DE1766653A1

DE1766653A1 - Kuenstliches Glied bzw.Organ fuer Lebewesen und Verfahren zur Herstellung eines solchen Gliedes bzw.Organs

Info

Publication number: DE1766653A1
Application number: DE19681766653
Authority: DE
Inventors: Bokros Jack Chester; Ellis Willard Harrison
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1967-06-29
Filing date: 1968-06-28
Publication date: 1971-08-19
Also published as: GB1226833A; CH486880A; US3526005A; FR1571184A; DE1766653B2

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. Weickmann, Dr. Ing. A. Weickmann

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

tik

8 MÜNCHEN 27, DEN 28. 6. T?üo MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

GULF GtäüSRAL ATOMIC INCOHiOIlATED,

10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, V.3t.A.

Künstliches Glied bzw. Organ für Lebewesen und Verfahren zur Herstellung eines solchen Gliedes

bzw. Organes

Die Erfindung betrifft ein künstliches Glied bzw. Organ

für Lebewesen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen

Gliedes bzw. ürganes.

BAD OrViGJNAL

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Künstliche Glieder, wie intrnvaskulare Glieder, v/erden seit einer Reihe von Jahren verwendet. Es dürfte zu erwarten sein, daß die Verwendung derartiger künstlicher Glieder in der Zukunft noch zunehmen wird, wenn die Medizin auf diesem Gebiet noch weitere 'Erfahrungen sammelt. Sin Beispiel für ein künstliches Glied ist eine Künstliche Herzklappe, die heutzutage bereits in ziemlich großem Umfang verwendet wird. Wesentlich kompliziertere Kreislauf-ätützunr-seinrichtungen befinden sich in dar Entwicklung. Künstliche Wieren und andere Arten von künstlichen Organen stehen mehr und mehr zur Verfügung.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung und Anwendung von künstlichen Organen bzw. Gliedern ist von Bedeutung, dab diejenigen Oberflächen derartiger Organe bzw. Glieder, die mit Blut und Gewebe in Berührung kommen, mit dem Blut bzw. dem Gewebe verträglich sind. Dies trifft für den EaIl zu, daß die betreffenden Oberflächen durch Einpflanzung oder Einsetzung des jeweiligen künstlichen Organes bzw. Gliedes in den Körer mit Blut oder Gev/ebe in Berührung gelangen,und auch für den Fall, daß durch die betreffenden künstlichen Organe bzw. Glieder außerhalb des Körpers Blut hindurch fließt. Zwei der im allgemeinen am häufigsten verwendeten haterialien für künstliche Zwischengewebe-Glieder sind in Fällen, in denen hohe Festigkeit und gute Verschleißfestigkeit von Bedeutung sind, Metalle und in Füllen, in denen eine Flexibilität erforderlich ist, Kunststoffe. Metalle sind thrombogen und unterliegen der

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korrosion. Kunststoffe sind ohne irgendeine Behandlung: ebenfalls thronrbogen , und darüber hinaus unterliegen sie einer Veränderung. Rostfreier Stahl und -Tantal sind unter den Metallen die heute am häufigsten verwendeten i-ietalle. Unter den Kunststoffen haben sich Polyäthylen, Teflon und i.-'oI;. carbonate als brauchbar erwiesen. Keines dieser ΓΊaterialien vermag jedoch die beim Entwurf von Künstlichen Gliedern bzw. Organen vorhandenen Aufgabe vollständig zufriedenstellend zu lösen.

Der ürfinoLunr- liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte ivünsGliche Organe bzw. Glieder durch Verwendung; verbesserter Koiisoru^tioneiiiaterialien zu schaffen. Die neu zu schaffenden künstlichen Glieder bzw. Organe sollen nicht thrombogen sein und diese Eigenschaften während einer langen Dauer auch dann behalten, wenn sie in einen lebenden Körper eingesetzt sind. Die neu zu schaffenden künstlichen Organe bzw. Glieder sollen mit dem Körpergewebe verträglich sein, auf dieses keine Reize ausüben sowie eine hinreichende Festigkeit und

Widerstandsfähigkeit gegenüber Zerstörungen besitzen, wenn sie in einen lebenden Körper eingesetzt sind. Im -weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung verbesserter künstlicher Glieder bzw. Organe zu schaffen. Dieses Verfahren soll insbesondere einen Zwischengewebe-Defekt in einem lebenden Körper"· zu beheben erlauben. Im folgenden soll die Erfindung im Hinblick auf die Herstellung und Anwendung von verschiedene herKmale der Erfindung enthaltenden künstlichen Gliedern bzw. Organen erläutert worden.

