherweise dauerhaft im Körper. Um unerwünschte Körperreaktionen,
wie beispielsweise Entzündungen
bzw. die erneute Verengung des Gefäßes zu verhindern, ist es bekannt,
die Stents mit geeigneten Medikamenten zu beschichten.
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Bei
heute üblichen
Verfahren werden Stents unmittelbar nach ihrer Herstellung mit einem
oder mehreren Medikamenten beschichtet und sodann mit einem bioresorbierbaren
Polymer überzogen.
Dieser Polymerüberzug
dient zum einen dazu, ein Abtrennen der Medikamente beim Einsetzen
des Stents zu verhindern und zum anderen dazu, die Freisetzungskinetik
der Medikamente zu beeinflussen bzw. eine kontrollierte Freisetzung
der Medikamente sicherzustellen.
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Die
genannte Medikamentenbeschichtung wird üblicherweise in strukturierte
Bereiche der Oberfläche
des Implantats eingebracht. Derzeit sind zwei Arten der Erzeugung
von oberflächenstrukturierten Bereichen
von Stents bekannt. Es handelt sich um die Methode des Sandstrahlens
sowie des Laserns. Das Sandstrahlen hat die Wirkung, daß die Haftung des
Medikamentes auf der Implantatoberfläche verbessert wird. Ein Nachteil
dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß ggf. Strahlpartikel auf dem
Implantat zurückbleiben,
wodurch das Risiko der Verletzung des Gewebes beim Einsetzen des
Implantats erhöht wird.
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Mittels
der Anwendung von Laserstrahlen lassen sich gezielt Vertiefungen/Löcher in
der Oberfläche
des Implantates erzeugen. Auf diese Weise können Depots für Medikamente
in dem Implantat erzeugt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens
besteht darin, daß das
Medikament nicht gleichmäßig auf
der Oberfläche
des Implantats verteilt werden kann, da das Laserschneiden aufgrund
der begrenzten lateralen Auflösung
nur die lokale Erzeugung von Vertiefungen bzw. Löchern und somit auch nur die
lokale Applikation von Medikamenten zuläßt.
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In
beiden vorgenannten Fällen
ist in der Regel eine Polymerbeschichtung notwendig. Durch das Sandstrahlen
kann die Freisetzungskinetik des Medikamentes nicht verlangsamt
werden, so daß ein
Polymerüberzug
im allgemeinen erforderlich ist. Beim Laserschneiden entstehen üblicherweise
Vertiefungen im Bereich von ca. 50 μm Breite und einigen 100 μm Länge. Aus
diesen relativ großen
Vertiefungen wür de
das Medikament ohne Polymerbeschichtung zu schnell freigesetzt werden,
so daß auch
bei der Methode der Strukturierung der Oberfläche mittels Lasers üblicherweise
ein Polymerüberzug
erforderlich ist.
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Ein
Nachteil der Polymerbeschichtung besteht darin, daß der Abbau
des Polymers zu unerwünschten
Nebenprodukten führt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Polymerbeschichtung einen
weiteren Verfahrensschritt im Rahmen der Implantatherstellung darstellt,
der die Herstellung der Implantate verkompliziert und verteuert.
