DE102009023459A1

DE102009023459A1 - Osteosynthese mit Nanosilber

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Publication number: DE102009023459A1
Application number: DE102009023459A
Authority: DE
Inventors: Cyrille Dr. Gasqueres; Amir Dr. Eliezer; Elvira Dr. Dingeldein; Frank Dr.med. Witte
Original assignee: Aap Biomaterials GmbH and Co KG
Current assignee: Aap Implantate AG
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: RU2557938C2; JP2012528612A; EP2437798A2; JP5777609B2; US20140166493A1; US20140332394A2; US20150114840A2; WO2010139451A3; RU2011153237A; CA2763946C; PL2437798T3; US20100316686A1; CN102497892A; BRPI1013015A2; EP2437798B1; WO2010139451A2; US8652645B2; DE102009023459B4; BRPI1013015B1; CN102497892B

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine antibakterielle Beschichtung, die aus Silber aufgebaut ist, auf medizinische Werkzeuge und auf Implantate, welche solch eine Beschichtung umfassen, und auf ein Verfahren als auch auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Beschichtung. Die medizinischen Werkzeuge oder die dentalen oder orthopädischen Implantate umfassen ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer behandelten Oberfläche, wobei die behandelte Oberfläche zumindest teilweise in eine Oxidschicht konvertiert bzw. umgewandelt ist durch eine Plasma-elektrolytische Oxidation unter Verwendung eines Kolloid-dispersen Systems und wobei die konvertierte Oberfläche zumindest teilweise bedeckt ist mit Inseln, die gebildet sind durch Kolloid-dispergierte Silberteilchen des Kolloid-dispersen Systems. Eine erfindungsgemäße Ag-TiO-Beschichtung zeigt exzellente Eigenschaften im Hinblick auf antibakterielle Wirksamkeit (sogar gegenüber multiresistenten Bakterienstämmen), Adhäsion und Biokompatibilität. Die Lebenszeit eines Implantats in einem menschlichen Körper wird erhöht. Die antibakterielle Beschichtung kann verwendet werden in dem Gebiet der Traumatologie, der Orthopädie, der Osteosynthese und/oder der Endoprothetik, insbesondere dort, wo ein hohes Infektionsrisiko existiert. Eine große Anzahl an derzeit bestehenden medizinischen Werkzeugen und Implantaten kann von einer solchen Beschichtung profitieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine multifunktionelle antibakterielle Beschichtung, die aus Silber aufgebaut ist, auf Implantate und/oder auf medizinische Werkzeuge, welche solch eine Beschichtung aufweisen, und sowohl auf ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Beschichtung.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, dass Silberionen das Wachstum von Bakterien und anderen Mikroorganismen stark hemmen. Silberionen zerstören wichtige Zellkomponenten von Mikroorganismen, so dass deren Vitalfunktionen nicht mehr funktionieren. Silber zeigt eine antibakterielle Aktivität in einem breiten Spektrum und ist sogar wirksam gegenüber antibiotischresistenten Bakterienstämmen. Darüber hinaus attackiert Silber zahlreiche ”Stellen” innerhalb der bakteriellen Zelle, so dass für die Bakterien die Möglichkeit verringert wird, irgendeine Art von Resistenz zu entwickeln.
Mit ansteigender Resistenz der meisten der pathogenen Mikroorganismen gegenüber den gewöhnlich verwendeten Antibiotika wurde Silber kürzlich als eine antibakteriell aktive Substanz wiederentdeckt. Tatsächlich wurde Silber bereits für lange Zeit für hygienische und medizinische Zwecke aufgrund seiner desinfizierenden Eigenschaften verwendet.
Zum Beispiel waren Silbermischungen im Ersten Weltkrieg bis zum Aufkommender Antibiotika bedeutende Waffen gegen Wundinfektion. Im Jahr 1884 verwendete der deutsche Geburtshelfer C. S. F. Credé 1q%iges Silbernitrat als eine Augenlösung zur Vorbeugung von Ophthalmia neonatorum durch Gonokokken, was sehr wahrscheinlich die erste wissenschaftlich dokumentierte medizinische Verwendung von Silber ist. Weiterhin war die Silber-sulfadiazin-Creme eine antibakterielle Standardbehandlung für ernsthafte Verbrennungswunden und ist immer noch in breiter Verwendung in medizinischen Einrichtung zur Behandlung von Verbrennungswunden.
Derzeit sind viele Silber beinhaltende Produkte auf dem Markt verfügbar, wie zum Beispiel Wundverbände, Katheter und/oder tumor-prothetische Systeme.
Ein bekanntes Herstellungsverfahren für eine Beschichtung basiert auf einem Vakuumbeschichtungsverfahren, das einen zuverlässigen Schutz für die Oberflächen eines medizinischen Implantats gegenüber einer bakteriellen Kontamination bereitstellt. Eine reine Silberbeschichtung wird abgeschieden über einen PVD-Prozess (Physical Vapor Deposition), gefolgt von einer Siliziumoxidbeschichtung, abgeschieden über ein PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Die Dicke der Beschichtung liegt im Allgemeinen unterhalb von 200 nm.
PVD- und CVD-Verfahren erfordern im Allgemeinen sehr teure Beschichtungsanlagen. Darüber hinaus sind diese Verfahren aufgrund der Hochvakuumanforderungen auch äußerst energieintensiv. Ferner ist die PVC-Technik eine sogenannte „Live-Of-Sight”-Technik. Dies bedeutet, dass es sehr schwierig ist, komplexe Oberflächen gleichmäßig zu beschichten.
Darüber hinaus kann sich eine irreversible Pigmentierung der Haut und/oder der Augen, zum Beispiel Argyria oder Argyrosis, entwickeln nach einer verlängerten Aussetzung gegenüber Silber oder Silberkomponenten aufgrund einer möglichen „exzessiven” Silberanreicherung.
Darüber hinaus können Leukopenien und neuromuskuläre Schäden durch eine erhöhte Silberkonzentration verursacht werden. Über frühere Beschichtungsansätze mit Silbersalzen oder elementarem Silber wurde berichtet, dass diese zu einem signifikanten Anstieg der Silberkonzentrationen in dem Serum des behandelten Patienten führen.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein medizinisches Gerät, zum Beispiel ausgebildet als ein Implantat, bereitzustellen, welches eine Beschichtung mit verbesserten Eigenschaften aufweist.
Vorzugsweise soll solch eine Beschichtung bereitgestellt werden als eine antibakterielle Beschichtung, zum Beispiel auf einem metallischen Implantat.
Insbesondere soll es möglich sein, die antibakterielle Wirksamkeit steuern oder anpassen zu können, zum Beispiel den Grad der Auslaugung (”leaching-rate”) einer solchen Beschichtung.
Vorzugsweise soll bzw. sollen das Einwachsen von menschlichem Gewebe und/oder Knochen durch solch eine Beschichtung auf einem Implantat gefördert werden.
Die Herstellung einer solchen Beschichtung soll auf einem einfachen und kostenreduzierten Konzept basieren.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch den Gegenstand der beiliegenden unabhängigen Ansprüche erreicht.
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen oder Verbesserungen sind Gegenstand der jeweiligen beiliegenden abhängigen Patentansprüche.
Dementsprechend schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung oder zur Bearbeitung einer Oberfläche eines medizinischen Geräts, insbesondere eines metallischen medizinischen Geräts, vorzugsweise aus einem biologisch nicht abbaubaren Material, vor, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

– Bereitstellen eines Kolloid-dispersen Systems,
– Bereitstellen eines medizinischen Geräts in dem Kolloid-dispersen System, so dass eine Oberfläche des medizinischen Geräts, die zu behandeln ist, in dem Kolloid-dispersen System eingetaucht ist,
– Erzeugen einer asymmetrischen AC-Spannungsdifferenz zwischen dem medizinischen Gerät als einer erste Elektrode und/oder einer zweiten Elektrode, die in dem Kolloid-dispersen System positioniert ist,
– so dass die ein eingetauchte Oberfläche zu einer oxidischen Schicht oder einer Oxidschicht durch eine Plasma-elektrolytische Oxidation konvertiert oder umgewandelt wird, wobei die konvertierte oder umgewandelte Oberfläche teilweise bedeckt ist durch oder mit Inseln, die durch Kolloid-dispergierte Teilchen des Kolloid-dispersen Systems gebildet werden.

Die Erfindung schlägt ebenso ein medizinisches Gerät oder eine medizinische Vorrichtung vor, umfassend ein vorzugsweise biologisch nicht abbaubares Metall oder eine biologisch nicht abbaubare Metalllegierung mit einer behandelten oder bearbeiteten Oberfläche, wobei

– die behandelte oder bearbeitete Oberfläche zumindest teilweise konvertiert oder umgewandelt ist zu einer oxidischen Schicht oder einer Oxidschicht durch eine
– Plasma-elektrolytische Oxidation unter Verwendung eines Kolloid-dispersen Systems, und wobei
– die konvertierte oder umgewandelte Oberfläche zumindest teilweise durch oder mit Inseln bedeckt ist, die durch Kolloid-dispergierte Teilchen des Kolloiddispersen Systems gebildet werden oder sind.