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Es hat sich gezeigt, daß künstliche Glieder bzw. Organe mit verbesserten Eigenschaften dadurch hergestellt werden können, daß geeignete Trägerschichten der jeweils gewünschten Form und Größe mit einem isotropen pyrolytischen Kohlenstoff überzogen werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß isotroper pyrolytischer Kohlenstoff nicht nur eine erhebliche Zunahme in der Fest—igkeit der Trägerschicht, auf die er aufgebracht ist, mit sich bringt, sondern darüber hinaus gegenüber Abnutzung und Verformung während langer Zeitspannen widerstandsfähig ist, und zwar auch in einem lebenden Körper. Obwohl nachstehend im allgemeinen die Verwendung der künstlichen Organe bzw. Glieder nur in Verbindung mit einem menschlichen Körper beschrieben wird, dürfte einzusehen sein, daß derartige künstliche Organe bzw. Glieder in entsprechender Weise auch in anderen Lebewesen verwendet werden können. So kann es z.B. erwünscht sein, mit dem bezeichneten pyrolytischen Kohlenstoff überzogene Nägel beim Zusammennageln von gebrochenen Pferde- oder Hundeknochen zu verwenden.

Damit die künstlichen Organe bzw. Glieder die oben erwähnten wünschenswerten Eigenschaften aufweisen, sollte, wie sich gezeigt hat, der pyrolytische Kohlenstoff isotrop sein. Dabei sollte der pyrol tische Kohlenstoff vorzugsweise einen BAi¹ (Bacon Anisotropfaktor)-Faktor besitzen, der über 1,3 liegt. Der gerade genannte ΒΔ-Faktor ist ein allgemein anerkannter Meßwert der bevorzugten Lage der Schichtebenen in de

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Kohlenstoffkristallstruktur. Das Meßverfahren sowie eine vollständige Erläuterung der Einteilung der Messung finden sich in dem in der Zeitschrift "Journal of Applied Chemistry"

öffentlichten

Volume&, Seite 4-77, 1956, ver/ Artikel "A Method for Determining the Degree of Orientation of Graphite von G.E.Bacon. Zum Zwecke der Erläuterung sei darauf hingewiesen, daß ein heßwert von 1,0 (der unterste tunKt auf der Bacon-Skala) einen ausgezeichnet isotropen Kohlenstoff bezeichnet.

Im allgemeinen soll der äußere pyrolytisch^ Kohlenstoffüberzug hinreichend dicic sein, um dem zu überziehenden Trägermaterial die erforderliche Zug- und Druck-Bruchfestigkeit zu verleihen. Wenn z.B. eine ziemlich schwache Trägerschicht verwendet v/ird, die z.B. aus künstlichen Graphit besteht, so kann es erforderlich sein, einen dickeren überzug aus P yrolyti schein Kohlenstoff zu verwenden, um das gesamte künstliche üx'gan bzw. (.a lied zu verstärken.

Jiinsichtlich der Bestimmung der durch den pyrolytischen Kohlenstoffüberzug der Trägerschicht zusätzlich vermittelten J/estigKeit ist die Dichte des verwendeten pyroly tischen Kohlenstoffs von Bedeutung. Die Dichte ist ferner im Hinblick darauf von Bedeutung, daß dipJer:ige Obe-rn.äohe <le:i pyrolytischen Kohlenstoffes, die in ihrem Anwendungsgebiet mit KörpBrgewebe oder Blut in Berührung gelangt, glatt und undurchlässig sein soll. Mit Hilfe derartiger Oberflächeneigenschafteu dürfte die Möglichkeit der i'rerirraunr von l'-lut

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auf dar Oberfläche des jeweiligen künstlichen Orpaneij bzw. Gliedes herabgesetzt sein. Der verwendete r^/rol^tische Kohlenstoff sollte eine Dichte von v/enigstens etv/a 1,v r. pro ecm besitzen.

v/eitere, ebenfalls aie !festigkeit swirKunr; aes Kohlenstoffes beeinflussende Eigenschaft isc aie Kristalihohe oder scheinbare Kristallgröße. Die scheinbare Kristallnro^e ist hieiiiit L bezeichnet; sie kann unter Verwendung eines iio'ntpenstrahlen-Beugungsmessers direkt ermittelt v/erden. Die ichunPT hierfür lautet:

_L I

^ho " /3cos Θ

hierin bedeuten

λ die Wellenlänge λ

/3 aie iialbhöhe (002)-Linienbreite und Θ der Brag'^-Winkel.

Bezüglich der aus pyrol;/tischem Kohlenstoff bestehenden überzüge für die künstlichen Glieder bzw. Organe sei ben-erkt, daß dieser Kohlenstoff durch Kristalle gebildet sein sollte,

ο
deren Kristallgröße etv/a 200 A nicht überschreitet. All~onein kann festgestellt v/erden, dai; die wünschenswerten üigenschaften des in Verbindung; mit künstlichen Gliedern bzw. Organen verwendeten pyrol. tischen Kohlenstoffs aus^eprä= ter sind, wenn die scheinbare Kristallgröße serin:;· ist und daß eine

scheinbare Kristallf_;;röße zwischen etwa 20 una etwa ίΌ Α bevor^urt wira.

