DE102019008011A1 - Ballon für medizinische Katheteranwendungen mit medien-dichter Barriere-Lage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt Ballonkörper für die Anwendung bei medizinischen Kathetern, die aus mehrlagig extrudierten Schlauchmaterial ausgeformt werden, wobei die Schlauchwandung in besonderer Weise eine oder mehrere Lagen von thermoplastischem Polyurethan integriert, welches den Prozess der Blasformung zu homogen dünnwandigen Ballonstrukturen stützt bzw. formungstechnisch ermöglicht, und wobei das Schlauchmaterial eine oder mehrere zusätzliche Lagen von gas- und/oder wasserdichten Trennschichten, beispielsweise aus EVOH und/oder PVDC aufweist, die den spontanen Volumenverlust des gasförmigen oder wässrigen Mediums aus dem Ballon in das dem Ballon exponierte Körpermilieu minimieren und somit die Funktion des Katheters bei langfristiger Anwendung im Körper sicher stellen.

Description

• Bei Ballonkathetern, die für das längerfristige Verbleiben im Körper eines Patienten konzipiert sind, ist es erforderlich, dass das jeweilige, vom Ballon aufgenommene Füllmedium über den gesamten Verlauf der Anwendung hinweg möglichst volumenkonstant im Ballon gehalten werden kann. Abhängig von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ballonmaterials, können flüssige oder gasförmige Medien im Anwendungsverlauf aus der Ballonkomponente in den Körper bzw. dessen jeweiligen Milieus austreten. Eine durch einen derartigen, spontanen Volumenverlust versursachte Entleerung des Ballons geht in der Regel mit einem partiellen oder vollständigen Verlust der Funktion des Katheters oder der Vorrichtung einher.
• Insbesondere aus Silikon bestehende Ballonkomponenten sind häufig auch bei höheren Wandungsstärken nur in sehr eingeschränktem Umfang fähig, eine flüssige oder auch gasförmige Füllung, beispielsweise mit Wasser oder Luft, zuverlässig volumenkonstant im Ballon zu halten. Auch bei latex-basierten Ballons sind spontane Volumenverluste im Anwendungsverlauf nicht ungewöhnlich.
• Sowohl bei Silikonen, als auch bei latexartigem Naturkautschuk, erklären sich die Volumenverluste in der Regel durch eine dem Material immanente, typische Porosität, wobei die Durchlässigkeit der porösen Wandung mit wachsendem Dehnungszustand der Ballonhülle zunimmt.
• Ballonmaterialien mit einer ausgeprägten molekularen Polarität, wie beispielsweise Polyurethan, weisen zwar keine poröse Wandstruktur auf, zeigen aber bei der Befüllung mit polaren Medien kleiner Molekülgröße, wie insbesondere Wasser, dennoch eine hohe Durchlässigkeit. Das polar geladene Wasser tritt in das in das ebenfalls polar geladene PUR-Material der Ballonhülle ein und tritt bei entsprechend wirksamen Konzentrationsgradienten auf der anderen Seite der Ballonwandung wieder aus. Die „Lösung“ bzw. Migration von Wasser durch eine PUR-basierte Ballonhülle, kann bei bestimmten Bedingungen im Inneren des Ballons zur Akkumulation von Wasser führen, was beispielsweise bei trachealen Beatmungskathetern deren Funktion und Sicherheit risikorelevant beeinträchtigen kann. Es ist bekannt, dass Wasser-Tröpfchen, die in die kleinlumige, zum Ballon (Cuff) eines Trachealtubus führende Zuleitung gelangen, eine passagere Unterbrechung der freien Verbindung zwischen dem tracheal dichtenden Ballon und einer druckmessenden oder druckkontrollierenden Vorrichtung außerhalb des Körpers verursachen können.
• Die Migration von Wasser durch PUR basierte Ballonhüllen kann ferner bei der Einhausung wassersensibler, elektronischer Mess- oder Sensorkomponenten problematisch sein.
