DE19604173C2

DE19604173C2 - Verfahren zur Erzeugung antithrombogener Oberflächen auf extrakorporal und/oder intrakorporal zu verwendenden medizinischen Gegenständen

Info

Publication number: DE19604173C2
Application number: DE1996104173
Authority: DE
Inventors: Hartwig Hoecker; Joerg Lahann; Doris Klee; Guenter Lorenz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: DE19604173A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung antithrombogener Oberflächen auf extrakorporal und/oder intrakorporal zu verwendenden medizinischen Gegenständen, wobei die Gegenstände zunächst mit einer funktionalisierten Polymerschicht und anschließend mit einer weiteren immobilisierenden biologischen Beschichtung, d. h. mit einer Schicht immobilisierter Biomoleküle versehen werden.

Die Verwendung von Polymeren als Biomaterialien für medizinische Anwendungen ist bekannt. Wenn diese Materialien in direkten Kontakt mit Blut kommen, z. B. als Stents, Gefäßprothesen, Katheter, Dialysemembranen, künstliche Herzklappen oder Herzen oder als chirurgisches Nahtmaterial, tritt das Problem der Thrombusbildung auf. Es ist auch bekannt, daß durch die Immobilisierung von biologisch aktiven Substanzen (Biomoleküle) auf der Oberfläche die Hämokompatibilität verbessert werden kann. EP 0519087 und DE-OS 42 16 878 beschreiben Verfahren zur Erzeugung einer funktionalisierten Polymerschicht auf medizinischen Gegenständen. In der EP 0519087 wird darüber hinaus vorgeschlagen, derartige funktionalisierte Plasmaschichten zur Immobiliserung biologisch aktiver Substanzen verwendet werden können. Die Plasmapolymerisation ist jedoch nur bedingt zum Aufbringen einer Zwischenschicht im Hinblick auf eine nachfolgende biologische Beschichtung geeignet. Die Reaktionen, die im Plasma ablaufen, sind sehr komplex und daher weder vollständig verstanden noch vorhersehbar. Neben der erwünschten Beschichtung mit dem Polymer kommt es zur Oxidation der Oberfläche und zur Vernetzung oder zum Abbau von Polymerketten. Das führt zu einer topologischen und chemischen Inhomogenität der Oberfläche. Weiterhin kommt es zu einer Zerstörung, Umbildung und unvorhersehbaren Neubildung von funktionellen Gruppen. Insgesamt kann dies unter anderem dazu führen, daß funktionelle Gruppen nur in begrenztem Umfang gebildet werden und damit für eine kovalente Immobilisierung von bioaktiven Substanzen zu wenig funktionelle Gruppen vorliegen können. Weiterhin kann die Plasmapolymerisation von einer Inkorporation von Monomeren begleitet sein, die häufig toxische Wirkung besitzen, was beim Einsatz derart erzeugter Polymere im biologischen System als gravierender Nachteil zu werten ist.

In der EP 0679373 wird beschrieben, daß durch die Beschichtung von Metallstents mit Polychlor-para-xylylen, Polydichlor-para-xylylen bzw. Poly-para-xylylen ein antithrombogener Effekt erreichbar ist. Dabei wird die Metalloberfläche der Stents durch eine passive Inertschicht bedeckt, was die Wechselwirkungen des Blutes mit dem medizinischen Gegenstand in einem gewissen Rahmen minimieren kann. Bei einem derartigen Konzept wird die Aktivierung der Körperabwehr zwar in Kauf genommen, soll jedoch möglichst gering gehalten werden. Derartige Beschichtungen sind allerdings nicht zu einer aktiven und positiven Interaktion der Oberfläche mit dem Organismus durch die Anbindung von bioaktiven Substanzen geeignet. Dies beinhaltet eine prinzipielle Limitierung dieses Verfahrens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, daß es den gezielten Aufbau einer funktionalisierten Polymerschicht gestattet, die wohl definiert ist im Hinblick auf Anzahl, Verteilung und Art der funktionellen Gruppen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur (1) im wesentlichen Monomere in der Gasphase erzeugt und diese anschließend durch Abkühlung bei reduzierter Temperatur polymerisiert werden, mit:

Je nach den verwendeten Ausgangsverbindungen liegen die zur Herstellung der Monomere benötigten Temperaturen bzw. Drücke zwischen 500 und 1000°C und kleiner 500 Pa.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mit funktionalisierten Polymeren läßt sich im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine erhöhte Konzentration an funktionellen Gruppen in genau definiertem und einstellbarem Verhältnis auf der Oberfläche darstellen, die zu einer Immobilisierung von bioaktiven Substanzen genutzt werden können. Da bei dem schonenden Beschichtungsverfahren Nebenreaktionen nur in untergeordnetem Maße stattfinden, gelingt es, eine homogene und wohl definierte Polymeroberfläche zu erzeugen. Desweiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise durch Wahl geeigneter Monomere die gezielte Darstellung verschiedener funktioneller Gruppen nebeneinander. Dies erweist sich vor allem im Hinblick auf eine gleichzeitige Immobilisierung verschiedener bioaktiver Substanzen als vorteilhaft, da die unterschiedlichen funktionelle Gruppen selektiv zur Immobilisierung aktiviert werden können.

Desweiteren ist das vorgeschlagene Verfahren dazu geeignet, bei zu beschichtenden Gegenständen, die aus verschiedenen Materialien bestehen, eine homogene Oberfläche zu schaffen.

Weiterhin hat sich gezeigt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten funktionalisierten Oberflächen im Gegensatz zu den durch Plasmaprozesse erzeugten Oberflächen auch ohne weitere Reinigung keine Zytotoxizität zeigen. Dies ist im Falle des erfindungsgemäßen Verfahren eine Folge der definierten chemischen Prozesse, die dazu führen, daß die zu Verfügung stehenden Ausgangsverbindungen praktisch vollständig eingebaut werden. Auch werden als Folge der schonenden Abscheidung bei Temperaturen z. B. unter 120°C keine Kettenfragmentierungsreaktionen, wie sie in Plasmaprozessen ablaufen, beobachtet. Ein besonderes Merkmal der Erfindung wird deutlich, wenn man medizinische Gegenstände mit einer anspruchsvollen geometrischen Form, wie z. B. Stents oder Herzklappen, beschichten will. Die erfindungsgemäß hergestellte funktionalisierte Oberfläche zeichnet sich nämlich durch eine bemerkenswerte Homogenität, Formexaktheit und Spaltgängigkeit aus. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, daß sie in diesen Belangen herkömmlichen Plasmabeschichtungen eindeutig überlegen ist.

Es hat sich gezeigt, daß sich aus Dimeren der allgemeinen Struktur (1), die bei Temperaturen zwischen 600 und 900°C und Drücken kleiner 150 Pa zu Monomeren gespalten werden und anschließend bei Temperaturen kleiner 120°C polymerisiert werden, eine besonders wirksame funktionalisierte Polymeroberfläche erzeugt werden kann. An diese derart erzeugte Oberfläche lassen sich nunmehr direkt oder durch weitere Aktivierung bioaktive Substanzen, wie z. B. Heparin, Heparansulfat, Cumarinderivate, Hirudin, Hiruloge, Wachstumsfaktoren, Cytokine, Zellrezeptoren, nichtpeptidische Thrombininhibitoren, Fibronectin, Kollagene, Albumin, Urokinase, Prourokinase, Plasmin, Prostaglandine, Streptokinase oder zellproliferationsverändernde Substanzen, anbinden. Die Beschichtung ist erfindungsgemäß auf Gegenstände unterschiedlicher Beschaffenheit anwendbar, wie z. B. Metall, Polymer, Keramik, Glas.