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Da aas l'rän;erteiliiiaterial für das jeweilige künstliche Glied bsw. Organ im allgemeinen vollständig oder zumindest im Bereich derjenigen Oberflächen mit pyrol^tischem Kohlenstoff überzogen wird, die entweder mit Körpergewebe oder mit Blut in Berührung kommen, ist die Wahl des Materials, aus dem das Trägerteil hergestellt wird, nicht mehr von übermäßiger Bedeutung. Landelt es sich bei einem künstlichen Glied z.B. um einen wagel oder um ein kleines Rohr oder um eine in einem menschlichen Körper einzusetzende Klappe, so wird das betreffende künstliche Glied vollständig mit pyroly.tischem kohlenstoff überzogen. Bildet das künstliche Glied jedoch einen Teil einer außerhalb des Körpers verwendeten Vorrichtung, wie z.B. einen Teil einer Hilfs-Blutpumpe, so genügt es, nur diejenigen Flächenbereiche zu überziehen, die mit uem Blut in Berührung gelangen.

Da das Tränerteilmaterial in vielen Fällen vollständig von pyrolytischen Kohlenstoff umgeben sein kann, ist es von erheblicher Bedeutung, daß das jeweilige Trägerteilmaterial mit dem pyrolytisehen Kohlenstoff verträglich ist. Darüber hinaus ist insbesondere von Bedeutung, daß das Trägerteilmaterial für die Ausführung des Verfahrens geeignet ist, mit dessen Hilfe der pyrolytische Kohlenstoff aufgebracht vird. Obwohl es, wie oben ausgeführt, an sich erforderlich ist, dass das Trägerteilmaterial ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften besitzt, um während der Anwendung des aus diesem Material hergestellten künstlichen Gliedes ggfs. auftretenden

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Belastungen widerstehen zu können, können auch solche Trägerteilmaterialien verwendet werden, die nicht derart hohe Festigkeitseigenschaften besitzen. Derartige Trägerteile erhalten dann durch Aufbringen eines Überzugs aus ρ y ro Iy ti schein Kohlenstoff auf ihrer Außenfläche die für das jeweilige künstliche Glied erforderliche zusätzliche Festigkeit.

Da pyrolytischer Kohlenstoff, v/ie seine Bezeichnung bereits andeutet, durch Pyrolyse einer Kohlenstoff enthaltenden Substanz abgelagert wird, ist das Tragerteilmaterial den für die Ausführung der Pyrolyse erforderlichen, relativ hohen Temperaturen ausgesetzt. Im allgemeinen werden Kohlenwasserstoffe als zu pyrolysierende, Kohlenstoff enthaltende Substanz verwendet. Dabei sind Temperaturen von wenigstens etwa 1000⁰C erforderlich. In der US-Patentschrift 3 298 921 sind einige Beispiele für die Herstellung von mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Artikeln angegeben, die unter hoher Temperatur und unter NeutronenbeschuB eine gesteigerte Stabilität aufweisen. Bei diesen bekannten Verfahren wird Methan als Kohlenstoff-Lieferer verwendet; die Temperaturen, bei denen die Pyrolyse erfolgt, liegen im Bereich zwischen etwa 1500 una 2500⁰C. ^r/,\xr Ablagerung von die gewünschten Eirenschaften im Hinblick auf die vorliefende Erfindung besitzendem nyrolytischen Kohlenstoff bei niedrigeren Temperaturen können andere Kohlenwasserstoffe, z.B. Propan oder Butan, verwendet werden; das Tragerteilmaterial sollte Jedoch

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bei Temperaturen von wenigstens etwa 100O⁰G und vorzugsweise bei noch höheren Temperaturen weitgehend unbeeinflußt bleiben.

Da das Trägerteil bei den zuvor erwähnten, relativ hohen Temperaturen überzogen wird, andererseits das aus einem derartigen Trägerteil hergestellte künstliche Glied bei Temperaturen angewandt wird, die üblicherweise bei Raumtemperatur liegen, sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägerteiles und des darauf abgelagerten pyrolytischen Kohlenstoffes relativ dicht beieinander liegen, wenn der pyrolytische Kohlenstoff direkt auf dem Trägerteil abzulagern und eine feste Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kohlenstoff zu erzielen ist. Im Unterschied hierzu erfolgt gemäß der oben genannten US-Patentschrift die Ablagerung einer Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff von mittelniedriger Dichte. Die Anwendung einer derartigen Schicht kann jedoch zu einem größeren Unterschied, in den Wärmeausdehnungskoeffizienten führen. Daher wird der pyrolytische Kohlenstoff vorzugsweise direkt auf den Trägerteil abgelagert, wodurch das Erfordernis nach einer derartigen Zwischenschicht beseitigt ist. Auf einem Trägerteil kann die gewünschten Eigenschaften besitzender pyrolytischer Kohlenstoff abgelagert werden, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen etwa 3 und etwa 6 · 10" /⁰C besitzb. Demgemäß werden die Trägerteilmaterialien so gewählt, daß sie die oben erwähnte Stabilität bei hohen

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Temperaturen und innerhalb des gerade angegebenen Bereiches liegende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Geeignete Trägerteilmaterialien enthalten z.B. künstlichen Graphit, Borkarbid, Siliziumkarbid, Tantal, holybd-sn, Wolfram und verschiedene Keramiken, wie fiullit.