Eine Polymerbeschichtung ist insbesondere dann problematisch, wenn
Stents unmittelbar vor einer Operation vor Ort beschichtet werden
sollen, um individuell Dosierung und Auswahl des Medikamentes einstellen
zu können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
bereitzustellen, mittels dessen eine gleichmäßige Strukturierung, vorzugsweise Mikrostrukturierung,
von Metalloberflächen
erzeugbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
daß die Strukturierungen
bzw. Mikrostrukturierungen der Metalloberfläche durch elektrochemische Ätzung erzeugt
werden. Darunter wird die Erzeugung einer Strukturierung/Mikrostrukturierung
mittels Stromfluß durch
das Bauteil, dessen Oberfläche
strukturiert werden soll, beispielsweise ein Implantat, unter Einwirkung
eines Ätzmittels
verstanden. Durch elektrochemische Ätzung können gleichmäßige Mikrostrukturen
beispielsweise in der Größenordnung
von mehreren Mikrometern Tiefe erzeugt werden. Durch das Verfahren
der elektrochemischen Ätzung
können Oberflächenmodifikationen
erzeugt werden, die z. B. als Grundlage für Medikamentenbeschichtungen
beispielsweise von Edelstahlstents dienen. Das Verfahren stellt
eine vorteilhafte Alternative zu den vorbekannten Methoden des Sandstrahlens
sowie der Laserschneidens dar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht auf den Bereich der Medizintechnik beschränkt, sondern
kann vielmehr zur Strukturierung von Oberflächen beliebiger metallischer
Teile verwendet werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der
Metalloberfläche
um die Oberfläche
von Implantaten, vorzugsweise von Stents, insbesondere von Edelstahlstents.
Grundsätzlich
ist das Verfahren auch bei beliebigen anderen Bauteilen bzw. Implantaten
anwendbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die elektrochemische Ätzung eine Ätzung im
Bereich der Korngrenzen. Dabei wird der Effekt unterschiedlicher
Abtragsraten von Korngrenzen und Kornflächen ausgenutzt, um gezielte
Strukturen in den Werkstoff einzubringen. Es ist möglich, an
den Korngrenzen Vertiefungen in der Größenordnung von einigen Mikrometern,
vorzugsweise im Bereich von 1 μm
bis 20 μm,
insbesondere 2 μm
bis 10 μm Tiefe
zu erzeugen, die als Speichervolumen für Medikamente dienen können. Die
Tiefe dieser Bereiche kann beispielsweise über die Ätzdauer eingestellt werden.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, daß bei dem
Verfahren der elektrochemischen Ätzung
flächige
Bereiche in der Oberfläche
des betreffenden Bauteils erzeugt werden. Denkbar ist es beispielsweise, daß stufen-
oder plättchenförmige Bereiche
erzeugt werden, die die Haftfähigkeit
der Metalloberfläche
erheblich erhöhen
und somit die Wahrscheinlichkeit für das unerwünschte Abtrennen z. B. eines
Medikamentes verringern. Derartige Plättchen können beispielsweise eine Kantenlänge in der
Größenordnung von
10 μm aufweisen.
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Bei
dem Ätzmittel
handelt es sich vorzugsweise um ein wäßriges oder alkoholisches Ätzmittel. Grundsätzlich ist
auch der Einsatz konzentrierter Säuren denkbar.
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Als Ätzmittel
wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens verdünnte Salpetersäure und/oder
verdünnte
Salzsäure
eingesetzt. Verdünnte Salpetersäure ist
das bevorzugte Ätzmittel
bei der elektrochemischen Korngrenzenätzung. Es entstehen durch die Ätzung Oberflächen, auf
denen die Korngrenzen bis in eine einstellbare Tiefe ausgehöhlt werden,
während
die Kornflächen
nahezu unberührt bleiben.
Die einzelnen Körner
sind somit nach der Korngrenzenätzung
von Gräben
umgeben, die als Medikamentendepots dienen können, was ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
den Fall darstellt, daß es
sich bei dem Bauteil um ein Implantat, vorzugsweise um einen Stent
handelt. Die Tiefe dieser Gräben
kann beispielsweise durch die Variation der Ätzzeiten verändert werden.
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Die
elektrochemische Chloridätzung,
d.h. die Verwendung von verdünnter
Salzsäure
als Ätzmittel führt demgegenüber zu einer
mit kleinen Plättchen belegten
Oberfläche.
Die erzeugten Strukturen sind gleichmäßig über die Oberfläche verteilt
und haben keine Vorzugsrichtung. Es werden plättchen- bzw. stufenförmige Bereiche
erzeugt, die eine gute Haftfähigkeit
aufweisen und somit ebenfalls beispielsweise als Medikamentenspeicherbereiche
in Betracht kommen. Es erfolgt bei der elektrochemischen Chloridätzung ein
flächiger
Abtrag im Bereich der Kornflächen.
