DE102013006598A1 - Beschichtungssystem mit ZrO₂ für elektrochirurgische Geräte - Google Patents

Beschichtungssystem mit ZrO₂ für elektrochirurgische Geräte Download PDF

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Volker Derflinger
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungssystem mit mindestens einer im Wesentlichen aus ZrO2 bestehenden Schicht, welche verwendet wird, um Teilen von medizinischen Geräten, insbesondere von elektrochirurgischen Geräten, isolierende Eigenschaften zu verleihen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein ZrO2-enthaltendes Beschichtungssystem und auf ein Verfahren zur Auftragung dieses Beschichtungssystems auf die Oberflächen von Teilen elektrochirurgischer Geräte, welche elektrisch isolierend sein müssen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Elektrochirurgie ist der Prozess, worin die direkte Anwendung von elektrischen Strömen verwendet wird, um Gewebe zu schneiden und/oder zu trocknen und um den Blutfluss zu stoppen. Sie wird seit Jahren verwendet, wird jedoch fortwährend perfektioniert und revolutioniert.
  • Elektrochirurgie wird heutzutage für verschiedenste Arten von Prozeduren im Bereich der Medizintechnik verwendet. Diese umfassen unter anderem dermatologische, orthopädische, Herz-, Gefäss- und Zahnchirurgie. Sie ist besonders wertvoll in Situationen und Körperbereichen, wo das Schneiden zu einem grossen Blutverlust führen kann.
  • Da die Elektrochirurgie es vermag, die Gefässe um einen Schnitt zu koagulieren, kann der Blutverlust verringert werden. Seit der Einführung der Elektrochirurgie in den 1920-igen Jahren wurden viele chirurgische Eingriffe ermöglicht, weil elektrochirurgische Geräte Blutungen verhindern können, während die Verwendung eines Skalpells es verunmöglicht, Blutungen zu kontrollieren.
  • Im Prinzip kann zwischen monopolarer Elektrochirurgie und bipolarer Elektrochirurgie unterschieden werden.
  • In der monopolaren Elektrochirurgie wird eine einzelne Elektrode oder ein einzelner Stift/ein einzelnes Instrument verwendet, um den elektrischen Strom zur Chirurgie- oder Inzisionsstelle zu bringen. Dieser Strom fliesst durch den Körper des Patienten zum geerdeten Patienten. Es werden höhere Spannungen für die Koagulation und niedrigere Spannungen für das Schneiden verwendet. In der bipolaren Elektrochirurgie wird jedoch der Patientenkörper nicht als Stromleiter verwendet und aus diesem Grund eignet sich diese Technik am besten dort, wo die Ausbreitung der thermischen Schädigung auf das umliegende Gewebe ein Schadenspotenzial für den Patienten hervorruft. Exzessive thermische Ausbreitung könnte beispielsweise einen dem operierten Körperteil angrenzenden Nerv beschädigen.
  • Durch die Anwendung von bipolaren elektrochirurgische Verfahren wird üblicherweise ein Strom durch eine Spitze eines bipolaren Instrumentes geliefert und durch die entgegengesetzte Spitze des Instrumentes an den Generator zurückgeführt.
  • Heutzutage verwenden viele moderne medizinische Geräte integrierte elektrische Schaltungen und es ist wichtig, dass diese auf geeignete Weise isoliert sind. Die Verletzungsgefahr durch Stromschlag für Chirurgen und Patienten kann extrem hoch sein, wenn die Metallkomponenten nicht richtig isoliert sind.