Der überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff wird auf das Trägerteil mit Hilfe einer für diesen Zweck jreeif-neten Vorrichtung aufgebracht. Dabei wird vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet, die das Trägerteil in Bewegung hält, während der Überziehprozess ausgeführt wird. Dadurch ist dann sichergestellt, daß der Überzug auf den gewünschten Flächen des Trägerteils gleichmäßig aufgebracht wird. Eine sich drehende Trommel-Überzieheinrichtung oder eine Vibrationstisch-überzieheinrichtung können in diesem Zusammenhang; angewendet v/erden. Wenn die zu überziehenden Trägerteile klein genug sind, um in einen nach oben gerichteten Gasstrom zum Schweben gebracht werden zu können, kann vorzugsweise ein Wirbels.chiehtgerät verwendet werden. Werden Trägerteile auf diese V/eise überzogen, so Kann die gewünschte Glattheit der Kohlenstoffoberfläche erreicht werden.

Wie in dem oben angegebenen US-tatent näher ausgeführt, Können die !eigenschaften des auf das ,"jeweilige Trägerteil abgelagerten Kohlenstoffs durch Ändern der Bedingungen, unter denen die pyrolyse ausgeführt wird, verändert v/erden. So beeinflussen

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in einen WirbelseliicbS-uberziehverfahren, in welchem eine hißchuiii-· aus einem Kohlenwasserstoffes, wie he than, und einem iidelrcas, wie Helium oder Argon, verwendet wird, Abv:eichunr^::en aes Volumenorozentsatzes des Methan, der gesamten iitrouun-iüiiien^e aes wirbelnden Gasstromes und die Temperatur, bei der die pyrolyse ausgeführt wird, insgesamt die Eigenschaften des auf einem Trägerteil ab pe lagerten pyrolytisehen Kohlenstoffes. Die Steuerung dieser verschiedenen Betriebsparameter ermöglicht nicht nur allein die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff mit der gewünschten Dichte, scheinbaren Kristallgröße und Isotropie, sondern ermöglicht ferner eine Regulierung des bezüglich des pyrolytischen Kohlenstoffes erwünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Jj'e^.^er wird durch niese Steuerung eine "Stufung" eines Überzugs erreicht, der — zufolge eine Vielzahl von Außenflächen ersielbar ist. Wenn z.B. für gewisse Anwendungsfälle ein ausgerichteter überzug erforderlich ist, könnte zunächst ein isotroper "uberzu" mit einem BA-l'aktor von 1,5 oder niedriger abgelagert werden,

v/ährena als letzter Überzug eine ausgerichtete dünne Außenschicht auf dem betreffenden Trägerteil abgelagert v/erden könnte.

Wie oben ausgeführt, wird ein Trägerteilmaterial verwendet, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen etwa 5 und etwa 6 · 1Ü~°/°G liegt. Die Bedingungen, unter denen die Ablagerung des Kohlenstoffs auf dem Trauerteil erfolgt, werden

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so reguliert, daß der pyrolytische Kohlenstoff einen innerhalb desselben Bereiches liegenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Wird der pyrolytische Kohlenstoff unmittelbar auf der Oberfläche des Trägerteilmaterials abgelagert, so werden die Bedingungen, unter denen die Pyrolyse erfolgt, derart gesteuert, daß der abgelagerte pyrolytische Kohlenstoff einen Ausdehnungskoeffizienten besi^^ier innerhalb eines Bereiches von plus oder minus 50$ des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägerteilmaterials liegt; vorzugsweise v/erden die erwähnten Bedingungen jedoch so gesteuert, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des pyrolytischen Kohlenstoffs innerhalb eines Bereichs von etwa plus oder minus 20$ des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägerteilmaterials liegt. Da der pyrolytische Kohlenstoff in dem Fall, daß er einer Druckbelastung ausgesetzt wird, eine höhere Festigkeit besitzt als in dem Fall, daß er einer Spannungsbelastung ausgesetzt ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des pyrolytischen Kohlenstoffes meistens vorzugsweise etwa gleich dem

als

oder niedriger/der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägerteilmaterials gewählt. Unter diesen Bedingungen wird eine gute Haftfähigkeit des pyrolytischen Kohlenstoffs an dem Tränerteilmaterial erzielt; die gute Haftfähigkeit bleibt dabei während der Lebensdauer eines das betreffende Trägerteilmatorial und den pyrolytischen Kohlenstoff enthaltenen künstlichen Gliedes erhalten. Mit liücksicht darauf, daß viele üerartipe Glieder bzw. Organe in einem menschlichen Körper

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eingesetzt werden können, ist es äußerst wichtig, daß eine lange Lebensdauer des jeweiligen Gliedes bzw. Organes sichergestellt ist, ohne daß eine Veränderung des betreffenden Gliedes oder Organes erfolgt.