Dabei wird die Lösung
vorzugsweise gerührt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren der elektrochemischen
Korngrenzenätzung,
vorzugsweise mittels verdünnter
Salpetersäure,
mit einem weiteren Verfahrensschritt kombiniert. Dabei handelt es
sich um das elektrochemische Ätzen
der flächigen
Bereiche, vorzugsweise unter Anwendung verdünnter Salzsäure, wodurch sich die durch
die Korngrenzenätzung
hergestellten Furchen verbreitern und die bei der Korngrenzenätzung erhaltenen
Kanten glätten.
Das Resultat ist eine gleichmäßig durch
breite Kanäle
strukturierte Oberfläche. Während die
Lösung
bei Anwendung der oben genannten elektrochemischen Chloridätzung zur
Herstellung der plättchen-
bzw. stufenförmigen
Bereiche mit guter Haftfähigkeit
vorzugsweise gerührt
wird, ist dies bei dem vorgenannten weiteren Verfahrensschritt nicht
der Fall, d. h. die glättende
Wirkung der Chloridätzung
als weiterer Verfahrensschritt der Korngrenzenätzung wird vorzugsweise in
nicht gerührter
Lösung
erhalten. Die weiteren Verfahrensparamater können unverändert bleiben.
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Das
Bauteil ist während
der elektrochemischen Ätzung
als Anode geschaltet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt
die Stromdichte bei der elektrochemischen Ätzung in einem Bereich von
0,1 mA/mm2 bis 100 mA/mm2,
vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mA/mm2 bis
10 mA/mm2 und besonders bevorzugt in einem
Bereich von 0,5 mA/mm2 bis 5 mA/mm2.
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Es
kann vorgesehen sein, daß das
Bauteil bzw. Implantat, dessen Oberfläche erfindungsgemäß strukturiert
ist nach der elektrochemischen Ätzung mit
einem oder mehreren Medikamenten beschichtet wird. Eine zusätzliche
Polymerbeschichtung wird üblicherweise
bei dem Verfahren der elektrochemischen Chloridätzung erforderlich sein. Bei
dem Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung kann auf eine Polymerbeschichtung
im allgemeinen verzichtet werden, wodurch sich die o. g. Nachteile eines
derartigen Überzuges
vermeiden lassen. Insbesondere ergibt sich hierbei der Vorteil,
daß die Bauteile,
wie die Implantate bzw. die Stents unmittelbar vor der Operation
in der gewünschten
Weise mit dem oder den Medikamenten beschichtet werden können. Grundsätzlich besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
auch bei korngrenzengeätzten
Bauteilen bzw. Implantaten/Stents eine Polymerbeschichtung vorzusehen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, dessen Oberfläche durch
ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 strukturiert ist.
Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Implantat, beispielsweise
um einen Stent.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem in
den REM-Abbildungen dargestellten
Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
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1:
Abbildung eines korngrenzengeätzten
Stents,
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2:
Detaildarstellung des Stents gemäß 1,
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3:
Abbildung eines korngrenzengeätzten
und mit Rapamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
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4:
Detaildarstellung des korngrenzengeätzen und beschichteten Stents
gemäß 3,
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5:
Abbildung eines nach dem Stand der Technik sandgestrahlten und mit
Rapamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
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6:
Detaildarstellung des sandgestrahlten und beschichteten Stents gemäß 5,
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7:
Abbildung eines chloridgeätzten Stents,
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8:
Detaildarstellung des Stents gemäß 7 und
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9:
Abbildung eines Stents nach Korngrenzenätzung und anschließender Chloridätzung.
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Die
elektrochemischen Ätzungen
der in den 1 bis 4 und 7 bis 9 dargestellten Stents
erfolgten in wäßrigem Ätzmittel.