  • Stand der Technik
  • Das Patentdokument WO 93/20747 offenbart einen Führungsdraht zur Unterstützung einer monopolaren Lichtbogenbildung für das Schneiden von Gewebe und für die Abtragung von Verschlüssen, worin der Führungsdraht einen flexiblen metallischen Draht (aus korrosionsbeständigen Metallen oder Legierungen wie z. B. Edelstahl) umfasst, mit einem distalen Ende, einer sich entlang des Drahtes erstreckenden elektrisch isolierenden Beschichtung und einer elektrisch und thermisch isolierenden Spitze mit einem distalen Ende und welche mit dem Draht verbunden ist, und worin der Draht sich durch die elektrisch und thermisch isolierende Spitze erstreckt und eine Elektrode an den distalen Enden des Drahtes und der Spitze bildet. Die isolierende Beschichtung muss gemäss WO 93/20747 ein medizinisch kompatibles elektrisches Isolator sein, wie beispielsweise Polyurethan, Polyimid, Polyäthylen und vorzugsweise Tetrafluorethylen (TEFLON) wegen dessen sehr guten Gleiteigenschaften. Zudem muss die isolierende Beschichtung genügend dick sein, um einen den Führungsdraht benützenden Chirurgen und den Patienten vor einem Stromschlag zu schützen, und gleichzeitig genügend dünn sein, so dass der isolierte Draht in kleine Lumina passt.
  • Das Patentdokument EP1905370 offenbart ein elektrochirurgisches Instrument und, insbesondere, Beschichtungen für ein elektrochirurgisches Instrument, das thermogenetische Energie für die Kauterisation, die Koagulation und das Gewebezusammenfügen/-schweissen in Kombination mit Klammern verwendet, um eine hämostatische Klammer/Koagulation/einen hämostatischen Gewebeschnitt zu bilden. Gemäss EP1905370 besitzt das elektrochirurgische Instrument einen Endeffektor, welcher eine erste Polelektrode und eine zweite Polelektrode sowie ein Klammermagazin mit mindestens einer Heftklammer darin, je nach Typ der vom Endeffektor empfangenen Energie, aufweisen kann.
  • In allen Fällen umfasst jedoch das elektrochirurgische Instrument eine nichtleitende oder dielektrische Beschichtung, welche je nach Bautyp des instruments
    • – auf mindestens einem Teil der Zweitpolelektrode, oder
    • – auf mindestens einer der Erst- und Zweitpolelektrode, wo die dielektrische Beschichtung den direkten Kontakt des Gewebes mit mindestens einer der elektrisch aktiven Elektroden verhindern kann, oder
    • – auf mindestens einer Heftklammer des Klammermagazins, um darauf die Bildung einer Oberflächenladung während der Anwendung bipolarer Energie an das Gewebe zu reduzieren,
    angebracht werden kann.
  • Die nichtleitende oder dielektrische Beschichtung gemäss EP1905370 könnte, ist jedoch nicht eingeschränkt auf, auf ein Polytetrafluoräthylen (PTFE), auf ein Titandioxide oder auf Polymere auf der Basis van Paraxylen oder auf ein Epoxid sein.
  • Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass heutzutage elektrochirurgische Instrumente, wie bipolare elektrische chirurgische Scheren, mit Al2O3 Beschichtungen überzogen werden, die durch thermische Spritztechniken abgeschieden werden. Dieses Verfahren kann jedoch komplex sein und ist sehr teuer.
  • Zweck der vorliegenden Erfindung
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Beschichtungssystem und -verfahren zu bieten, welches vorzugsweise gleichzeitig eine gute Verschleissfestigkeit und/oder gute Gleiteigenschaften aufweist. Zudem ist es ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Beschichtungssysteme gemäss der vorliegenden Erfindung zu bieten, welches das Beschichten von Teilen elektrochirurgischer Geräte mit verschiedenen Formen und Grössen auf eine unkomplizierte und nicht kostenintensive Weise ermöglicht.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Erreicht wird der Zweck der vorliegenden Erfindung indem ein Beschichtungsverfahren mit mindestens einer mittels Lichtbogenverfahren PVD-Techniken oder Magnetron-Sputter-Verfahren PVD-Techniken abgeschiedenen Schicht Zirkoniumdioxid ZrO2 vorgesehen wird. Im Falle einer Verwendung von Magnetron-Sputter-Verfahren PVD-Techniken, werden dann vorzugsweise Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS) Techniken verwendet.