Eine poröse oxidische Schicht oder Lage ist aufgewachsen durch das Verfahren der Plasma-elektrolytischen Oxidation (Plasma Electrolytic Oxidation, PEO). In dem PEO-Prozess ist das metallische Substrat bereitgestellt als eine erste Elektrode, vorzugsweise als eine Anode, in einer „elektrolytischen Zelle”. Die Oberfläche des metallischen Substrats ist konvertiert oder umgewandelt in das entsprechende metallische Oxid mittels des angelegten elektrischen Feldes. Die Oxidschicht besteht aus kristallinen Phasen mit einer hochporösen Oberfläche und mit Bestandteilen, welche sowohl von dem Kolloid-dispersen System als auch von dem medizinischen Gerät, zum Beispiel einem Implantat, als einem Substrat stammen. Es wird die Synthese von Metalloxid-Nanoteilchen-Komposit-Beschichtungen durch eine in-situ-Beschichtung bereitgestellt. Die Teilchen werden auf der Oberfläche des medizinischen Geräts abgeschieden, während die Oberfläche des medizinischen Geräts oxidiert wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Ausbildung einer solchen Beschichtung auf jeder Art von Form eines medizinischen Geräts. Das Kolloid-disperse System kann auch als Dispersion bezeichnet werden. Es ist eine Flüssigkeit, die dispergierte Teilchen, insbesondere die Kolloiddispergierten Teilchen, enthält. Kolloid-dispergierte Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von ≤ 100 nm, bevorzugt von ≤ 50 nm, besonders bevorzugt von ≤ 30 nm. Die Teilchen werden auch als Nano-Teilchen oder Nano-Partikel bezeichnet. Die Teilchen sind dispergiert und nicht gelöst in dem Kolloid-dispersen System.
Vorzugsweise werden die Teilchen nicht als ein Pulver bereitgestellt, welches im Allgemeinen eine breite Größenverteilung besitzt. In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzen die Teilchen eine enge Größenverteilung mit einem FWHM (Full Width at Half Maximum) von ≤ 25 nm. Solch eine Größenverteilung ermöglicht die Entstehung von gleichmäßigen Inseln und verbessert die Leitfähigkeit in der Dispersion.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Teilchen als Silber-Teilchen (Ag-Teilchen oder Ag-Nano Teilchen) bereitgestellt. Solch eine Nanosilber-Beschichtung auf den Oberflächen von medizinischen Geräten, zum Beispiel von Implantatoberflächen, zeigt eine Vielzahl an vorteilhaften Effekten: eine Reduzierung von bakterieller Adhäsion und ein Hemmen des bakteriellen Wachstums. Bis jetzt wurde noch kein Resistenzmechanismus berichtet oder nachgewiesen gegenüber der Wirksamkeit von Silber. Denn Silber wirkt eher als ein Antiseptikum als ein Antibiotikum. Solch eine Nanosilber-Beschichtung zeigt exzellente Eigenschaften in Bezug auf antibakterielle Wirksamkeit (sogar gegenüber multiresistenten Bakterienstämmen), Haftung und Biokompatibilität (für weitere Vorteile sei auf die detaillierte Beschreibung der Erfindung verwiesen). Diese Nanosilber beinhaltende Schicht wird bereitgestellt durch eine chemische Konversion der Oberfläche des Implantats, induziert mittels der Plasmaelektrolytischen Oxidation.
Als eine Ergänzung oder als eine Alternative werden die Teilchen bereitgestellt als HA-Teilchen (Hydroxylapatit). Hydroxylapatit verbessert das Einwachsen von Gewebe, zum Beispiel in ein Implantat (Osteoconduction). Das ermöglicht beispielsweise eine starke Befestigung eines in einen menschlichen oder tierischen Körper eingefügten Implantats. Die erfindungsgemäßen HA-Teilchen beinhalten auch HA-Si-Verbindungen. Eine HA-Si-Verbindung ist eine HA-Verbindung, in welcher zumindest ein Calciumatom ersetzt ist durch ein Siliciumatom. Solch eine HA-Si-Verbindung ist charakterisiert durch eine erhöhte Biokompatibilität.
Als eine weitere Ergänzung oder als eine weitere Alternative werden die Teilchen bereitgestellt als zumindest eine Art von Teilchen, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Kupfer und Zink. Diese Teilchenarten zeigen ebenso eine antibakterielle Wirksamkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Additiv, vorzugsweise ein Additiv in Nanogröße, in der Dispersion bereitgestellt. Dementsprechend umfassen die Teilchen ein Additiv, wobei das Additiv zumindest ein Material ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Metallen, Oxiden, Erdminerialien und Phosphaten. Einige typische Beispiele sind Magnesium, Calciumphosphat, α-TCP (Tri-Calcium-Phosphat), Natrium-Wasserglas, Kalium-Wasserglas und/oder Silicium. Wasserglas ist wirksam für eine Knochenmineralisierung. Das Additiv ist gelöst oder dispergiert in dem Kolloid-dispersen System. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend genannten Additive beispielhaft und nicht auf diese Aufzählung beschränkt sind.
Das Kolloid-disperse System kann auf jeder Art von Flüssigkeit, insbesondere mit geringer oder überhaupt keiner Leitfähigkeit, basieren. In einer Ausführungsform wird das Kolloid-disperse System als eine Wasser-basierte Dispersion bereitgestellt. Vorzugsweise sind die Dispersionsmittel reines Wasser oder Ionen-ausgetauschtes Wasser. Das verwendete Wasser beinhaltet im Wesentlichen keine Elektrolyte. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden absichtlich keine zusätzlichen Elektrolyte in das destillierte Wasser eingeführt. Der pH-Wert des verwendeten Wassers ist ≤ 7.
Die Teilchen als die disperse Phase der Dispersion werden in einer Konzentration von ≤ 100 mg/l, bevorzugt ≤ 20 mg/l, besonders bevorzugt ≤ 5 mg/l, bereitgestellt. Dieser Wert ist insbesondere anwendbar für metallische Teilchen, insbesondere für Ag-Teilchen zur Vermeidung von Zell toxischen Effekten. Darüber hinaus sind diese Werte insbesondere anwendbar für metallische Teilchen, zum Beispiel Ag-Teilchen, um eine ausreichende Leitfähigkeit in dem Kolloid-dispersen System bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Leitfähigkeit in dem Kolloid-dispersen System im Wesentlichen ausschließlich oder ausschließlich bereitgestellt durch die Kolloid-dispergierten Teilchen als solche. Dies ist insbesondere zutreffend für metallische Teilchen, wie zum Beispiel Ag-Teilchen. Vorzugsweise sind die Teilchen, beispielsweise die Ag-Nano-Teilchen, die einzigen Träger für die elektrische Ladung in der Dispersion. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Teilchen oder die metallischen Teilchen bereitgestellt durch ein Material, aus welchem die Inseln auf der Oxidschicht ausgebildet werden. Ein Materialbeispiel stellt Silber dar. In einer Ergänzung oder in einer Alternative werden die metallischen Teilchen oder die dispergierten metallischen Teilchen durch eine Komponente, welche eine Komponente des Substratmaterials ist, bereitgestellt. Zum Beispiel. werden die Teilchen durch Titanteilchen bereitgestellt, sofern das Substrat, welches das medizinische Gerät darstellt, Titan umfasst. Eine Kontamination kann dadurch vermieden werden.
In einer Alternative oder in einer Ergänzung wird zumindest ein Elektrolyt in dem Kolloid-dispersen System bereitgestellt. Der Elektrolyt ist gelöst in dem Kolloiddispersen System. In einer Ausgestaltung umfasst der Elektrolyt zumindest ein Material, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Metallen, Oxiden, Erdmineralien und Phosphaten. In einer anderen Ausführungsform umfasst der Elektrolyt zumindest ein Elektrolyt, das ausgewählt ist aus einer Komponente des Substratmaterials. Das heißt, der Elektrolyt ist angepasst an das Substratmaterial. Zum Beispiel wird der Elektrolyt bereitgestellt durch Titanionen, sofern das Substrat, welches das Implantat repräsentiert, Titan umfasst. Eine Kontamination kann vermieden werden. Es soll hierbei betont werden, dass die vorstehend genannten Elektrolyte beispielhaft und nicht auf diese Aufzählung beschränkt sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Gas in dem Kolloid-dispersen System bereitgestellt. Das Gas wird zum Beispiel bereitgestellt durch eine Art von ”Spülen” oder ”Sprudeln” (Bubbling”). Insbesondere wird das Gas derart bereitgestellt, dass das Gas die PEO beeinflusst und/oder dass das Gas an der PEO teilnimmt. Das Gas umfasst zumindest eine Art von Gas, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus N₂, Ar, Kr und Xe. Die genannten Edelgase sind insbesondere geeignet, um eine erhöhte Verdichtung in der konvertierten Schicht zu erreichen.
Die konvertierte Oberfläche des medizinischen Geräts, zum Beispiel die konvertierte Oberfläche des Implantats, ist gleichmäßig bedeckt mit der Oxidschicht. Vorzugsweise ist die konvertierte Oberfläche kontinuierlich bedeckt mit der Oxidschicht. Die Oxidschicht besitzt eine Dicke von 10 μm bis 100 μm, vorzugsweise von 20 μm bis 40 μm. Die Oxidschicht ist charakterisiert durch ”Erhebungen” oder „Hügel” und/oder durch ”Plateaus”, die getrennt sind durch Aussparungen oder Rillen und/oder Kanäle. Solch eine Erscheinung stellt ein typisches Merkmal eines PEO-Verfahrens dar. Solch eine Struktur resultiert in einer Oberfläche eines medizinischen Geräts oder eines Implantats mit einer hohen spezifischen Mantelfläche (specific surface area).
Wie bereits in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt, werden die Teilchen auf der Oberfläche des medizinischen Geräts während der Oxidation der Oberfläche des medizinischen Geräts aufgebracht oder abgeschieden. Ein kleiner Anteil der Teilchen ist auch in der Oxidschicht eingebettet. Der Hauptteil der Teilchen ist abgeschieden auf der Oberfläche der Oxidschicht und bildet die Inseln.
Es existiert keine scharfe oder eindeutige Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der aufgebrachten oder abgeschiedenen Teilchenschicht. Die Teilchenkonzentration in der konvertierten Oberfläche des medizinischen Geräts, zum Beispiel des Implantats, ist abnehmend, vorzugsweise kontinuierlich abnehmend, mit ansteigender Tiefe.
Die Inseln werden bereitgestellt oder gebildet durch sogenannte Mikro-Lichtbögen (micro-arc) in dem PEO- Verfahren, zum Beispiel durch ein Implantieren und/oder Abscheiden und/oder eine Agglomeration der dispergierten Teilchen. Die Inseln sind umgeben von der Oxidschicht. Die Inseln haben typischerweise eine mittlere Größe von weniger als 300 nm. Eine durchschnittliche Dicke liegt in der Größenordnung von 5 nm bis zu 400 nm. Einige Inseln können auch miteinander verbunden sein. Typischerweise ist im Wesentlichen keine oder nur eine geringe Porosität in den Inseln, welche insbesondere Nano-Flächen bilden, vorhanden.
Gleichwohl stellen diese Inseln eine nicht-kontinuierliche Schicht oder einen nicht-kontinuierlichen Film, die bzw. der zum Beispiel durch Silber gebildet wird, auf der Oxidschicht dar. In einer Ausgestaltung ist die Oberfläche des medizinischen Geräts eine TiO-Ag-Nano-Komposit-Beschichtung. Dementsprechend sind die Elemente oder die Verbindungen Ti, TiO₂, Ag und AgO direkt „ersichtlich” bzw. nachweisbar auf oder an der Oberfläche. Die behandelte Oberfläche hat einen mittleren Insel-Bedeckungsgrad von ≤ 20%, vorzugsweise ≤ 10%.
Eine chemische Charakterisierung einer behandelten oder bearbeiteten Oberfläche resultiert in einer Komposition von Kolloid-dispergierten Teilchen, vorzugsweise Silber, von 1 bis 10 Atom-%, vorzugsweise 2 bis 6 Atom-%.
Die chemische Charakterisierung von Nanosilber aus Titan oder einer Titanlegierung resultiert in der folgenden Zusammensetzung:

Ag Ti Al V O

at. % 1–10 5–40 0–5 0–2 30–70
Die Steuerung oder das Einstellen des Bedeckungsgrads mit den Inseln kann verwendet werden, um den „Effekt” der Inseln einzustellen. Zum Beispiel kann die antibakterielle Wirksamkeit eingestellt werden. Ein Parameter für die antibakterielle Wirksamkeit stellt die Auslaugungsrate (leaching rate) dar, zum Beispiel für Silberionen. In der Ausführungsform von Ag-Teilchen besitzt die behandelte Oberfläche eine Silberionen-Auslaugungsrate von weniger als 120 ng·cm^–2·Tag^–1. Eine Oberflächenbehandlung mit Silber bzw. Nanosilber zeigt eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit mit einem geringen Anteil an möglichen Nebeneffekten. Aufgrund des hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen der Nanoteilchen (vorzugsweise mit einer Größe zwischen 2 und 50 nm), wird eine hohe Wirksamkeit sogar bei kleinen Dosierungen erwartet, wodurch das Risiko von schädlichen Effekten auf die Zelle reduziert wird.
Die asymmetrische AC-Spannungsdifferenz oder asymmetrische AC-Spannung repräsentiert eine unausgeglichene oder unsymmetrische (unbalanced) AC-Spannung. Dies ist eine alternierende Spannung mit unterschiedlichen Amplituden zu der negativen Komponente und zu der positiven Komponente. Diese alternierende Spannung ist oder wird angelegt an die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode. Die AC-Spannung wird bereitgestellt mit einer Frequenz von 0,01 Hz bis 1200 Hz. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine gepulste DC-Spannung ebenso als die AC-Spannung interpretiert werden kann. Die negative Komponente wird bereitgestellt mit einer Amplitude, welche von –350 V bis –0,1 V reicht. Die positive Komponente wird bereitgestellt mit einer Amplitude, welche von 0,1 V bis 1400 V reicht.
Insbesondere ist es erforderlich, dass der Quotient aus der positiven Amplitude, geteilt durch die negative Amplitude, angepasst wird. Der Betrag des. Quotienten liegt in einem Bereich von ≥ 1 bis 4.
Die Spannungsdifferenz wird bereitgestellt mit einer Größenordnung, die ausreichend zum Ausführen der PEO ist. Die Spannung liegt oberhalb einer Durchschlagsspannung der Oxidschicht, die auf der Oberfläche des Implantats wächst. Vorzugsweise wird das Maximum der AC-Spannungsdifferenz bereitgestellt in einem Bereich von 100 V bis 1400 V. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Kolloid-dispersen Systems und eines optionalen zusätzlichen Elektrolyts resultiert die angelegte Spannungsdifferenz in einer Stromdichte von 0,00001 bis 50 A/dm².
Es wird eine Abscheiderate in einem Bereich von 0,01 μm/s bis 1 μm/s erreicht. Dementsprechend ist, was die vorteilhafte Dicke der Oxidschicht und/oder der Teilcheninseln betrifft, eine Beschichtungszeit in einem Bereich von 20 s bis 260 s erreichbar.
Um eine stabile Dispersion zu erhalten, wird das Kolloiddisperse System mit einer Temperatur von –20°C bis +100°C bereitgestellt. Das Kolloid-disperse System wird zirkuliert mit einer Zirkulationsrate von 0,01 bis 500 l/min. Dies wird beispielsweise erreicht durch einen Mischer oder Mittel zum Mischen oder Mittel zum Umlenken. Ein Emulgierungsmittel wird als optionale Ergänzung in dem Kolloid-dispersen System bereitgestellt, insbesondere um eine Agglomeration der Teilchen zu verhindern oder zu reduzieren. Ein typisches Volumen des Kolloid-dispersen Systems liegt in einer Größenordnung von 0,1 l bis 500 l, vorzugsweise von 3 l bis 20 l. Solche Volumina unterstützen eine verbesserte elektrische Feldverteilung in dem dispersen System.
Eine ”initiale” Oberfläche eines medizinischen Geräts ohne jegliches Polieren ist ausreichend, um eine geeignete gleichmäßige, konvertierte Oberfläche zu erhalten und eine geeignete stabile Verbindung zwischen der konvertierten Oberfläche zu dem Volumenmaterial (bulk material) zu erhalten. Die ”initiale” Oberfläche beschreibt die Oberfläche, bevor das medizinische Gerät dem PEO-Verfahren ausgesetzt wird. Ein mechanisches Polieren der ”initialen” Oberfläche ist ausreichend, um verbesserte Eigenschaften zu erhalten. Ein kostenintensives elektrolytisches Polieren, das in einer sehr ebenen Oberfläche resultiert, ist nicht notwendig.
Die Erfindung schlägt ebenso eine Vorrichtung zur Behandlung oder Bearbeitung einer Oberfläche eines medizinischen Geräts, insbesondere eines metallischen medizinischen Geräts, durch Plasma-elektrolytische Oxidation vor, umfassend die folgenden Komponenten:

– ein Bad zum Aufbewahren eines Kolloid-dispersen Systems,
– vorzugsweise Mittel zum Mischen eines Kolloiddispersen Systems in dem Bad,
– Mittel zum Halten eines medizinischen Geräts derart, dass eine Oberfläche eines medizinischen Geräts, die zu behandeln ist, in ein Kolloid-disperses System eingetaucht ist, wobei einmedizinisches Gerät als erste Elektrode bereitgestellt wird,
– Mittel zum Bereitstellen einer zweiten Elektrode in einem Kolloid-dispersen System, welches in dem Bad aufbewahrt wird,
– eine Netzteileinheit oder Spannungsversorgungseinheit zum Erzeugen einer AC-Spannung, die an die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode angelegt wird,
– Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit der Netzteileinheit, wobei
– die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode derart angepasst sind an ein eingetauchtes medizinisches Gerät, so dass das Querschnittsverhältnis von 0,75 bis 4 reicht.