Pyrolytischer Kohlenstoff mit den zuvor erwähnten physikalischen Eigenschaften dürfte als Substanz für die Oberfläche eines künstlichen Gliedes bzw. Organes deshalb besonders vorteilhaft sein, weil er antithrombogen und gegenüber Stoffwechselvorgängen, Enzymen und anderen in Lebewesen enthaltenen Flüssigkeiten unempfindlich ist. Bezüglich der Antithrombogen-Eigenschaften von pyrolytischem Kohlenstoff wird angenommen, daß diese Eigenschaften auf die Sterilität des Kohlenstoffes und auf die Beseitigung sämtlichen Sauerstoffs aus diesem Kohlenstoff zurückzuführen sein dürften. Vor Verwendung kann das Jeweilige künstliche Glied bzw. Organ sterilisiert werden, z.B. in einer ÄthylenoxydathmoSphäre während einer Dauer von etwa 6 Stunden bei einer Temperatur von etwa 55°C mit anschließender Entgasung während einer hinreichend langen Zeitspanne, z.B. v/ährend einer Dauer von 24- Stunden bei einem Druck von etwa O,O^r/ afc bei einer Temperatur von etwa 58⁰G.

Im Unterschied zu der zuvor erwähnten Sterilisation und Entgasung können die künstlichen Glieder bzw. Organe auch alt einem geeigneten Anti-Gerinnungsmittel behandelt werden,

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das einen Schutz vor auftretenden Thrombosen bewirkt. Als Anti-Gerinnungsinittel -kann Heparin verwendet werden. Hierzu kann das jeweilige künstliche Glied bzw. Organ einfach in eine Heparin-Lösung eingetaucht werden. Mine :;eeirmete Keparin-Losung kann dadurch hergestellt werden, da£ 2 cm^ Heparin mit ^U cm^ wässriger ITatriumchloridlö sung vermischt werden. Die Absorption des Heparin durch dio oyrolytische Kohlenstoffoberfläche kann noch durch eine Vorbehandlung mit einem kationischen^Oberflächen aktivierenden Agenz, wie einer wässrigen Lösung aus Zephirol (Warenzeichen) gesteigert werden.

Das sterilisierte oder sonstwie behandelte künstliche Glied ist nunmehr für seinen Anwendungszweck fertig, üs kann nunmehr z.B. als Teil einer Vorrichtung verwendet werden, die außerhalb des Körpers eines Lebewesens arbeitet. Das betreffende künstliche Glied kann aber auch in den Körper eines Lebewesens eingesetzt werden, um einen intravaskularen Schaden zu beheben. Bekannte Verfahren zur Sicherung des mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen künstlichen Gliedes in der jeweils richtigen Lage innerhalb des Körpers können angewandt werden; so kann ein künstliches Glied z.B. mit Üacron-Gewebe (Warenzeichen) befestigt und durch Anwendung normaler Nähverfahren festgenäht werden.

Anhand von Beispielen werden verschiedene Verfahren zur Herstellung von künstlichen Gliedern bzw. Organen mit die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung mit sich

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bringenden Oberflächen aus pyrolytischem Kohlenstoff erläutert . Diese Beispiele geben zwar die beste Art und Weise an, in der die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann; ea sei jedoch bemerkt, daß diese Beispiele nur zur Erläuterung der Erfindung dienen sollen und daß die Erfindung auf diese Beispiele nicht beschränkt ist, sondern ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken noch modifiziert v/erden kann.

Beispiel I

Es werden jeweils 9 mm lange, einen Innendurchmesser von 7 mm und eine Wandungsdicke von 0,5 mm besitzende kurze Höhren aus künstlichem Graphit hergestellt. Der verwendete künstliche Graphit besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4- · 1O~ /⁰C bei einer Temperatur von 5O⁰C Die 'kurzen Röhren werden in einer Wirbelschicht-Überziehvorrichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen. Die Wirbelschichtvorrichtung enthält ein Reaktionsrohr mit einem Durchmesser von ewa 3,ε cm, das auf eine Temperatur von etwa 155O⁰G erwärmt ist. Ein Heliumgasstrom wird in die Vorrichtung nach oben gerichtet, so daß die relativ kleinen Röhrchen im Schwebezustand gehalten werden. Die kleinen, kurzen Röhrchen werden dann mit etwa 50 g vorüberzogenen Thoriumcarbidparöüteln überzogen, \felche einen rartikelaurchmesser im Bereich von etwa 150 bis 250 Kikrön besitzen. Die Partikel v/erden auf der: kurzen Röhrchen abgelagert, um Ablagerung s-

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flächenbereiche getünchten Ausmaßes bezogen auf die Größe des Bereiches des Reaktionsrohres zu erzielen, in welchem die Pyrolyse erfolgt, da die relative Größe des verfügbaren Oberflächenbereichs ein weiterer i'aktor ist, der die Eigenschaften des sich ergebenden pyrolytischen Kohlenstoffs beeinflußt.

