DE102004044738A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Strukturierung von Metalloberflächen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Bauteile - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer Strukturierung von Metalloberflächen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Bauteile Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strukturierungen bzw. Mikrostrukturierungen auf Metalloberflächen, wobei die Strukturierungen/Mikrostrukturierungen durch elektrochemische Ätzung erzeugt werden. Die Erfindung betrifft ferner mit einem derartigen Verfahren bearbeitete Bauteile.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels dessen eine gleichmäßige Strukturierung, vorzugsweise Mikrostrukturierung, von Metalloberflächen erzeugbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf den Bereich der Medizintechnik beschränkt, sondern kann vielmehr zur Strukturierung von Oberflächen beliebiger metallischer Teile verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dem Ätzmittel handelt es sich vorzugsweise um ein wäßriges oder alkoholisches Ätzmittel. Grundsätzlich ist auch der Einsatz konzentrierter Säuren denkbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem in den REM-Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:
  • 1: Abbildung eines korngrenzengeätzten Stents,
  • 2: Detaildarstellung des Stents gemäß 1,
  • 3: Abbildung eines korngrenzengeätzten und mit Rapamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
  • 4: Detaildarstellung des korngrenzengeätzen und beschichteten Stents gemäß 3,
  • 5: Abbildung eines nach dem Stand der Technik sandgestrahlten und mit Rapamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
  • 6: Detaildarstellung des sandgestrahlten und beschichteten Stents gemäß 5,
  • 7: Abbildung eines chloridgeätzten Stents,
  • 8: Detaildarstellung des Stents gemäß 7 und
  • 9: Abbildung eines Stents nach Korngrenzenätzung und anschließender Chloridätzung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Es treten im Gegensatz zu den vorbekannten Verfahren weder thermische noch mechanische Belastungen auf.
  • Das Verfahren der Chloridätzung bietet eine vorteilhafte Alternative zum Sandstrahlen, benötigt jedoch anders als die Korngrenzenätzung üblicherweise eine Polymerbeschichtung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer Strukturierung von Metalloberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Metalloberfläche durch elektrochemisches Ätzen erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Metalloberfläche um eine Implantatoberfläche, insbesondere um die Oberfläche eines Stents handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrochemischen Ätzung ein Materialabtrag vorwiegend oder ausschließlich an den Korngrenzen stattfindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Korngrenzen Vertiefungen im Bereich von 1 μm bis 20 μm, vorzugsweise 2 μm bis 10 μm erzeugt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrochemischen Ätzung flächige Oberflächenbereiche des behandelten Bauteils erzeugt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß plättchenförmige Bereiche erzeugt werden, wobei die Plättchen eine Kantenlänge von in etwa 10 μm aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Ätzmittel um ein wäßriges Ätzmittel handelt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzmittel verdünnte Salpetersäure und/oder verdünnte Salzsäure eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Ätzung bei einer Stromdichte in einem Bereich von 0,1 bis 100 mA/mm2, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 mA/mm2 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 5 mA/mm2 durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil nach der elektrochemischen Ätzung mit einem Medikament beschichtet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil mit einem Polymerüberzug versehen wird.
  12. Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.
  13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Bauteil um ein Implantat, vorzugsweise um einen Stent handelt.
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