  • ZrO2-enthaltende Beschichtungssysteme gemäss der vorliegenden Erfindung können auf die Oberfläche von Teilen medizinischer Vorrichtungen angebracht werden, welche eine elektrische Isolation erfordern, beispielsweise elektrochirurgische Vorrichtungen wie monopolare und bipolare chirurgische Instrumente.
  • ZrO2-enthaltende Beschichtungssysteme gemäss der vorliegenden Erfindung sind besonders ideal, um medizinischen Geräten und Instrumenten wie Klingen, Schneidern und Ablatoren sowie bipolaren und monopolaren Geräten und auch der Medizinelektronik im Allgemeinen dielektrische isolierende Eigenschaften zu verleihen.
  • ZrO2-enthaltende Beschichtungssysteme gemäss der vorliegenden Erfindung haben zuverlässigere Eigenschaften als Schrumpfschlauch und Polymerumspritzung und sind somit für die Beschichtung von elektrochirurgischen Instrumenten am besten geeignet.
  • Eine ZrO2-Schicht, die ein Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung bildet, oder die in einem Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung enthalten ist, weist vorzugsweise eine dielektrische Konstante von ca. 18.4 und/oder einen Hochspannungsdurchbruch von ca. 0.60 kV und/oder eine Durchbruchspannung von ca. 20 mA auf.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform einer ZrO2-enthaltenden Beschichtung gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens eine Zirkoniumnitridschicht. Die ZrN-Schicht wird vorzugsweise als Zwischenschicht und/oder Stützschicht zwischen der Substratoberfläche und der ZrO2-Schicht abgeschieden.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Abscheidung einer ZrO2-Schicht gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst die Verwendung von Lichtbogentechniken für Verdampfungstargets (mindestens ein Target) aus Zirkonium oder hauptsächlich Zirkonium umfassend in einer reaktiven sauerstoffhaltigen Atmosphäre, um ZrO2 auf der Substratoberfläche zu bilden. Zudem wird vorzugsweise mindestens während der Abscheidung der ZrO2-Schicht eine gepulste Biasspannung an das Substrat angelegt.
  • Eine ZrO2-Schicht, die durch reaktive Ionenbogenplattieren-PVD-Techniken gemäss der obenerwähnten Ausführungsform eines Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung weist Tropfen (Droplets) mit mindestens überwiegend oder hauptsächlich Zirkonium auf. Die Droplets sind geschmolzenes Material vom Target, welches nicht richtig verdampft werden konnte und demzufolge nicht richtig mit dem Reaktivgas (in diesem Fall Sauerstoff) reagieren konnte, um das gewünschte Beschichtungsmaterial (in diesem Fall ZrO2) zu bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform eines Beschichtungssystems mit mindestens einer durch PVD-Bogen abgeschiedenen ZrO2-Schicht gemäss der vorliegenden Erfindung beträgt die Gesamtdicke der ZrO2-Schicht nicht mehr oder weniger als 30 μm, vorzugsweise nicht mehr oder weniger als 20 μm, noch mehr bevorzugt nicht mehr oder weniger als 10 μm.
  • Die Dicke einer durch PVD-Bogen abgeschiedenen ZrO2-Schicht für ein Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung muss derart ausgewählt werden, dass die ZrO2-Schicht genügend Isolierung bietet. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Oberflächenqualität der zu beschichtenden Fläche und auch die Porosität der ZrO2-Schicht zu berücksichtigen.