• Wird ein PUR-basierter Ballon in einer wässrigen Lösung bzw. in wässrigen Körperflüssigkeiten platziert, die einen osmotisch wirksamen Gradienten zum wässrigen Füllmedium des Ballons aufweisen, können sich über den Ballonmantel hinweg konzentrationsabhängige Verschiebungen von Wasser aus dem Ballon heraus, in das den Ballon umgebende Milieu einstellen. Beispielsweise kann es bei der Platzierung eines mit Wasser befüllten PUR-Ballons in der Harnblase zu einer solchen, osmotisch angetriebenen Migration von Wasser aus dem Katheterballon, in den mit Salzen und organischen Molekülen befrachteten Urin kommen.
• Die spontane Entleerung eines mit Gas, beispielsweise mit Luft befüllten Katheterballons in ein den Ballon umgebendes Körpermedium stellt bei besonders dünnwandig hergestellten Ballonmaterialien eine besondere Herausforderung dar. Bei der Platzierung eines aus PUR bestehenden, mikrodünnwandigen Ballons in der Harnblase eines Patienten stellen sich in der Regel innerhalb weniger Tage Reduktionen des Füllvolumens ein, die zum weitgehenden Verlust der retinierenden Funktion des Katheterballons führen können.
• Die Durchlässigkeit der jeweiligen Ballonhülle für wässrige und gasförmige Medien korreliert neben deren molekularen Polarität vor allem mit deren Wandstärke. Je dünnwandiger die Ballonhülle ist, desto leichter treten die jeweiligen Medien über. Bei vielen Anwendungen von Katheterballons hängt die spezifische Katheterfunktion jedoch in besonderem Maße von maximal niedrigen Wandungsstärken der Ballonhülle ab. Die langfristige Platzierung im Körper erfordert bei derartigen, membranartig dünnwandigen Ballons daher in der Regel eine mehr oder weniger engmaschig intermittierende Kontrolle und Korrektur des für die Funktion erforderlichen Füllvolumens. Vom Anwender werden daher Ballonfolien erwartet, deren besonderer Folienaufbau bzw. deren Kombination von Einzellagen mit jeweils spezifischen, physikalisch-chemischen Eigenschaften, die spontane Entleerung des Ballons durch Migrations- und Osmose-Effekte verhindert.
• Zur Vermeidung spontaner Entleerungen besonders dünnwandiger Ballonwandungen schlägt die Erfindung einen mehrlagigen Aufbau der Folienwandung vor, wobei eine spezifische Materiallage mit besonderen gas- und/oder flüssigkeitsdichten Trenneigenschaften in die Ballonhülle integriert wird. Insbesondere kommen EVOH-basierte Materialien für die Herstellung solcher Barriere-Eigenschaften in Frage. EVOH oder auch als EVAL (Ethylen-Vinylalkohol Copolymer) bezeichnet weist bereits in sehr niedrigen Schichtdicken von beispielsweise 4 bis 10 Mikrometer eine sehr hohe, gasdichtende Effizienz auf, und bietet zudem einen effizient dichtenden Effekt auf die Permeation bzw. Migration von Wasser bzw. Wasserdampf. Neben der effizienten Barrierewirkung ist EVOH als wesentliche weitere Voraussetzung für die Anwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausreichend gut plastisch verformbar, um im Verbund mit beispielsweise aus PUR bestehenden Schichtlagen in eine definierte, ballonartige Form aus- bzw. umgeformt werden zu können.
• Für die Formung besonders dünnwandiger Folienkörper aus PUR, ist extrudiertes Schlauchmaterial erforderlich, dass in der Regel in einem separaten, der Blasformung vorausgehenden Fertigungsschritt hergestellt wird. Das im Rahmen der Erfindung eingesetzte Folienmaterial ist im bevorzugten Falle 3-lagig, wobei die äußere und die innere Schlauchlage aus PUR bestehen und die EVOH basierte Trennlage in mittiger Position zwischen den beiden Lagen PUR-Lagen aufgenommen wird. Im bevorzugten Falle wird bei dieser Materialkombination auf haftvermittelnde Zwischenlagen, die das PUR und dem EVOH mechanisch beständig und ohne Delamination der Einzellagen verbinden, verzichtet.