Der elektrische Strom wurde mittels eines Edelstahl- oder Graphitdorns
eingeleitet, auf den der Stent aufgesetzt wurde. Der Stent wurde
als Anode geschaltet, wobei die Stromdichten auf der Stentoberfläche in der
Größenordnung
von mA/mm2 lagen. Als Kathode wurde ein
Edelstahlstreifen verwendet. Der Gleichstrom wurde von einem Netzgerät geliefert,
wobei die Spannung bei Ätzung
eines einzelnen Stents im Bereich von 10 bis 30 Volt lag.
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Um
einen Einfluß der
Kathodenreaktion zu vermeiden, wurden Kathode und Anode in getrennten
Behältern
angeordnet. Die Behälter
sind durch einen mit dem Ätzmittel
getränkten
Zellstoffstreifen elektrisch verbunden. Grundsätzlich ist auch ein Behälter ohne
Membran, d. h. ohne Trennung der Anodenseite von der Kathodenseite
einsetzbar. In diesem Fall dient z. B. der Behälter als Kathode. Ferner ist
bei einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung die Spannung bei Ätzung eines
Stents geringer. Sie kann z. B. im Bereich 0,5-2 Volt liegen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
der elektrochemischen Ätzung
wurde an lasergeschnittenen Stents der Legierung 316L ISO 1.4401
durchgeführt. Es
handelt sich um einen austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän Stahl.
Bei beiden Methoden (Korngrenzenätzung
und Chloridätzung)
lag der Abtrag bei unter 20 μm
Durchmesserverringerung der einzelnen Struts des Stents.
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1 und 2 zeigen
einen korngrenzengeätzten
Stent nach 10 min. Ätzung
in verdünnter Salpetersäure bei
einer Stromdichte von 1,14 mA/mm2 in einer Vergrößerung 200X (1)
und 500X (2). 2 zeigt,
daß durch
die Ätzung Oberflächen entstehen,
auf denen die Korngrenzen bis in eine einstellbare Tiefe ausgehöhlt sind,
wohingegen die Kornflächen
nahezu unberührt
bleiben. Die einzelnen Körner,
deren Durchmesser im Fall der dargestellten Stents im Bereich von
15 μm liegt,
sind nach der Korngrenzenätzung
von mehreren Mikrometern tiefen Gräben umgeben. Die durchschnittliche
Tiefe dieser Strukturen kann durch die Variation der Ätzzeiten
beispielsweise auf einen Wert zwischen 2 μm und 10 μm eingestellt werden.
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Die 3 und 4 zeigen
einen korngrenzengeätzten
Stent nach Beschichtung mit Rapamycin und nach der Aufdehnung, wobei 4 einen Ausschnitt
des Stents gemäß 3 in
vergrößerter Darstellung
zeigt. Die Ätzung
erfolgte über
10 min. mit verdünnter
Salpetersäure
mit einer Stromdichte von 1,14 mA/mm2. Die
Beschichtung erfolgte mit 2% Rapamycin. Die Korngrenzenätzung führt zu grabenartigen
Vertiefungen in der Größenordnung
von ca. 10 μm
um die Kornflächen
herum, die als Rapamycindepots dienen und eine gute und gleichmäßige Fixierung
des Medikamentes ermöglichen.
Ein Polymerüberzug
ist nicht erforderlich, da die gewünschte Medikamentenfreisetzung
erzielbar ist und ein Abplatzen des Medikamentes nicht oder nicht
in erheblichem Umfang auftritt. Die 5 und 6 zeigen einen
gemäß dem Stand
der Technik sandgestrahlten Stent in unterschiedlichen Vergrößerungen, ebenfalls
beschichtet mit 2 % Rapamycin nach der Aufdehnung. Durch Sandstrahlen
kann zwar die Haftung des Medikamentes auf der Oberfläche verbessert
werden. Um ein Abplatzen des Medikamentes zu verhindern, ist jedoch anders
als bei korngrenzengeätzten
Stents üblicherweise
eine Polymerbeschichtung vorzusehen.