Das Querschnittsverhältnis stellt den Quotienten des Querschnitts der medizinischen Vorrichtung, geteilt durch den Querschnitt der Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode, dar. Das angepasste Verhältnis ist insbesondere festgelegt in der Nähe der Grenzfläche oder des Übergangsbereichs zwischen dem medizinischen Gerät und den Mitteln zum Verbinden.
Vorzugsweise sind die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode ausgebildet, um eine im Wesentlichen gleichmäßige elektrische Feldverteilung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, insbesondere in der Nähe der zu behandelnden oder bearbeitenden Oberfläche des medizinischen Geräts, bereitzustellen.
Eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist vorteilhaft, um eine Oberflächenkonversion von erhöhter Gleichmäßigkeit zu erzielen. Die Erfinder haben überraschenderweise herausgefunden, dass die elektrische Feldverteilung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode stark beeinflusst wird durch die Ausgestaltung der Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode. Im Detail ist die elektrische Feldverteilung stark abhängig von der Form oder dem Design und/oder den Abmessungen der Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode.
Die erforderliche gleichmäßige elektrische Feldverteilung wird erreicht durch die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode, die einen angepassten reduzierten oder einen angepassten vergrößerten Querschnitt in Bezug auf den Querschnitt des verbundenen medizinischen Geräts haben. In einer Ausführungsform besitzen die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode einen, vorzugsweise zirkularen, Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser von ≤ 5 mm, vorzugsweise ≤ 1,5 mm. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode als ein Draht bereitgestellt. Der Draht ist metallisch. Der Draht ist ausgebildet, um einen elektrischen Strom zu tragen, und ist beispielsweise ausgeführt als ein Gewinde, ein Stab oder ein Litze. Der Draht kann flexibel oder nichtflexibel sein. Die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode werden an dem medizinischen Gerät als der ersten Elektrode befestigt. Die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode, insbesondere der Draht, können befestigt werden durch Schweißen, Kleben, Klemmen und/oder Schrauben. Vorzugsweise werden die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode bereitgestellt mit demselben Material wie das zu verbindende medizinische Gerät. Es wird ausdrücklich betont, dass die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode auch bereitgestellt werden können durch die Mittel zum Halten oder zur Halterung des medizinischen Geräts. Das heißt, die Mittel zum Halten des medizinischen Geräts und die Mittel zum Verbinden des medizinischen Geräts sind bereitgestellt durch ein einziges Bauteil. In einer Ausgestaltung sind die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode zumindest teilweise bereitgestellt mit einem Gewinde.
In einer weiteren Ausführungsform werden Mittel zum Anpassen des elektrischen Feldes bereitgestellt. Zum Beispiel werden die Mittel zum Anpassen des elektrischen Feldes bereitgestellt als eine Komponente zum Vermeiden von Ecken und folglich zum Vermeiden von Regionen mit erhöhter elektrischer Felddichte. In einer erfindungsgemäßen Variante sind die Mittel zum Anpassen des elektrischen Feldes ausgebildet als eine Kappe. Diese Kappe kann auf das Gewinde aufgeschraubt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Gasversorgung für das Kolloid-disperse System bereitgestellt.
Die erfindungsgemäßen antibakteriellen Beschichtungen können verwendet werden in den Bereichen der Traumatologie, Orthopädie, Osteosynthese und/oder Endoprothetik, insbesondere dort, wo ein hohes Infektionsrisiko existiert. Eine große Anzahl von derzeit existierenden Implantaten oder Produkten könnte von einer solchen antibakteriellen Beschichtung profitieren.
Das medizinische Gerät ist eine medizinische Vorrichtung, welche zumindest teilweise in einem menschlichen Körper und/oder einem tierischen Körper eingeführt oder positioniert ist. Das medizinische Gerät kann jede Art von medizinischer Vorrichtung oder Einrichtung oder Apparat sein.
In einer Ausführungsform ist das medizinische Gerät ein Implantat. Das Implantat ist ein dentales Implantat oder ein orthopädisches Implantat. Beispielhafte Ausgestaltungen für ein erfindungsgemäßes Implantat sind Platten, Schrauben, Nägel, Nadeln und/oder alle, vorzugsweise externen, Befestigungssysteme. Es wird ausdrücklich betont, dass diese Anwendungen beispielhaft und nicht beschränkt auf diese Aufzählung sind.
In einer Ausführungsform ist das medizinische Gerät ein medizinisches Instrument oder Werkzeug. Beispielhafte Ausführungsformen eines solchen medizinischen Instruments sind chirurgische Instrumente und/oder diagnostische Instrumente. Ein Beispiel eines chirurgischen Instruments repräsentiert ein Skalpell. Ein Beispiel eines diagnostischen Instruments repräsentiert ein Endoskop. Es wird ausdrücklich betont, dass diese Anwendungen beispielhaft, aber nicht beschränkt auf diese Aufzählung sind.
Die erfindungsgemäßen Oberflächen-konvertierten Implantate basieren in einer Ausführungsform auf biokompatiblen Materialien, aber vorzugsweise nicht auf biologisch abbaubaren Materialien. Sie sind beabsichtigt für Langzeitapplikationen, zum Beispiel für mehrere Tage bis zu Monaten, und/oder für quasi-permanente Applikationen, wie zum Beispiel für Langzeitimplantationen von chirurgischen Implantaten und/oder Prothesen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch anwendbar für biologisch abbaubare Materialien.
Das Implantat umfasst zumindest ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Chromlegierungen, Kobaltlegierungen und Edelstahl. Eine Legierung umfasst zumindest 50 Gew.-% des genannten Hauptelements. Einige typische Beispiele für Titanlegierungen sind TiAl6V4, TiAl6Nb7 und/oder TiZr. Einige typische Beispiele für Chromlegierungen sind CrNi und/oder CrNiMo. Einige typische. Beispiele für Kobaltlegierungen sind CoCr und/oder CoCrMo. Einige typische Beispiele für Edelstahl sind die Typen 316L und/oder 304. Es sei ausdrücklich betont, dass die vorstehend genannten Legierungen nur beispielhaft und nicht beschränkt auf diese Aufzählung sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere angepasst zum Ausführen eines jeden der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ausführbar mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das medizinische Gerät, beispielsweise ein Implantat, gemäß der Erfindung ist herstellbar, vorzugsweise hergestellt, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das oder ein medizinisches Gerät, zum Beispiel ausgeführt als ein Implantat, umfasst eine Oberfläche, die aufgebaut ist aus einer Oxidschicht, die teilweise bedeckt ist mit Inseln eines antimikrobiellen Materials, vorzugsweise Silber, und/oder mit HA.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen auf der Basis von bevorzugten Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen identische oder ähnliche Teile.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung,
1b zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Mittel zum elektrischen Verbinden einer medizinischen Vorrichtung,
1c zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Mittel zum elektrischen Verbinden einer medizinischen Vorrichtung,
1d zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Mittel zum elektrischen Verbinden einer medizinischen Vorrichtung,
1e zeigt schematisch eine Ausführungsform einer asymmetrischen AC-Spannungsverteilung, und
2a bis 10 zeigen Untersuchungsergebnisse einer erfindungsgemäßen Ag-TiO₂-Beschichtung.
Im Detail zeigen die Figuren folgendes:
2a–e zeigen Bilder einer Nanosilber-Beschichtung unter Verwendung von „Stereo Light Microscopy” (a),
SEM im Topografie-Kontrast-Modus (b–c),
geneigte SEM im Topografie-Kontrast-Modus (d),
eine schematische Querschnittsansicht der konvertierten Oberfläche (e).
3a–b zeigen ein SEM-Bild einer Nanosilber-Beschichtung im chemischen Kontrastmodus (a),
ein EDX-Spektrum der hellen Regionen (b).
4a–b zeigen XPS-Tiefenprofilanalysen der Nanosilber-Beschichtung.
5a zeigt die Verfahrensschritte zur Präparation des Biofilmtests.
5b zeigt die gefundene Bakterienmenge auf dem Nanosilber, Ag-Stäben und Ti-Legierung-Stäben nach einer Inkubation von 12 Stunden.
6a–6e zeigen die Verfahrensschritte zur Präparation des Proliferationstests (a),
die Interpretation der Wachstumskurven (b–d) und
die erzielten experimentellen Ergebnisse (e).
7 zeigt. analytische Ergebnisse, erhalten durch GF-AAS, in einem pseudo-dynamischen Modell.
8 zeigt analytische Ergebnisse, erhalten durch GF-AAS, in einem statischen Modell.
9a–9b zeigen ”Stereo Light Microscopy”-Bilder eines beschichteten Stabes nach einem Biegetest.
10 zeigt ein SEM-Bild von ZK20-Zellen auf einer Nanosilber-Beschichtung.
11 zeigt ein XRD-Bild einer konvertierten Ti-Oberfläche mit einer HA-Beschichtung.
Nachfolgend sind bevorzugte, jedoch beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 illustriert eine Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung ist nur auf ein Implantat gerichtet als eine beispielhafte Ausführungsform eines medizinischen Geräts oder einer medizinischen Vorrichtung. Zum Beispiel wurde die vorliegende innovative Technik, basierend auf der Plasma-elektrolytischen Oxidation (PEO), entwickelt für eine Beschichtung eines chirurgischen Implantats für eine Langzeitimplantation. PEO ist ein Verfahren zur elektrochemischen Oberflächenbehandlung zum Ausbilden von Oxidbeschichtungen auf Metallen. Da ein gepulster alternierender Strom, bei einer hohen Spannung, durch das Kolloid-dispergierte System 4 oder das elektrolytische Bad 4 fließt, wird eine gesteuerte Plasmaentladung gebildet und Funken an der Substratoberfläche generiert. Diese Plasmaentladung konvertiert bzw. wandelt die Oberfläche des Metalls um in eine Oxidbeschichtung. Die Beschichtung ist tatsächlich eine chemische Konversion oder Umwandlung des Substrats und wächst sowohl in die ursprüngliche Metalloberfläche hinein als auch aus dieser heraus. Da es eher eine Konversionsbeschichtung als eine abgeschiedene Schicht (so wie eine Beschichtung, die durch Plasma-Spraying gebildet ist) ist, besitzt die Beschichtung eine exzellente Adhäsion an dem metallischen Substrat (siehe dazu 9a und 9b). Eine große Vielzahl von Substratlegierungen kann mit dieser Technik beschichtet werden.