Wenn die '-Temperatur der in'dem Reaktionsrohr schwebenden Artikel etwa 135O⁰C erreicht, wird mit dem Helium vermischtes Propan abgegeben, um einen nach oben gerichteten Gasstrom zu erhalten, dessen Gesamt-Strömungsgeschwindigkeit etwa 6000 cm /Minute bei einem 'feildruck des Propan von etwa 0,4 at beträgt. Das Propan löst sich unter diesen Bedingungen auf und lagert einen Überzug aus dichtem isotropen pyrolytischen Kohlenstoff auf sämtlichen in der Wirbelschicht befindlichen Artikeln ab. Unter diesen Überzugsbedingungen beträgt die Kohlenstoff-Ablagerungsgeschwindigkeit etwa 1 Mikron pro Minute. Die Propangasströmung wird aufrechterhalten bis ein etwa 200 Mikron dicker Überzug aus isotropem pyrolytischen Kohlenstoff auf der Außenseite der Röhrchen abgelagert äst. Zu diesem Zeitpunkt wird der Propangasstrom unterbrochen; die überzogenen Artikel werden dann ziemlich langsam in dem Heliumgas abgekühlt und anschließend aus der Reaktionsrohrüberzugsvorrichtung herausgeführt.

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Die kurzen Röhrchen werden nunmehr untersucht und geprüft. Die Dicke des aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehenden Überzugs auf der Innenseite der Röhrchen beträgt etwa'200 Mikron. Die Dichte des isotropen Kohlenstoffs beträgt gleichmäßig etwa 2,0 g/cm^?. Der ΒΑ-Faktor beträgt etwa 1,1. Als schein-

bare Kristallgröße wurd ein Wert zwischen 30 und 40 A gemessen. Ferner wurden die überzogenen kurzen Röhrchen mechanisch untersucht, um ihre Festigkeit im Vergleich zu nicht überzogenen Graphitröhrchen zu bestimmen. Die Bruchbelastung der nicht überzogenen Graphitröhrchen bei parallel zum Durchmesser erfolgender Belastung wurde mit etwa 4 Pfund ermittelt. Die Bruchbelastung der überzogenen Röhrchen betrug etwa 25 Pfund; sie ist damit sechsmal höher als die Bruchbelastung der nicht überzogenen Graphitröhrchen. Ein überzogenes Röhrchen wurde durch Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 1000°0 im Vakuum und anschließender, etwa 15 Minuten lang vorgenommener Tränkung in einer Verdünnungslösung aus Benzalkoniumchlorid (ein Teil auf hundert Teile Wasser) sterilisiert. Das überzogene Rohr wurde dann herausgezogen, abgespült und 15 Minuten lang in einer Heparin-Lösung getränkt, die aus 2 em-⁵ Heparin und 30 cirr Salzlösung hergestellt wurde. Nach dem Herausziehen des überzogenen Röhrchens aus der lieparin-Lösung wurde das Röhrchen zehnmal mit destilliertem Wasser abgespült und dann mit Blut getestet. ^₁ Nach Berührung mit Blut während einer Dauer von etwa 24 Stunden zeigte sich kein Anzeichen einer Gerinnung; eine Gerinnung

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tritt normalerweise innerhalb von Minuten auf. Die mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen, einen Graphitträger

enthaltenen Artikel sind somit ausgezeichnet als im menschlichen Körper anzuwendende künstliche Glieder bzw. Organe verwendbar.

Beispiel II

Eine' Anzahl von kurzen Röhrchen, die dieselben Abmessungen besitzen wie die im Beispiel 1 angegebenen Röhrchen, jedoch aus Tantal bestehen, v/erden hier verwendet. Tantal besitzt einen V/ärmeausdehnungsko effizient en von etwa 6,5 · 10"" /⁰C bei einer Temperatur von 20⁰C. Die kurzen Röhrchen werden in dem im Beispiel I bereits verwendeten Wirbelschicht-Reaktionsrohr überzogen. Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des pyrolytischen Kohlenstoffes an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Tantal-Trägerteils anzugleichen, erfolgt der Überziehvorgang bei einer Temperatur von 1600⁰C bei einem 15$ Propan und 35$ Helium enthaltenden Gasstrom, dessen Strömungsgeschwindigkeit etwa 6000 cm pro Minute beträgt. Die kurzen Röhrchen werden zusammen mit 50 g Thoriumkarbid-Partikeln im Schwebezustand gehalten. Die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff erfolgt während einer Dauer von 20 Minuten. Danach ist die Außenfläche jed.es Röhrchens mit einer etwa 150 Mikron dicken Schicht aus isotropem pyrolytischen Kohlenstoff überzogen. Am Ende der genannten Zeitspanne wird der Propangasstrom eingestellt; die überzogenen

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Röhrchen werden abgekühlt und aus dem Reaktionsrohr herausgeführt .

Eine überprüfung und Untersuchung von in der vorstehend angegebenen Weise überzogenen Röhrchen läßt erkennen, daß die Dichte des abgelagerten isotropen pyrolytischen Kohlen-Stoffs etwa 1,6 [:/cm beträgt. Der BA-IFaktor beträgt etwa 1,0.

ο Die scheinbare Kristallgröße liegt zwischen etwa 50 und 60 A.

Der Warmeausdehnungskoeffizient des pyrolytischen Kohlenstoffs beträgt etwa 5 · 10~ /⁰C bei einer Temperatur von etwa 20⁰C. Eine mechanische überorüfung der überzogenen Röhrchen zeigt, daß die Festigkeit und Verschleißfestigkeit annähmbar sind und daß der Überzug an dem jeweiligen Trägerteil fest haftet.