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Die 7 und 8 zeigen
Aufnahmen eines Stents nach der elektrochemischen Chloridätzung. Als Ätzmittel
wurde verdünnte
Salzsäure verwendet.
Diese Ätzung
liefert eine gleichmäßig mit kleinen
Plättchen
belegte Oberfläche,
die keine Vorzugsrichtung im Raum haben. Die Kantenlänge der Plättchen liegt
in der Größenordnung
von 10 μm. 7 zeigt
den Stent nach einer Chloridätzung über 10 min.
mit einer Stromdichte von 2,28 mA/mm2 in
einer Vergrößerung von
300X, 8 zeigt diesen Stent in einer Vergrößerung von
1000X.
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Aus 9 ist
das Ergebnis einer Kombination aus Korngrenzenätzung und Chloridätzung ersichtlich.
Durch eine derartige Kombination können die durch die Korngrenzenätzung hergestellten
Furchen bzw. Gräben
der Korngrenzen gemäß 2 deutlich
verbreitert werden und scharfe Kanten geglättet werden. Als Ergebnis wird
gemäß 9 eine gleichmäßig durch
breite Kanäle
strukturierte Oberfläche
erhalten. 9 zeigt die Stentoberfläche nach kombinierter Ätzung (Korngrenzenätzung mit
1,14 mA/mm2 für 10 min. mit verdünnter Salpetersäure als Ätzmittel;
anschließend
Chloridätzung
mit 2,28 mA/mm2 für
10 min. mit verdünnter
Salzsäure
als Ätzmittel).
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Gegenüber vorbekannten
Verfahren lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden
Vorteile erzielen:
Es bleiben keine Partikel auf der Oberfläche zurück, die
die Performance des Stents beeinträchtigen, wie dies beim Sandstrahlen
der Fall ist.
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Es
treten im Gegensatz zu den vorbekannten Verfahren weder thermische
noch mechanische Belastungen auf.
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Das
Verfahren der Chloridätzung
bietet eine vorteilhafte Alternative zum Sandstrahlen, benötigt jedoch
anders als die Korngrenzenätzung üblicherweise
eine Polymerbeschichtung.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
das ganze Bauteil gleichmäßig strukturiert
wird und daß im
Gegensatz zum Sandstrahlen auch Hinterschneidungen und sehr feine
Strukturen behandelt werden können. Bereiche,
die nicht behandelt werden sollen, können ohne weiteres mit einem
Lack abgedeckt werden.
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Das
Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung weist zusätzlich zu
den angegebenen Vorteilen folgende weitere Vorteile auf:
Das
Medikament kann gleichmäßig in sehr
feinen Strukturen im Bereich von 10 μm über die gesamte Oberfläche verteilt
werden mit daraus resultierender verzögerter Freisetzungskinetik.
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Über die
Tiefe der Ätzung
läßt sich
das das Medikament aufnehmende Volumen einstellen. Des Weiteren
wird im Gegensatz zur Methode des Laserschneidens die Haftfähigkeit
der Oberfläche
deutlich erhöht.
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Durch
die Korngrenzenätzung
wird erstmalig die Möglichkeit
geschaffen, auf eine Polymerbeschichtung zu verzichten und damit
die problemlose Beschichtung der Stents unmittelbar von einer Operation
ermöglicht.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, daß die vorliegende
Erfindung die Möglichkeit
bietet, eine gezielte Mikrostrukturierung der Oberfläche von
Metallen, insbesondere von Implantaten bzw. Stents vorzunehmen.
Das Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung bietet insbesondere weiterhin den
Vorteil, daß auf
eine Polymerbeschichtung nach Aufbringen eines Medikamentes verzichtet
werden kann. Durch die vorliegende Erfindung wird ein individualisiertes
stentbasiertes Therapiekonzept zur Prävention der Restenose ermöglicht.