• Ein weiteres barriere-wirksames Material ist PVDC (Polyvinyldienchlorid). Es weist gleich effiziente Sauerstoff- und Wasserdampf dichtende Eigenschaften auf, und ist somit im Rahmen der Erfindung eine bevorzugte, mehrfach-funktionelle Trennschicht. Es kann ferner mit beispielsweise PUR mehrlagig als Rohschlauch extrudiert und durch Blasformung des Schlauchrohlings plastisch umgeformt bzw. „ausgezogen“ werden. Die für die Barriere erforderlichen Wandstärken liegen wie bei EVOH im einstelligen Mikrometerbereich.
• Zur Erreichung mikro-dünnwandiger, durch Blasformung hergestellter Ballonhüllen aus PUR oder PUR-enthaltenden Materialien, wird der in einem separaten Prozess extrudierte Rohschlauch einer gewissen axialen Streckung unterzogen, anschließend in einer formenden Kavität erhitzt und durch Beaufschlagung mit Blasdruck zu einem ballonartigen Körper verformt bzw. in diese Kavität hinein expandiert. Die axiale und radiale Streckung des Schlauchmaterials verleiht dem ausgeformten Ballon eine gewisse polymere Orientierung, die ihm hohe mechanische Festigkeit und Formstabilität verleiht. Im Moment der kombinierten axialen und radialen Expansion des Rohschlauches zum Ballon stellt sich ein, mit der jeweiligen Streckung korreliertes, parallelisiertes Ausrichtungsmuster der amorphen Anteile des Polymers ein, wobei sich diese anteilig linear ausrichten. Die Ausrichtung der polymeren Ketten wird durch die anschließende Kühlung im umgeformten Zustand fixiert, wobei bis auf etwa 5 bis 10 % Retraktion die Formmasse des Ballons im erhitzten Zustand erhalten bleibt.
• Die erfindungsgemäßen Merkmale derartig mehrschichtig ausgeführter Ballonhüllen sind in den folgenden Abbildungen beschrieben.
• 1 zeigt den beispielhaften, schematischen Aufbau der Wandung eines für die Blasformung eingesetzten Rohschlauches, wobei dieser eine besondere Kombination dreier konzentrisch extrudierter Materiallagen mit einer mittig angeordneten Trennlage aufweist.
• 2 zeigt einen entsprechenden, aus dem in 1 beschriebenen Rohschlauchtypen, durch ein Blasformungsverfahren ausgeformten, dreilagigen Ballonkörper.
• 3 zeigt einen Ballonkörper, der über eine besondere, zusätzliche Innenlage aus TPE-basiertem Material verfügt.
• 4 zeigt einen Ballon mit einem besonderen, vierlagigen Aufbau.
• 5 zeigt einen Ballon mit einer besonderen Kombination eines thermoplastischen Polyurethans und zwei zusätzlichen Barriere-Lagen.
• 1 zeigt den Wandungsaufbau eines mehrlagig extrudierten Rohschlauchs 1, dessen Wandung aus drei Materiallagen aufgebaut ist, wobei die Außenlage 2 und die Innenlage 3 aus einem thermoplastischen Polyurethan (TPU), oder einem Polyurethan-anteiligen oder basierten Material bestehen, während die Zwischenlage 4 aus einem Material des Typs EVOH besteht, welches besonders effiziente Barriere-Eigenschaften in Bezug auf die Vermeidung des Durchtritts bzw. Übertritts von Gasmolekülen von der einen auf die andere Seite der mehrlagigen Folienkombination aufweist. Bestimmte EVOH-Typen, wie sie beispielweise vom Hersteller Kuraray Co., Ltd. angeboten werden, gestatten bei der kombinierten, mehrlagigen Extrusion mit Polyurethan den Verzicht auf die Verwendung von haftungsvermittelnden Materiallagen, sogenannten „Tie-Layern“, die bei der Kombination verschiedener Materialtypen ansonsten üblicherweise für die Festigung der Verbindung der Einzellagen verwendet werden. Die Extrusion des Rohschlauches beschränkt sich also in für die Herstellung sehr vorteilhafter Weise von erforderlichen fünf auf nur noch drei Lagen. Die Extrusion kleinerer Rochschlauchmesser von beispielsweise 3 bis 7 mm wird durch den Wegfall der beiden Tie-Layer somit entscheidend vereinfacht bzw. unter wirtschaftlichen, technologisch praktikablen Bedingungen überhaupt erst ermöglicht.