Außerdem besteht die Möglichkeit zur weiteren immobilisierenden biologischen Beschichtung der derart funktionalisierten Polymerschicht Spacersysteme, wie z. B. Diisocyante, Dicarbonsäurechloride, EDC [1-(3-Dimethylaminopropyl)-3- ethylcarbodiimidhydrochlorid] oder DDC [1,2-Dicyclohexylcarbodiimid] zu verwenden. Unter einem Spacersystem ist dabei ein Molekül zu verstehen, das zu einer chemischen Verknüpfung zwischen der Polymeroberfläche und der bioaktiven Substanz geeignet ist. Die Anbindung der Spacer erfolgt über funktionelle Gruppen, z. B. Hydroxy-, Amino- oder Carboxylgruppen der Polymeroberfläche bzw. der bioaktiven Substanz.

Desweiteren kann die Funktionalisierung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Polymeroberfläche durch anschließende Plasmaätzung mit Gasplasmen, wie z. B. Sauerstoff-, Wasser-, Ammoniak-, Argon-, Schwefeldioxid-, Stickstoffplasma oder Mischungen davon, ergänzt bzw. weiter optimiert werden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung von Schwefeldioxidplasma auch ohne Immobilisierung von bioaktiven Substanzen eine beträchtliche Verbesserung der Hämokompatibilität im Vergleich zu den unbeschichteten Gegenständen erfolgt. Diese Verfahrensweise ist daher gerade im Hinblick auf die Beschichtung von extrakorporalen und/oder intrakorporalen Gegenständen, die nur für einen Kurzzeitkontakt mit Blut vorgesehen sind, von besonderem Interesse.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Erzeugung der funktionalisierten Polymerschicht Monomere der Struktur (2) und/oder (3) mit den Monomeren aus den Ausgangsverbindungen der Strukturen (1) zu co-polymerisieren. Auch derartige Co-Polymere erweisen sich als zur Immobilisierung von bioaktiven Substanzen geeignet. Sie liefern weiterhin die Möglichkeit, Topologie, Konsistenz und mechanische Eigenschaften der Oberfläche in einem breiten Rahmen zu variieren und den jeweiligen Anforderungen anzupassen.

R_n: Wasserstoffatome, Halogenatome, Alkylgruppen bzw. substituierte Alkylgruppen, Arylgruppen bzw. substituierte Arylgruppen, organische Reste oder Radikale Gruppen der allgemeinen Struktur CO(O-M-A) (mit M: aliphatische oder aromatische Gruppen und A: z. B. Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino-, Carboxylgruppen), metallierte Gruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Säurehalogenidgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Isocyanatgruppen, schwefelhaltige Gruppen (z. B. Sulfonsäure-, Thioether-, Schwefelsäuregruppen), stickstoffhaltige Gruppen (z. B. Nitril-, Amid-, Nitro-, Nitrosamingruppen), phosphorhaltige Gruppen (z. B. Phosphorsäureester-, Phosphonatgruppen), siliziumhaltige Gruppen (z. B. Silyl-, Silyloxygruppen)

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann es sich zudem als vorteilhaft erweisen, durch Plasmabehandlung mit Gasplasmen, wie z. B. Kohlenwasserstoff-, Schwefeldioxid-, Sauerstoff-, Wasser-, Ammoniak-, Argon-, Stickstoffplasma oder Mischungen davon, eine Voraktivierung der Oberfläche der zu behandelnden medizinischen Gegenstände durchzuführen. Auf diese Weise läßt sich die Haftung der funktionalisierten Polymerschicht auf dem zu behandelnden Gegenstand verbessern.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgenden Ausführungsbeispiele:

Beispiel 1

Zur Beschichtung einer Edelstahlplatte wird das Dimere [2,2]-Hydroxymethyl paracyclophan bei 650°C und 30 Pa gespalten und anschließend durch Abkühlung auf etwa 40°C auf der Edelstahlplatte abgeschieden. Die nachfolgende immobilisierende biologische Beschichtung der Oberfläche erfolgt mit Heparin, das unter Verwendung von Hexamethylendiisocyanat als Spacer an die Oberfläche gebunden wird. Die beschichtete Metallplatte wird dazu in eine etherische Hexamethylendiisocyanat- Lösung 12 h bei Raumtemperatur inkubiert und anschließend mit Ether extrahiert. Dann wird die Probe für 24 h mit einer Heparin-Lösung bei 4°C versetzt.