Das dispergierte System 4 wird in einem Bad 5 bereitgestellt. Das Implantat 20 wird als eine erste Elektrode 1 in dem dispergierten System 4 bereitgestellt. In der illustrierten Ausführungsform ist das Implantat 20 vollständig in die Flüssigkeit 4 bzw. das dispergierte System 4 eingetaucht. Eine zweite Elektrode 2 ist bereitgestellt als ein Becher, der ebenso in dem Kolloiddispergierten System 4 eingetaucht oder bereitgestellt wird. Die zweite Elektrode 2 „umgibt” die erste Elektrode 1.
Die Temperatur des dispergierten Systems 4 wird erhalten oder gesteuert durch einen Wärmeaustauscher 6 und/oder ein Pumpsystem 7 und/oder Mittel zum Mischen 8. Eine Zirkulation und/oder ein Mischen des dispergierten Systems 4 wird erreicht durch die Mittel zum Mischen 8. Die Mittel zum Mischen 8 sind zum Beispiel bereitgestellt durch einen akustischen hydrodynamischen Generator. Als eine mögliche und hier dargestellte Ergänzung kann ebenso eine Gasversorgung 9, zum Beispiel für Luft, bereitgestellt werden als ein Mittel zum Mischen 8. Die Zirkulation der Flüssigkeit verhindert eine Agglomeration der Nanoteilchen, die in dem dispergierten System 4 enthalten sind.
In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform wird die zweite Elektrode 2 durch das Bad 5 oder den Behälter 5 als solchem bereitgestellt. Dies ist beispielsweise geeignet für einen Behälter 5, der durch ein konduktives Material bereitgestellt wird. In einer solchen Ausführungsform sind das Bad 5 und die zweite Elektrode 2 in einem Stück bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrode 1 annäherungsweise in dem Zentrum der zweiten Elektrode 2 positioniert, um eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung zu erhalten. Das Design der Mittel zum Verbinden 3 der ersten Elektrode 1 ist so ausgewählt, um eine im Wesentlichen gleichförmige oder angepasste elektrische Feldverteilung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zu erhalten. Dazu ist bzw. sind der Querschnitt und/oder die Geometrie der Mittel zum Verbinden 3 des Implantats 20 angepasst zu dem Querschnitt und/oder der Geometrie des Implantats 20. Die 1b bis 1d zeigen schematisch drei beispielhafte Ausführungsformen der Mittel zum Verbinden 3 des Implantats 20.
Die 1b bis 1d illustrieren mögliche Ausführungsformen der Mittel zum Verbinden 3, welche jeweils einen angepassten reduzierten Querschnitt in Bezug auf das Implantat 20 besitzen. Dementsprechend ist das Querschnittsverhältnis (repräsentiert durch den Quotienten aus dem Querschnitt der medizinischen Vorrichtung, geteilt durch den Querschnitt der Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode) > 1 und < 4. Der reduzierte Querschnitt der Mittel zum Verbinden 3 ist illustriert durch die Durchmesser d1 und d2 mit d1 < d2. Der angepasste reduzierte Querschnitt wird insbesondere festgelegt in der Nähe oder dem Bereich der Grenzfläche 35 oder dem Übergang 35 zwischen dem Implantat 20 und den Mitteln zum Verbinden 3.
In 1b sind die Mittel zum Verbinden 3 der ersten Elektrode 1 (bzw. des Implantats 20) ausgeführt als ein Draht 3. Der Draht 3 ist ausgebildet als eine vorzugsweise zylindrische Stange 3. Die Stange 3 oder der Stab 3 ist ausgeführt, um sowohl den elektrischen Kontakt herzustellen als auch um das Implantat 20 zu halten.
1c illustriert die Beschichtungskonfiguration für eine Schraube als ein Implantat 20. Da Schrauben 20 im Allgemeinen recht klein sind, zum Beispiel kleiner oder gleich 1 cm, erweist sich die Beschichtung einer Schraube 20 als recht auswendig. Die Mittel zum Verbinden 3 der ersten Elektrode 1 sind auch ausgeführt als ein Draht 3. Der Draht 3 ist teilweise ausgeführt als eine, vorzugsweise zylindrische, Stange 3. Der Endbereich der Stange 3 ist ausgeführt mit einem Gewinde 31. Die Schraube 20 ist aufgeschraubt auf dem Gewinde 31. Eine Kappe oder Haube 3 ist aufgebracht oder aufgeschraubt an dem Endbereich des Gewindes 31. Die Lücken oberhalb und unterhalb der Schraube 20 besitzen eine Größe von etwa 1 mm. Die Verwendung einer solchen Kappe 32 ermöglicht die Ausbildung einer gleichmäßigen Beschichtung sowohl auf der oberen als auch der unteren Stirnfläche der Schraube 20. Die Kappe 32 stellt ein Mittel zum Anpassen des elektrischen Feldes dar. Die Stange 3 ist ausgeführt, sowohl um einen elektrischen Kontakt herzustellen als auch um das Implantat 20 zu halten.
In 1d sind die Mittel zum Verbinden 3 der ersten Elektrode 1 (bzw. des Implantats 20) ebenso ausgeführt als ein Draht 3. Der Draht 3 ist nun ausgebildet als eine Litze oder Drahtlitze 3. Die Litze 3 ermöglicht nur die elektrische Verbindung. Sie ist durch eine Halterung 33, welche vorzugsweise nicht leitend ist, durchgeführt. Die Halterung oder der Halter 33 dienen zur mechanischen Halterung des Implantats 20.
Die AC-Spannung wird bereitgestellt durch das Netzteil oder die Spannungsversorgung 10 (siehe dazu 1a). Die Anwendung einer asymmetrischen, gepulsten AC-Spannung resultiert in einer dichten Beschichtung. Der positive Anteil des Pulses ermöglicht das Aufwachsen der konvertierten Oberfläche. Am Anfang des Oxidschicht-Aufwachsverfahrens ist die konvertierte oder umgewandelte Oberfläche charakterisiert durch eine dichte Struktur. Mit ansteigender Schichtdicke der Oxidschicht wird die Beschichtung mehr und mehr porös. Die Teilchen der Beschichtung sind mehr und mehr lose gebunden. Diese lose gebundenen Teilchen werden in bzw. mit dem negativen Anteil des Pulses entfernt. Dementsprechend ist der negative Anteil des Pulses ein sogenannter Ätzanteil. Eine asymmetrische AC-Spannung ist eine Spannung mit unterschiedlichen Amplituden in den positiven und den negativen Anteilen. Insbesondere muss hierbei der Quotient aus positiver Amplitude, geteilt durch die negative Amplitude, angepasst werden oder sein. Der Betrag des Quotienten liegt hierbei in einem Bereich von > 1 bis 4. Zu Zwecken der Illustration zeigt 1d schematisch solch eine asymmetrische AC-Spannungsverteilung für Amplituden U1 von +200 V und –50 V. Diese Spannungen werden zum Beispiel an dem Implantat 20, als der ersten Elektrode 1, angelegt (siehe hierzu 1a). In dieser Ausführungsform liegt die an der zweiten Elektrode 2 angelegte Spannung auf dem Erdpotential. Die Form ist als eine annäherungsweise rechteckige Form illustriert. Die Form kann ebenso auch, insbesondere teilweise, eine Art Sinus sein.
Nanosilber-Teilchen mit einer Partikelgröße von etwa 1 bis 20 nm, vorzugsweise 5 nm, erweisen sich als sehr geeignet. Dies führt zu einer erhöhten spezifischen Mantelfläche und dadurch zu einem hohen Anteil von lösbaren Silberionen. Die Silberionen sind verantwortlich für die spezifische Wirksamkeit gegenüber einer breiten Mannigfaltigkeit von Bakterien, Pilzen und Hefepilzen.
Silberionen deaktivieren kritische physiologische Funktionen, wie die Zellwandsynthese, den transmembranen Transport, die Nukleinsäurereproduktion oder Proteinfunktionen. Alle diese Aktionen resultieren in einem kurzfristigen Tod der Mikroorganismen. Aufgrund dieser multiplen Weise der antimikrobiellen Wirkung ist es sehr unwahrscheinlich, dass die Mikroorganismen eine Resistenz gegenüber Silber entwickeln. Über die antimikrobielle Wirkung der Silberionen hinaus zeigen neue Forschungsprojekte, dass insbesondere Nanosilber eine Wirksamkeit gegenüber Viren, wie HIV oder Hepatitis, zeigen.
Die 2a bis 11b zeigen experimentelle Ergebnisse der Untersuchung einer erfindungsgemäßen Ag-TiO₂-Beschichtung. Das verwendete Substrat oder das Implantatmaterial ist TiAl6V4 ELI als Legierung. Die TiAl6V4 ELI-Legierung (Extra Low Interstitials, ISO 5832-3) ist eine TiAl6V4-Legierung mit einem höheren Reinheitsgrad. Dieser Grad besitzt einen geringeren Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Eisengehalt. Sie wird gewöhnlich verwendet in biomedizinischen Anwendungen, wie chirurgischen Instrumenten oder orthopädischen Implantaten.
Zunächst zeigen die 2a bis 2d Ergebnisse einer topografischen Charakterisierung (gemäß ISO/TS 10993-19:2006). Als ein Beispiel wurde eine Schraube mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung analysiert. Die Topografie der Oberflächenbeschichtung wurde untersucht durch ”Stereo Light Microscopy (2a) und ”Scanning Electron Microscopy” (SEM) im Topografiekontrastmodus (2b bis 2d).
Die Bilder zeigen eine gleichmäßige und homogene Beschichtung der Oberflächen (2a und 2b). Bei einer stärkeren Vergrößerung werden die charakteristischen Merkmale einer PEO-Beschichtung „enthüllt”: Flache erhobene Plateaus mit einigen Vertiefungen zwischen ihnen (2c). Die durchschnittliche Tiefe liegt bei 20 μm (siehe 2d). Die topografische Charakterisierung zeigt eine dichte Beschichtung mit einer hohen spezifischen Mantelfläche.
2c und 2d zeigen die typischen Merkmale einer durch PEO konvertierten Oberfläche. Zu Illustrationszwecken zeigt 2e in einer schematischen Darstellung eine konvertierte Oberfläche in einer Querschnittsansicht. Die konvertierte Oberfläche ist kontinuierlich bedeckt mit der Oxidschicht. Eine typische Dicke liegt unterhalb von 25 μm. Die Oxidschicht ist charakterisiert durch Hügel und/oder Plateaus, die getrennt sind durch Rillen und/oder Kanäle. Auf der Oberseite der Oxidschicht sind die genannten Inseln ausgebildet und bilden eine nicht kontinuierliche Schicht aus metallischem Ag und teilweise AgO. Diese Inseln können auf den Plateaus und in den Rillen gebildet sein. Die Inseln haben eine typische Dicke von < 100 nm und einen typischen Durchmesser in einem Bereich von 5 nm bis 200 nm.
Die 3a und 3b zeigen die Ergebnisse einer physikalisch-chemischen Charakterisierung (gemäß ISO/TS 10993-19:2006). Die SEM-Bilder im chemischen Kontrastmodus zeigen die Anwesenheit von schweren Elementen auf der Beschichtungsoberfläche, insbesondere ausgebildet als Inseln (helle Bereiche in 3b). Energie-dispersive Spektrometrie (EDS) bestätigt die Anwesenheit von Silber (3a). Silber ist homogen oder gleichmäßig verteilt auf der Beschichtungsoberfläche. Typische Silber enthaltende Bereiche sind sehr viel kleiner als 1 μm.
In den 4a und 4b sind Ergebnisse einer chemischen Charakterisierung (gemäß ISO 10993-18:2005) gezeigt. Die elementare Komposition der Oberfläche wurde genauer ausgewertet durch ”X-Ray Photoelectron Spectroscopy” (XPS) unter Verwendung eines PHI 5500 ESCA-Spektrometers (monochromatische Al Kα-Strahlung). Jeder der unten berichteten Werte stellt den Mittelwert von drei unabhängigen Analysen dar.