  • Insbesondere wurden sehr gute Resultate im Rahmen der vorliegenden Erfindung erreicht, indem Beschichtungssysteme, die mindestens eine durch PVD-Bogen abgeschiedene ZrO2-Schicht mit einer Dicke von mindestens 3 μm und insbesondere mindestens 4 μm oder 5 μm aufweisen, hergestellt werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Abscheidung einer ZrO2-Schicht für ein Beschichtungssystemgemäss der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens einen Schritt, während dessen mindestens ein Zr-Target zerstäubt wird, indem HIPIMS-Techniken in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre verwendet werden und indem eine gepulste Biasspannung an das während der ZrO2-Abscheidung beschichtete Substrat angelegt wird.
  • Beschichtungssysteme, welche mindestens eine Schicht bestehend aus mindestens im Wesentlichen ZrO2 gemäss der vorliegenden Erfindung und welche verwendet wird, um Teilen von medizinischen Geräten, oder zumindest Teilen von medizinischen Komponenten oder Instrumenten, welche elektrochirurgische Geräte sein können oder innerhalb von elektrochirurgischen Geräten enthalten sein können, isolierende Eigenschaften zu verleihen, werden insbesondere in Ansprüchen 1 bis 6 angegeben.
  • Insbesondere könnte ein Beschichtungssystem gemäss der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, um Stromschläge für die Personen, die in Kontakt mit dem medizinischen Gerät während seines Gebrauchs stehen, zu verhindern, wie in Anspruch 7 erwähnt.
  • Verfahren zur Beschichtung von Substraten gemäss der vorliegenden Erfindung werden insbesondere in Ansprüchen 8 bis 11 angegeben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 93/20747 [0009]
    • EP 1905370 [0010, 0012]

Claims (13)

  1. Elektrisch isolierendes Beschichtungssystem, welches auf die Oberfläche eines elektrisch leitenden Substrats als Teil eines medizinischen Geräts und insbesondere eines elektrochirurgischen Geräts, welche elektrisch nichtleitend sein müssen, abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem mindestens eine Zirkoniumdioxidschicht umfasst.
  2. Beschichtungssystem gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zirkoniumdioxidschicht weniger als 30 μm, vorzugsweise weniger als 20 μm, auf noch mehr bevorzugte Weise weniger als 10 μm beträgt.
  3. Beschichtungssystem gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkoniumdioxidschicht Tropfen (Droplets) aufweist, welche aus Zirkonium oder überwiegend oder hauptsächlich aus Zirkonium bestehen.
  4. Beschichtungssystem gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem mindestens eine Zirkoniumnitridschicht umfasst.
  5. Beschichtungssystem gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkoniumdioxidschicht zwischen das Substrat und die Zirkoniumdioxidschicht als Zwischenschicht und/oder als Stützschicht abgeschieden wird.
  6. Beschichtungssystem gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Substrat ein Draht, insbesondere ein Draht eines Führungsdrahtes ist.
  7. Verwendung eines Beschichtungssystems gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, um Personen in Kontakt mit dem beschichteten Teil während der Benutzung des Geräts vor einem Stromschlag zu schützen.
  8. Verfahren zur Abscheidung eines Beschichtungssystems auf die Oberfläche eines Substrats gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Zirkoniumdioxidschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidungstechniken (PVD) abgeschieden wird.
  9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkoniumdioxidschicht mittels Techniken des physikalischen kathodischen Lichtbogen-PVD-Verfahrens und/oder des Magnetron-Sputter-Verfahrens abgeschieden wird.
  10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Zirkoniumdioxidschicht die Verwendung von Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS) Techniken umfasst, oder dass die Zirkoniumdioxidschicht mittels Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS) Techniken abgeschieden wird.
  11. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkoniumdioxidschicht mittels kathodischer Lichtbogenverdampfung von hauptsächlich aus Zirkonium bestehenden Targets in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre abgeschieden wird.
  12. Verfahren gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkoniumdioxidschicht in einer hauptsächlich aus Sauerstoff bestehenden Atmosphäre abgeschieden wird.
  13. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abscheidung der Zirkoniumdioxidschicht eine gepulste Biasspannung an das Substrat, dessen Oberfläche beschichtet wird, angelegt wird.
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