• In entsprechender Weise kann auch PVDC in mittig positionierter Weise zwischen zwei Polyurethan-Lagen angeordnet werden. Die „unvermittelte“, direkte Haftung von PVDC an PUR ist jedoch nicht möglich, wodurch eine zusätzliche Lage Haftungsvermittler erforderlich ist. PVDC kann im Gegensatz zu EVOH, welches sich im wässrigen Milieu löst, jedoch direkt einer wässrigen Umgebung exponiert werden, wodurch sich die Anzahl der Materiallagen wiederum auf technisch ausführe, insgesamt drei Lagen beschränken lässt.
• Um bei der Montage des ausgeformten Ballonkorpus auf einem den Ballon tragenden Schaftelement die Option einer dauerhaften Fügung bzw. Klebung mit Lösungsmittel zu gewährleisten, wird die innere, zum ballontragenden Schaftelement hin gerichtete Polyurethanlage des Ballons vorzugsweise dickwandiger als die äußere PUR-Lage ausgeführt.
• 2 beschreibt einen, dem Rohmaterial von 1 entsprechenden Ballonkorpus 5. Bedingt durch die mittige Lage der EVOH- oder PVDC-Barriere, und deren flächige, feste Verbindung mit den angrenzende PUR-Lagen, kommt es bei der elastischen Verformung des dem EVOH bzw. dem PVDC beidseitig anliegenden elastischen Trägermaterials Polyurethan zu einer korrespondierenden Verformung des sich im Gegensatz zum PUR plastisch verformenden EVOH bzw. PVDC. Die Wandungsstärke des EVOH- bzw. PVDC-Anteils verdünnt sich also bei der radialen Ausformung eines Ballonkorpus nicht in linearer Weise vom axialen Zentrum des Rohlings bzw. des Ballons zu dessen größten Durchmesser, wie dies bei einer radialen Streckung eines rein plastischen Materials zu erwarten wäre, sondern die sich effektiv einstellende Ausdünnung entspricht der des sich elastisch verformenden Träger- bzw. Verbundmaterials. In den Bereichen zwischen den Umkehrpunkten 6 der Ballon-Schulterradien werden somit in etwa gleichförmige Lagendicken der EVOH- oder PVDCbasierten Barriere-Lage ermöglicht, wie sich diese auch bei denen die mittige Trennlage sandwichartig einschließenden PUR-Lagen einstellt. Eine punktuelle, streifige oder flächige Schwächung der Barriere-Funktion der Ballonhülle kann somit weitgehend ausgeschlossen werden.
• 3 zeigt einen besonderen konzeptionellen Wandungsaufbau, wobei die Innenlage des Rohschlauches 1 bzw. des daraus ausgeformten Ballonkorpus 5 aus einem TPE-basierten Material 7 besteht. Die Wandung besteht in dieser Ausführung also aus der Lagenkombination (von außen nach innen): PUR-EVOH-Vermittler-TPE. Die spezifische Kombination gewährleistet, dass durch die TPE-Innenlage eine technisch einfache Verbindung mit einer auf TPE basierenden, den Ballon aufnehmenden Trägerkomponente hergestellt werden kann. Ferner kann ein so hergestellter Ballon mit für TPE typischen Wasserdampf-Barriere-Eigenschaften ausgestattet werden.
• In ähnlicher Weise wie bei 2 erläutert, nutzt die Erfindung die besonderen elastischen, gleichförmigen Verformungseigenschaften des Polyurethan, wobei sich bei der radialen Expansion des Ballonhülle im Segment zwischen den Umkehrpunkten der Schulterradien relativ konstante Wandstärken einstellen. Die PUR-Lage wirkt somit als Träger für die Ausformung des nicht elastischen EVOH sowie des elastischen TPEs. Im Gegensatz zur Blasformung von PUR, können bei der Blasformung von TPE keine Ballonkörper mit gleichförmigen, besonders niedrigen Wandungsstärken hergestellt werden. Die Option zur formstabilen Ausdünnung des PUR-Anteils auf sehr niedrige Lagenstärken ermöglicht es den relativen Anteil des TPE an der Gesamtwandung zu vergrößern bzw. die spezifischen Dampfbarriere-Eigenschaften des TPE hervorzuheben.