% Ag Ti Al V C 0 N Cl S

at. 3,6 14,7 1,2 0,3 30,3 47,7 1,4 0,5 0,3

wt % 16,8 30,4 1,4 0,7 15,7 33,0 0,8 0,8 0,4
Die beschichtete Oberfläche ist überwiegend aufgebaut aus Titanoxid mit Silber und Kohlenstoff. Ebenso wurden extrem niedrige Mengen an Stickstoff, Chlor und Schwefel als Verunreinigungen gefunden.
XPS-Tiefenprofilierung (Sputtern mit einer 3 keV Argon-Ionenkanone, Oberflächenbereich 3,8 × 4,2 mm) wurde durchgeführt an der Beschichtung, um die Gleichmäßigkeit der Tiefenkomposition zu untersuchen; eine Abschätzung der Dicke des Silber beinhaltenden Anteils der Beschichtung wurde dadurch erhalten: < 100 nm.
Nach einer Sputterzeit von 2 min nimmt der Kohlenstoffanteil stark ab und zeigt dadurch die Anwesenheit von kleinen organischen Kontaminationen an der Oberfläche (4a). Diese Oberflächenverunreinigung mit Kohlenstoff wird oft bei XPS gefunden und ist sehr wahrscheinlich auf den Transport oder das ”Handling” der Proben vor der Analyse zurückzuführen. Zudem wird nach einer Sputterzeit von 2 min die höchste Konzentration von Ag nachgewiesen (4b).
Danach wird ein kontinuierliches Abnehmen der Ag-Konzentration beobachtet. Dies offenbart Diffusionsmuster des Silbers in die Oxidschicht hinein. Diese Beobachtung ist ebenso konsistent mit den SEM-Ergebnissen, welche darauf hinweisen, dass das Silber als kleine Teilchen vorliegt und nicht als eine kontinuierliche Schicht. Es existiert keine scharf definierte Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und den Ag-Inseln. Dies ist beispielsweise im Gegensatz zu Oberflächen, die in ein Oxid konvertiert sind und anschließend mit einer Ag-Beschichtung beschichtet sind.
Hochauflösende Bindungsspektren wurden ebenso aufgenommen. (Die Ergebnisse sind nicht dargestellt.) Die O-Bindungsspektren stammen hauptsächlich von TiO₂, mit einer kleinen Menge anderer Metalloxide (hauptsächlich Al und Ag). Die Ag-Bindungsspektren zeigen die Anwesenheit von Silberoxiden und metallischem Silber, es wurde kein Silberchlorid beobachtet.
Nachfolgend sind die Ergebnisse für die Bewertung der antimikrobiellen Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung gezeigt. Materialien für Osteosynthese (zum Beispiel Nadeln, Schrauben etc.) benötigen für eine gute Biointegration eine sehr spezifische Oberfläche, die es ermöglicht, dass menschliche Gewebezellen auf ihnen zur gleichen Zeit ansiedeln können. Diese Oberfläche ermöglicht auch ein Ansiedeln von Bakterien, so dass diese mit den menschlichen Zellen für eine „Wucherung” (Proliferation) auf der Oberfläche konkurrieren.
Der Zweck einer Nanosilber-Beschichtung ist das Verhindern eines problematischen Bakterienwachstums auf der Oberfläche eines beschichteten Materials für die Osteosynthese. Eine Aufgabe der Erfindung basiert darauf, eine optimale Silberkonzentration für die Beschichtung zu finden, die eine hohe antibakterielle Wirksamkeit besitzt, jedoch ohne zelltoxische Effekte zu zeigen (gemäß ISO 1099.93-5).
Der folgende Bakterienstamm wurde verwendet für alle Tests: Staphylococcus epidermidis ATCC 35984.
Dieser Bakterienstamm besitzt die folgenden Eigenschaften:

– Primärer Okkupant der Haut.
– Kolonisierung der Oberflächen von prosthetischen Vorrichtungen.
– Biofilm-Bildung (Abschirmung gegenüber dem Immunsystem des Patienten, die Verwendung von Antibiotika ist notwendig).
– Gegenüber Antibiotika resistente Bakterienstämme breiten sich aus (derzeitige Rate von MRSE in Bezug auf alle Staphylococcus epidermis-Bakterienstämme in Deutschland: ca. 70%).

Kein maßgeblicher Standard wurde in der Standardliteratur zur Bewertung der Hemmung einer Biofilmausbildung gefunden. Daraufhin wurde ein eigener Test entwickelt: Die Test wurden unter Verwendung der Staphylococcus epidermis ATCC 35984-Bakterienstämme durchgeführt. Reine Silberstäbe oder -stangen wurden als eine positive Kontrolle verwendet, und Stäbe oder Stangen aus einer reinen Titanlegierung wurden verwendet als negative Kontrolle.
5a illustriert die Schritte zur Vorbereitung der Proben, und 5b zeigt die Ergebnisse des Tests zur Ausbildung eines Biofilms: Die Bakterienmenge, die auf dem Nanosilber, den Ag-Stäben und Ti-Legierung-Stäben gefunden wurden, hängen von der Inkubationszeit ab. Eine scharfe Reduzierung der Bakterienmenge wurde beobachtet auf der Ag-TiO₂-Beschichtung im Vergleich zu der Titanlegierung (> log 3-Reduzierung nach einer Inkubation von 12 Stunden). Die Nanosilber-Beschichtung zeigt sogar bessere Ergebnisse als reines Silber (siehe 5b). Nach einer Inkubation von 18 Stunden wurden überhaupt keine Bakterien mehr auf der Ag-TiO₂-Beschichtung gefunden. Eine Erklärung basiert auf dem erhöhten Verhältnis von Oberflächen/Volumen einer Nanosilber-Beschichtung.
Es existiert eine Vielzahl an Standardtestverfahren, um die antimikrobielle Wirksamkeit einer beschichteten Oberfläche zu bestimmen. Zum Zwecke einer Fortführung wurde ein Proliferationstest verwendet. Gewöhnlicherweise neigen Bakterien dazu, an Oberflächen zu haften. Diese ”Neigung” der Bakterien wird hauptsächlich durch eine antimikroielle und/oder hydrophobe Funktionalisierung von Oberflächen gestört, was zu einem starken Abfall der Bakterienanhaftung führt. Der Proliferationstest zeigt diesen Effekt mithilfe einer spezifischen Testprozedur. Das Verhalten des Bakterienwachstums führt zu einer Abschätzung eines antimikrobiellen Effekts auf behandelten Oberflächen im Vergleich zu einer unbehandelten Oberfläche. 6a zeigt dazu die Schritte zum Durchführen des Proliferationstests.
Dieser Test ist mit einer kommerziell erhältlichen 96-Well-Mikrotiter-Plate durchgeführt. Die Testproben besitzen idealerweise eine zylindrische Gestalt mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 12 mm.
Die bakterielle Proliferation oder Wucherung wird bestimmt durch eine Messung der optischen Dichte bei 578 nm in einem speziell entwickelten 64-Fold-Photometer.
Für jede Probe ist eine individuelle Wachstumskurve gezeigt (siehe 6e). Die Interpretation der Wachstumskurven ist illustriert in den 6b bis 6d:

(b) exponentielles Wachstum – keine antibakterielle Wirksamkeit,
(c) verzögertes Phasenwachstum – geringe antibakterielle Wirksamkeit, und
(d) kein nachweisbares Wachstum – starke antibakterielle Wirksamkeit.

Proben (in jedem Test wurden auch runde, interne Kontrollen getestet):

– Negative Kontrolle: HDPE-Stäbe (müssen ein exponentielles Wachstum zeigen).
– Mittlere Wachstumskontrolle: Einige Löcher der Mikrotiter-Platte wurden gefüllt mit einer kontaminierten Nährlösung, um das Bakterienwachstum unter optimalen Bedingungen zu kontrollieren.
– Sterilisationskontrolle: Leere Kammern und nicht kontaminierte Proben sollten überhaupt kein Bakterienwachstum zeigen.
– Positive Kontrolle: Reine Ag-Stäbe (es sollte kein Wachstum nachweisbar sein).

Die antibakterielle Wirksamkeit der Nanosilber-Beschichtung ist abgeschätzt durch einen Vergleich des Bakterienwachstums auf dieser Oberfläche mit dem Bakterienwachstum auf einer unbehandelten Oberfläche (blanke Oberfläche).

– Blanke Proben: TiAl6V4 Eli-Legierung-Stäbe.
– Proben mit einer Nanosilber-Beschichtung: TiAl6V4 Eli-Legierung-Stäbe mit Ag-TiO₂-Beschichtung (5%-Rezept).