Eines der überzogenen kurzen Röhrchen wurde sterilisiert und in der im Beispiel I angegebenen Weise mit Benzalkoniumchlorid und Heöarin behandelt und anschließend mit Blut getestet. Auch hierbei zeigte sich kein Anzeichen einer Gerinnung des Blutes während einer ^ '-stündigen Kontaktzeit. Die mit 05rr0l.ytiscb.en Kohlenstoff übe:?ao~enen i'c.ntalartiLel siiia damit ebenfalls ausgezeichnet als 'Heile eines künstlichen Gliedes bzw. Organes für den Einsatz in menschlichen Körpesp geeignet.

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Beispiel III

Hierbei wurde eine Anzahl von aus Wolfram bestehenden kurzen Rohrchen mit denselben Abmessungen wie die im Beispiel I angegebenen verwendet. Wolfram besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4·, 4· . 10" /⁰C bei einer Temperatur von 27°G. Die kurzen Röhrchen wurden in dem im Beispiel I bereits verwendeten Wirbelschicht-Reaktionsrohr überzogen. Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des pyrolytischen Kohlenstoffs an den des Wolframträgerteils anzugleichen, erfolgte der Überzug bei einer Temperatur von 1600⁰G in einem 15$ Propan und 85$ Helium enthaltendem Gasstrom, dessen Strömungsgeschwindigkeit etwa 6000 cnr/inin betrug. Die kurzen Röhrchen wurden zusammen mit 50 g Thoriumkarbidpartikeln in dem Reaktionsrohr im Schwebezustand gehalten. Die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff erfolgte während einer Dauer , von etwa 20 Hinuten. Während dieser Zeitspanne lagerte sich auf der Außenfläche jedes der Röhrchen eine etwa I50 Mikron dicke Schicht aus isotropem pyrolytischen Kohlenstoff ab. Der Propanstrom wurde dann unterbrochen, und die überzogenen Röhrchen wurden abgekühlt und aus dem Reaktionsrohr herausgeführt.

Eine überprüfung und Untersuchung derart überzogener Röhrchen zeigte, daß die Dichte des abgelagerten isotropen pyrolytischen Kohlenstoffs etwa 1,6 g/cm^ beträgt. Der

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BA-]?aktor beträgt etwa 1,0. Die scheinbare Kristallgröße beträgt etwa 50 bis 60 A. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des pyrolytischen Kohlenstoffs betrug etwa 5 · 10 /⁰C bei einer Temperatur von etwa 20⁰G. Eine mechanische Überprüfung der überzogenen Röhrchen zeigte, daß die Festigkeit und Verschleißfestigkeit annehmbar sind, und daß der Überzug an dem jeweiligen Trägerteil fest anhaftet.

Eines der in der vorstehend beschriebenen Weise überzogenen kurzen Röhrchen wurde sterilisiert und in der im Beispiel I angegebenen Weise mit Benzalkoniumchlorid und Heparin behandelt. Sodann erfolgte eine Blutuntersuchung. Dabei zeigte sich auch während einer 24—stündigen Kontaktzeit mit dem Blut kein Anzeichen einer Gerinnung. Die mit pyrolytischen Kohlenstoff überzogenen Wolframartikel sind somit ebenfalls ausgezeichnet als Teile eines in einen menschlichen Körper einzusetzenden künstlichen Gliedes bzw. Organes geeignet.

Beispiel IV

Eine Anzahl von aus Molybdän bestehenden kurzen Röhrchen mit denselben Abmessungen wie die im Beispiel I angegebenen wird hier,verwendet. Molybdän besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 5»5 · 10" /⁰G bei einer Temperatur von 20⁰O. Die kurzen Röhrchen wurden in dem in Beispiel I bereits verwendeten Wirbelschicht-Reaktorrohr überzogen.

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Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des pyrolytischen Kohlenstoffs an den Wärmeausdehnungskoeffizienten aes Molybdünträgerteiles anzugleichen, erfolgt der überziehvorgang bei einer Temperatur von 155O⁰G in einem 5O;6 Pro und ^r/Oyo Helium enthaltenden Gasstrom, dessen Strömungsgeschwindigkeit etwa 5500 cnr/min beträgt. Die kurzen Röhrchen werden zusammen mit 50 g Thoriumkarbid?artikeln in dem Reaktionsröhrchen in der Schwebe gehalten. Die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff a?folgt während einer Zeitspanne von 50 Minuten, wonach sich auf der Außenfläche ,jedes Röhrchens eine etwa 100 Mikron dicke Schicht aus isotropen pyrolytischen Kohlenstoff abgelagert hat. Am Ende dieses uberziehvorgangs wird der Propanstrom abgeschaltet; die überzogenen Röhrchen werden dann abgekühlt und aus dem Reaktionsrohr herausgeführt.