• 4 zeigt einen 3 ergänzenden, 4-lagigen Aufbau, wobei sich an die innere TPE-Lage eine weitere Lage von PUR anschließt. Es wird somit die Option der Lösungsmittel-Verklebung auf einer den Ballon tragenden Schaftkomponente integriert, sowie die beiden Mittel-Lagen Trennlage und TPE beidseits vom stützend ausformenden Trägermaterial sandwich-artig eingeschlossen. Der Wandungsaufbau entspricht also (von außen nach innen): PUR-EVOH-Vermittler-TPE-Vermittler-PUR, oder PUR-Vermittler-EVOH-Vermittler-TPE-Vermittler-PUR. Die Lagenstärken im ausgeformten Ballon verteilen sich dabei beispielhaft wie folgt: PUR (5-7µm) - EVOH (1-5µm) - Vermittler (1-3µm) - TPE (5-15µm) - Vermittler (1-3µm) - Vermittler (1-3µm).
• 5 zeigt einen Ballonkörper, bestehend aus einer äußeren Lage eines thermoplastischen Polyurethans mit einer sich nach innen direkt, ohne Haftungsvermittler anschließenden Barriere-Lage aus EVOH und einer sich daran anschließenden Lage aus Vermittler und PVDC 9. Die Lagenstärken im ausgeformten Ballon verteilen sich dabei beispielhaft wie folgt: PUR (5-7µm) - EVOH (1-5µm) - Vermittler (1-3µm) - PVDC (1-5µm).

Claims (11)

1. Ballon für medizinische Kathetervorrichtungen, hergestellt in einem Blasformungsverfahren, ausgehend von einem mehrlagig extrudierten Rohschlauch, wobei der Rohschlauch bei der Formung einer kombinierten axialen und radialen Streckung unterzogen wird, durch Beaufschlagung des Schlauches mit Fülldruck in eine erhitzte Kavität ausgeblasen wird, und im so verformten Zustand abgekühlt wird, wodurch die Form des ausgeblasenen Ballons weitgehend und nur geringer Retraktion der Ballonhülle bestehen bleibt, wobei zur Erreichung besonders dünnwandiger Ballonstrukturen mit möglichst homogenen Wandungsstärken der Ballonwandung, in einer oder mehreren Schlauchlagen thermoplastisches Polyurethan (PUR) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohschlauch bzw. der daraus ausgeformte Ballon mindestens eine anteilige Lage von EVOH oder PVDC aufweist.
2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch maximal drei Materiallagen aufweist.
3. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination, von außen nach innen, PUR-Vermittler-PVDC, aufweist.
4. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination, von außen nach innen, PUR-Vermittler-PVDC-Vermittler-PUR, aufweist.
5. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination von außen nach innen, PUR-EVOH-Vermittler-PVDC aufweist.
6. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination von außen nach innen, PUR-EVOH-Vermittler-TPE aufweist.
7. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination von außen nach innen, PUR-EVOH-Vermittler-TPE-Vermittler-PUR aufweist.
8. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der auszuformende Rohschlauch aus einer Kombination von außen nach innen, PUR-EVOH-Vermittler-TPE-Vermittler-PUR aufweist.
9. Gegenstand nach Anspruch 1 und folgende, wobei die PUR-Lage oder die PUR-Lagen eine Wandungsstärke von jeweils 5 bis 20 µm aufweisen, bevorzugt 5 bis 10 µm.
10. Gegenstand nach Anspruch 1 und folgende, wobei die EVOH- und die PVDC-Lagen eine Wandungsstärke von jeweils 1 bis 10 µm aufweisen, bevorzugt 3 bis 6 µm.
11. Gegenstand nach Anspruch 1 und folgende, wobei die Verbindung des PUR zum EVOH direkt und ohne Haftungsvermittler erfolgt.

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