Die Ergebnisse sind in 6e gezeigt. Alle Kontrollen zeigen die erwarteten Wachstumskurven, der Test ist gültig. Verglichen mit reinen Titanstäben zeigen die Ag-TiO₂-beschichteten Stäbe eine starke antibakterielle Wirksamkeit, die so stark ist wie die von reinen Silberstäben.
Ein Test für die antimikrobielle Aktivität und Wirksamkeit wurde gemäß JIS Z2801 durchgeführt. Dieser Standard (JIS Z2801) spezifiziert die Testverfahren zum Auswerten der antimikrobiellen Aktivität und der antimikrobiellen Wirksamkeit von Bakterien auf der Oberfläche eines antimikrobiellen Produkts. Der Wert der antimikrobiellen Aktivität zeigt die Differenz in dem logarithmischen Wert von entwicklungsfähigen Zellzahlen zwischen antimikrobiellen Produkten und unbehandelten Produkten nach Inokulation und Inkubation mit Bakterien. So kann im Gegensatz zu den Proliferationstests die antibakterielle Aktivität quantifiziert werden.
Dieses Testverfahren ist, mit Ausnahme von textilen Produkten, anwendbar für Produkte wie Plastikprodukte, Metallprodukte und Keramikprodukte.
Die Testproben wurden mit einer bestimmten Anzahl von Bakterien nach einer Präparation inokuliert. Um eine gute Verteilung des Inokulums zu gewährleisten, wird das Teststück mit einem speziellen Film (PE-Folie) bedeckt. Die Teststücke werden bei 37°C für 18 Stunden inkubiert. Nach der Inkubation werden die Bakterien mit einer Nährlösung ausgewaschen. Mit dieser Waschsuspension wird eine entwicklungsfähige Zellzahl ermittelt (Agar Plate Culture Method).
Proben:

– Blanke Proben: TiAl6V4 Eli-Legierung-Scheiben.
– Proben mit einer Nanosilber-Beschichtung: TiAl6V4 Eli-Legierung-Scheiben mit Ag-TiO₂-Beschichtung (5 Rezept).
– Negative Kontrolle: Polystyrol-Oberfläche (eine bestimmte Anzahl an Bakterien muss überleben, ansonsten muss der Test als nicht gültig angesehen werden).

Die Ergebnisse zeigen eine starke antimikrobielle Aktivität des Nanosilbers mit einer Reduzierung von mehr als log 4 im Vergleich zu einer TiAl6V4 Eli-Legierung.
Weitere Untersuchungen wurden auf die Auslaugung des Silbers (gemäß ISO 10993-17:2002) gerichtet. Die Intention dieses Arbeitspakets beinhaltet, die Korrelation zwischen antimikrobieller Aktivität und der Menge an ausgelaugter Silberionen von der Probenoberfläche festzustellen. Es ist ein Verfahren entwickelt zur Analyse von Silberspuren und Spezien mit einer geeigneten Methode der Probenpräparation. Die Analyse wird durch GF-AAS (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry) durchgeführt. Der wesentliche Fokus lag hierbei auf dem Mechanismus zur Freisetzung des Silbers unter physiologischen Bedingungen. Ein Test-Setup musste entwickelt werden, der Bedingungen simuliert, die ähnlich sind zu der Umgebung der Beschichtung in dem Gewebe eines Patienten. Daher wurde PBS (Phosphate Buffered Saline) als ein auslaugendes Mittel (Leaching Agent) ausgewählt.
Die Testprozedur ist wie folgt:
Testserie A (Pseudo-dynamisches Modell):

– Proben werden eingetaucht in 1 ml PBS.
– Nach 1 Tag leichten Schüttelns bei 20°C werden die Proben transferiert in das nächste Glasfläschchen mit neuer PBS.

Testserie B (statisches Modell):

– Proben werden eingetaucht in 10 ml PBS.
– Nach bestimmten Intervallen von leichtem Schütteln bei 37°C wird ein Aliquot (0,5 ml) transferiert in ein frisches Glasfläschchen.

Die folgenden Testschritte sind analog in beiden Testserien:

– Ag-Inhalt in PBS wird analysiert nach Hinzufügen von Salpetersäure.
– Silberanalyse, durchgeführt durch GF-AAS (Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry).

Getestete Proben:

– Blanke Proben: TiAl6V4 Eli-Legierung-Stäbe (Ti-Stab).
– Proben mit einer Nanosilber-Beschichtung: TiAl6V4 Eli-Legierung-Stäbe mit Ag-TiO₂-Beschichtung.
– Positive Kontrolle: Reine Silberstäbe (Ag-Stab).

Die folgenden Resultate wurden erzielt:
Testserien A:
Die Nanosilber-Beschichtung zeigt eine Freisetzung von Silber, die ähnlich ist zu der Freisetzung von Silber von reinen Silberstäben.
7 zeigt analytische Ergebnisse, erhalten durch GF-AAS der freigesetzten Ag-Menge (ng) von der Probenoberfläche (mm²) als eine Funktion der Eintauchzeit (in Tagen) in PBS bei Raumtemperatur (RT). Die eingezeichneten Fehlerbalken zeigen die Varianz von drei unabhängigen Analysen. Die Auslaugungsrate (Leaching Rate) ist im Wesentlichen gleichförmig als eine Funktion der Eintauchzeit.
Nach 15 Tagen:

– Die tägliche Abgabe oder Freisetzung von reinen Silberstäben bleibt konstant nach einem Abfall in den ersten Tagen.
– Die tägliche Freisetzung von Nanosilber-Stäben ist konstant.
– Die Summe der freigesetzten Ag-Menge in 15 Tagen Auslaugen: 6,3 μm,

Die antibakterielle Aktivität (gezeigt in dem Proliferationstest) entspricht der Menge an freigesetzten
Testserien B:
Gemäß unseren kinetischen Testbedingungen wird nach 24 Stunden ein Gleichgewicht erreicht. Ag + / aq ⇔ Ag + / solid [von oxidiertem Ag (AgCl, Ag₂O...) ]

– In diesem Fall beträgt das freigesetzte Silber im Gleichgewicht etwa 0,4 ng·g^–1·mm^–2.
– Sofern die 10 ml-Lösung täglich geändert werden würde über einen Zeitraum von 8 Wochen, könnte eine totale freigesetzte Silbermenge von etwa 22,4 ng·g^–1·mm^–2 erwartet werden.

8 zeigt GF-AAS-Ergebnisse von freigesetztem Ag (ng) von der Probenoberfläche (mm²) als eine Funktion der Zeit (in Tagen) bei 37°C in PBS. Die analytischen Daten stellen den Mittelwert von drei unabhängigen Analysen dar. Die ”Leaching-Rate” ist im Wesentlichen gleichmäßig oder konstant als eine Funktion der Eintauchzeit.
Die 9a und 9b zeigen die Ergebnisse eines mechanischen Tests. ”Stereo Light Microscopy”-Bilder von einem beschichteten Stab sind gezeigt nach einem Biegetest. Die Adhäsion der Ag-TiO₂-Beschichtung wurde gemäß ASTM B571-97-Standard untersucht. Die beschichteten Proben wurden zu verschiedenen Winkeln gebogen. Der deformierte Bereich wurde durch ”Stereo Light Microscopy” beobachtet, um irgendein Anzeichen eines Absplitterns oder Abblätterns der Beschichtung von dem Substrat zu beobachten. Kein Abplatzen oder Abblättern der Beschichtung wurde beobachtet, nicht einmal nach dem Versagen oder Brechen des Substrats. Die Adhäsionsstärke der Beschichtung ist größer als die Kohäsionsstärke des Substrats, was eine perfekte Adhäsion oder perfekte Hafteigenschaften der Beschichtung gemäß dem verwendeten Standard offenbart.
10 zeigt die experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die Abschätzung der Biokompatibilität: ZK20-Zellen wachsen auf einer Nanosilber/TiAl6V4-Scheibe.
Zellkultur wurde durchgeführt unter Verwendung von beschichteten und unbeschichteten TiAl6V4-Scheiben als Substrat. Für dieses Studium wurden zwei Zelllinien ausgewählt: die Osteosarcoma-Zelllinie (HOS TE85) und primäre mesenchymatische Stammzellen von menschlichem Knochenstaub (ZK20). Die Inkubation der Proben wurde in einer Atmosphäre mit 95% Luft und 5% CO₂ durchgeführt. Nach verschiedenen Inkubationszeiten (Tagen oder Wochen, in Abhängigkeit von den Zelllinien) wurden die Proben für eine ”Lichtmikroskop”-Analyse präpariert und die Lebensfähigkeit der Zellen und die Proliferation wurden untersucht.
Diese zwei Typen von Zellen zeigen eine gute Adhäsion und Proliferation auf den zwei Typen von Oberflächen (TiAl6V4 und Nanosilber). Diese zwei Typen von Zellen tendieren zur Agglomeration auf der Nanosilber-Beschichtungsoberfläche.
Nach einem speziellen Fixationsverfahren in der Absicht eines Abtötens der Zellen mit der geringstmöglichen Verzerrung der Struktur wurden die Proben analysiert durch Elektronenmikroskopie. Ein SEM-Bild von ZK20-Zellen auf einer Nanosilber-Beschichtung ist gezeigt. Das SEM-Bild bestätigt die gute Zelladhäsion und Proliferation auf der Oberfläche der Nanosilber-Beschichtung. Sogar eine Art von Zellverankerung ist sichtbar.
Zusammenfassend wurde gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Ag-TiO₂-Beschichtung exzellente Eigenschaften im Hinblick auf die antibakterielle Wirksamkeit (sogar gegenüber multiresistenten Bakterienstämmen), Adhäsion und Biokompatibilität zeigt.
Letztlich zeigt 11 ein XRD-Bild einer Ti-Schraube mit einer HA-Beschichtung (Hydroxylapatit). Im Detail ist die erfasste Anzahl der Zählimpulse als eine Funktion des Winkels 2 Theta dargestellt.
Die Parameter für diese Analyse sind wie folgt:

– Vorrichtung: Bruker D8 GADDS XRD (Spannung: 40 KV, und Intensität: 40 mA)
– Reichweite der Messung: Theta-Winkel: 17–93,7°, Schrittgröße: 0,02°, und Messzeit bei jedem Schritt: 60 s
– Messpunkt: auf der Oberseite der Titanschraube.