Eine überprüfung und Untersuchung derart überzogener Röhrchen zeigt, daß die Dichte des abgelagerten isotropen pyrolytischen Kohlenstoffs etwa 2,0 g/car beträgt..Der BA-3?aktor beträgt etwa 1,1. Die scheinbare Kristallgröße liegt zwischen etwa 50 und 40 A. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des pyrolytischen Kohlenstoffs beträgt ebwa 5 . 10" /⁰C bei einer Temperatur von etwa 20⁰G. Eine mechanische überprüfung der überzogenen Röhrchen läßt erkennen, daß die Festigkeit und Abriebfestigkeit annehmbar sind, und daß der pyrolytische Kohlenstoffüberzug: fest an dem ,jeweiligen Trägerteil haftet.

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Eines der in der oben "beschriebenen Weise überzogenen kurzen Röhrchen wird sterilisiert und in der im Beispiel I angegebenen Jeise mit Benzalkoniunichlorid und Heparin behandelt. Anschließend erfolgt eine Untersuchung mit Blut. Dabei zeigt sich während einer 24—stündigen kontaktzeit des Bluts kein Anzeichen einer Gerinnung. Die mit pyrolytischem kohlenstoff überzogenen kurzen Molybdänröhrchen sind somit ausgezeichnet als Teile eines in einen menschlichen körper einzusetzenden künstlichen Gliedes bzw. Organes geeignet.

In den vorstehenden Beispielen wurde das überziehen und die Verwendung von kurzen Höhrchen beschrieben; es sei jedoch bemerkt, daß dies nur zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung diente und daß irgendwelche geeignet geformten Elemente zur Herstellung künstlicher Glieder bzw. Organe überzogen v/erden können. Insbesondere sei darauf hingewiesen, daß die Ablagerung von pyrolytischem kohlenstoff in einem Wirbelschichtverfahren ausgeseicnet für die Erzielung eines glatten Überzugs geeignet ist, und zwar auch bei den kompliziertesten Formen.

Den obigen Ausführungen dürfte entnehmbar sein, daß durch die vorliegende Erfindung künstliche Glieder bzw. Organe geschaffen worden sind, die eine ausgezeichnete Beständigkeit

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gegenüber Veränderungen im Körper eines Lebewesens besitzen und die damit ausgezeichnet gut als künstliche
Glieder bzw. Organe geeignet sind, die.ständig im Körper eines lebenden Menschen eingesetzt bleiben. Mit pyrolyti-

schem Kohlenstoff überzogene 'Drägerteile, die radioaktive Isotope zur inneren Behandlung von Krankheiten, wie Krebs oder ^fJ?umoren, enthalten, sind ein weiteres Beispiel dafür, in v/elcher Weise erfindungsgemäße künstliche Glieder bzw. Organe angewendet werden können.

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Claims

Patentansprüche

1. Künstliches Glied bzw. Organ für Lebewesen, gekennzeichnet durch ein eine gewünschte Form und Größe besitzendes Trägerteil, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit einem Überzug aus dichtem pyrolytischen Kohlenstoff überzogen ist, der eine Dichte von wenigstens

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etwa 1,5 g/cnr besitzt.

2. Künstliches Glied bzw. Organ nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff eine

ο scheinbare Kristallgröße unter etwa 200 A besitzt.

3. Künstliches Glied bzw. Organ nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff einen BA-Faktor besitzt, der nicht größer als etwa 1,3 ist.

4-. Künstliches Glied bzw. Organ nach einem der Ansprüche biß 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs aus pyrolytischein Kohlenstoff wenigstens etwa 50 Mikron beträgt.

5. Künstliches Glied bzw. Organ nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen

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etwa 3 und 6 · 10" / C bei einer temperatur von etwa 20⁰G besitzt.

6. Künstliches Glied bzw. Organ nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen etwa 3 und 6 · 10"* / C bei einer Temperatur von etwa

_Ä 20⁰C liegt.

7. Künstliches Glied bzw. Organ nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der in einem Bereich von plus oder minus 50$ des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Trägerteils liegt.

6. Künstliches Glied bzw. Organ nach Anspruch ^r/, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des. Trägerteils ist oder der innerhalb eines diesen Wert bis zu etwa 20jo unterschreitenden Bereiches liegt.

9. Verfahren zur Herstellung eines künstlichen Gliedes bzv/. Organes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägerteil aus einem Material gebildet wird,das bei Temperaturen von zumindest etwa 1000⁰C beständig ist,

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und daß dieses l'rägerteil mit einer Schicht aus dichtem pyrolytischen Kohlenstoff überzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9_} dadurch gekennzeichnet, darauf das Trägerteil ein überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff mit einer Dichte von wenigst-ens etwa 1,5 g/cnr , einer scheinbaren Kristallgröße von nicht mehr als

ο
etwa 200 A , einem BA-J?aktor von nicht mehr als etwa 1,5 und in einer Dicke von wenigstens etwa 50 Mikron aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägerteil ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebracht

. wird, der innerhalb eines Bereiches von plus oder minus 5O5t> des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Trägerteiles liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige künstliche Glied bzw. Organ vor seiner Anwendung einer solchen Behandlung unterzogen wird, daß es antithrombogen ist.

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