Die Probe beinhaltet überwiegend Titan und Anatase (TiO₂). Titan und TiO₂ stammen von dem Volumenmaterial (Bulk Material) bzw. der konvertierten oder umgewandelten Oberfläche. Ebenso wird eine kleine Menge von HA nachgewiesen. Die Intensitätsunterschiede von bestimmten HA-Peaks liegen in einer bevorzugten Orientierung der Kristallite an der Oberfläche der Schraube begründet. Jedoch sind dies die ersten Hinweise, dass es möglich ist, HA als solches auf der konvertierten Oberfläche nachzuweisen und nicht nur einzelne Bestandteile von HA.
Die kleine Menge an nachgewiesenem HA kann erklärt werden durch die ausgewählte Konfigurierung des experimentellen Aufbaus. Der ausgewählte Winkelbereich des Analysestrahls. resultiert in einer erhöhten Empfindlichkeit (sensitivity) für das Volumenmaterial (Bulk Material: hier Ti), das mit einer Schicht von TiO₂ (mit einer Dicke von einigen μm) bedeckt ist, und zu einer reduzierten Empfindlichkeit für die Oberfläche und eine oberflächennahe Komposition von HA (mit einer Dicke von einigen 100 nm oder weniger).
Es wird erwartet, eine ansteigende Menge von HA in einer Geometrie mit einem streifenden Einfallswinkel des Analysestrahls (Grazing Incidence Geometry) nachzuweisen. In dieser Geometrie wird der Analysestrahl in einem kleinen Winkel (zum Beispiel von etwa 1,5°) in Bezug auf die zu analysierende Oberfläche gerichtet. Die Empfindlichkeit für die Oberflächenkomposition und die oberflächennahe Komposition ist in dieser Geometrie mit streifendem Einfallswinkel erhöht.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung auch in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne den Geist der Erfindung oder zentrale Charakteristika davon zu verlassen. Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen sind daher in allen Beziehungen als illustrativ und nicht als beschränkend zu erachten, und die Erfindung ist nicht beschränkt auf die darin beschriebenen Details. Die Merkmale der vorstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus können die im allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebenen Merkmale untereinander kombiniert werden. Ferner können die Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mit den im dem allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebenen Merkmale kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO 5832-3 [0090]
- ISO/TS 10993-19:2006 [0091]
- ISO/TS 10993-19:2006 [0094]
- ISO 10993-18:2005 [0095]
- ISO 1099.93-5 [0102]
- JIS Z2801 [0113]
- JIS Z2801 [0113]
- ISO 10993-17:2002 [0117]
- ASTM B571-97-Standard [0126]

Claims

Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines medizinischen Geräts, insbesondere eines metallischen medizinischen Geräts, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Kolloid-dispersen Systems, – Aussetzen des medizinischen Geräts dem Kolloid-dispersen System derart, dass eine Oberfläche des medizinischen Geräts, die zu behandeln ist, in das Kolloid-disperse System eingetaucht ist, – Erzeugen einer asymmetrischen AC-Spannungsdifferenz zwischen dem medizinischen Gerät als eine erste Elektrode und/oder einer zweiten Elektrode, die in dem Kolloid-dispersen System positioniert ist, so dass die eingetauchte Oberfläche durch eine Plasmaelektrolytische Oxidation zu einer Oxidschicht konvertiert wird, wobei die konvertierte Oberfläche teilweise mit Inseln bedeckt ist, die durch Kolloiddispergierte Teilchen des Kolloid-dispersen Systems gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Maximum der AC-Spannungsdifferenz in einem Bereich von 100 V bis 1400 V bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die AC-Spannung mit einer Frequenz von 0,01 Hz bis 1200 Hz bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine negative Komponente der AC-Spannung mit einer Amplitude in einem Bereich von –350 V bis –0,1 V bereitgestellt wird und/oder wobei eine positive Komponente der AC-Spannung mit einer Amplitude in einem Bereich von 0,1 V bis 1400 V bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Quotient aus der positiven Amplitude geteilt durch die negative Amplitude derart angepasst ist, so dass der Betrag des Quotienten in einem Bereich von > 1 bis 4 liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Stromdichte von 0,0001 bis 100 A/dm² bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Temperatur des Kolloid-dispersen Systems in einem Bereich von –20°C bis +100°C bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kolloid-disperse System mit einer Zirkulationsrate von 0,01 bis 500 l/min zirkuliert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kolloid-disperse System als eine Wasserbasierte Dispersion bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Elektrolyt, insbesondere bereitgestellt als zumindest eine Komponente eines Materials des medizinischen Geräts, in dem Kolloiddispersen System bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Abscheidungsrate in einem Bereich von 0,01 μm/s bis 1 μm/s bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Beschichtungszeit in einem Bereich von 20 s bis 260 s erzielt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen als Ag-Teilchen bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen als HA-Teilchen bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen als Cu-Teilchen und/oder als Zn-Teilchen bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen durch eine Komponente bereitgestellt werden, welche zumindest eine Komponente des Materials des Implantats ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen bereitgestellt werden als ein Additiv, wobei das Additiv zumindest ein Material ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Metallen, Oxiden, Erdmineralien und Phosphaten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen mit einer Konzentration von ≤ 100 mg/l, bevorzugt ≤ 20 mg/l, besonders bevorzugt von ≤ 5 mg/l, bereitgestellt wenden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Gas in dem Kolloid-dispersen System bereitgestellt wird.
Medizinisches Gerät, insbesondere ein medizinisches Werkzeug oder ein dentales Implantat oder ein orthopädisches Implantat, herstellbar, vorzugsweise hergestellt mit dem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Medizinisches Gerät, umfassend ein biologisch nicht-abbaubares Metall oder eine biologisch nicht-abbaubare metallische Legierung mit einer behandelten Oberfläche, – wobei die behandelte Oberfläche zumindest teilweise zu einer Oxidschicht durch eine Plasmaelektrolytische Oxidation unter Verwendung eines Kolloid-dispersen Systems konvertiert ist, und – wobei die konvertierte Oberfläche zumindest teilweise bedeckt ist mit Inseln, die gebildet sind durch Kolloid-dispergierte Teilchen des Kolloid-dispersen Systems.
Medizinisches Gerät gemäß vorstehendem Anspruch, wobei die Teilchen Ag-Teilchen umfassen.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen als Cu-Teilchen und/oder als Zn-Teilchen bereitgestellt sind.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen bereitgestellt sind durch eine Komponente, die zumindest eine Komponente eines Materials des Implantats ist.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen HA-Teilchen umfassen.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Teilchen ein Additiv umfassen, wobei das Additiv mindestens ein Material ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus Metallen, Oxiden, Erdmineralien und Phosphaten.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Inseln eine mittlere Flächengröße von weniger als 1000 nm, vorzugsweise von weniger als 300 nm, aufweisen.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Inseln eine mittlere Dicke von 1 nm bis 1000 nm, vorzugsweise von 5 nm bis 400 nm, aufweisen.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht eine Dicke von 10 μm bis 100 μm, vorzugsweise von 20 μm bis 40 μm, besitzt.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die behandelte Oberfläche einen mittleren Bedeckungsgrad durch die Inseln aufweist von weniger als 20 vorzugsweise von weniger als 10
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die behandelte Oberfläche eine Ag-Leaching-Rate von weniger als 120 ng·cm^–2·Tag^–1 besitzt.
Medizinisches Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Implantat zumindest ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Chromlegierungen, Kobaltlegierungen und Edelstahl.
Vorrichtung zur Behandlung einer Oberfläche eines medizinischen Geräts, insbesondere eines metallischen medizinischen Geräts, durch eine Plasma-elektrolytische Oxidation, umfassend die nachfolgenden Komponenten: – ein Bad zum Aufbewahren eines Kolloid-dispersen Systems, – Mittel zum Mischen eines Kolloid-dispersen Systems in dem Bad, – Mittel zum Halten eines medizinischen Geräts derart, dass eine Oberfläche eines medizinischen Geräts, die zu behandeln ist, in einem Kolloid-dispersen System eingetaucht ist, wobei ein medizinisches Gerät eine erste Elektrode bereitstellt, – Mittel zum Bereitstellen einer zweiten Elektrode in einem Kolloid-dispersen System, das in dem Bad aufbewahrt wird, – eine Spannungsversorgungseinheit zum Erzeugen einer AC-Spannung, die der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode zugeführt wird, – Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit der Spannungsversorgungseinheit, wobei – die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode derart angepasst sind an ein eingetauchtes medizinisches Gerät, so dass das Querschnittsverhältnis in einem Bereich von 0,75 bis 4 liegt.
Vorrichtung gemäß vorstehendem Anspruch, wobei die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode bereitgestellt sind aus demselben Material wie ein zu verbindendes medizinisches Gerät.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode. einen, vorzugsweise kreisförmigen, Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser von < 5 mm, vorzugsweise von < 1,5 mm, besitzen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode als ein Draht bereitgestellt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Verbinden der ersten Elektrode zumindest abschnittsweise bereitgestellt sind mit einem Gewinde.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Mittel zum Anpassen des elektrischen Feldes, vorzugsweise ausgeführt als eine Kappe, bereitgestellt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Gaszuführung zu dem Kolloid-dispersen System bereitgestellt ist.