Beispiel 2

Zur Beschichtung einer Polyethylenplatte wird das Dimere [2,2]-Diamino paracyclophan bei 700°C und 30 Pa gespalten und anschließend durch Abkühlung auf etwa 60°C auf der Edelstahlplatte abgeschieden. Die nachfolgende immobilisierende biologische Beschichtung der Oberfläche erfolgt mit Fibronectin, das unter Verwendung von Hexamethylendiisocyanat als Spacer an die Oberfläche gebunden wird. Die Bedingungen der Kopplung entsprechen denen in Beispiel 1.

Beispiel 3

Zur Beschichtung einer Edelstahlplatte wird das Dimere [2,2]-Dichlor-paracyclophan bei 680°C und 30 Pa gespalten und anschließend durch Abkühlung auf etwa 90°C auf der Edelstahlplatte abgeschieden. Die so erzeugte Oberfläche wird durch anschließende Schwefeldioxidplasmabehandlung 10 s, 30 s, 180 s und 360 s modifiziert. Die Bewertung der so erhaltenen Oberflächen erfolgt durch Untersuchung der in vitro-Hämokompatibilität im Citratplasma durch Bestimmung der aktivierten partiellen Thromboplastinzeit (aPTT) und der partiellen Thropmboplastinzeit (PTT) sowie durch ELISA-Studien (Enzyme Linked Immunoabsorbant Assay) der Fibrinogenadsorption aus wäßriger Lösung und wird im folgenden dargestellt.

Abb. 1: Relative aPTT und PTT nach Exposition von Citratplasma mit einer unbehandelten und schwefeldioxidplasmamodifizierten Poly-2-chlor-p- xylylen-Oberflächen, alle Werte sind relativ zum Wert des Citratplasmas vor Exposition angegeben

Abb. 2: Relative Fibrinogenadsorption der schwefeldioxidplasmabehandelten Poly-2- chlor-p-xylylen-oberfläche in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer nach ELISA-Untersuchungen

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung antithrombogener Oberflächen auf extrakorporal und/ oder intrakorporal zu verwendenden medizinischen Gegenständen, wobei die Gegenstände zunächst mit einer funktionalisierten Polymerschicht und anschließend mit einer weiteren immobilisierenden biologischen Beschichtung versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Polymerschicht aus den Ausgangsverbindungen der allgemeinen Struktur (1) bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C und reduzierten Drücken kleiner 500 Pa im wesentlichen Monomere in der Gasphase erzeugt und diese anschließend durch Abkühlung bei reduzierter Temperatur polymerisiert werden, mit:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dimere der Struktur (1) bei Temperaturen zwischen 600 und 900°C und Drücken kleiner 100 Pa zu Monomeren gespalten werden, und die anschließende Polymerisation bei Temperaturen kleiner 120°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur biologischen Beschichtung der funktionalisierten Polymerschicht Spacersysteme vorgesehen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Polymerschicht vor oder anstelle der biologischen Beschichtung einer zusätzlichen Plasmabehandlung zur Erzeugung weiterer funktioneller Gruppen unterzogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Polymerschicht mit einem Schwefeldioxidplasma erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Polymerschicht vor der biologischen Beschichtung einer zusätzlichen Behandlung mit reaktiven Gasen zur Erzeugung weiterer funktioneller Gruppen unterzogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der funktionalisierten Polymerschicht Monomere der Struktur (2) oder (3) mit den Monomeren aus den Ausgangsverbindungen der Struktur (1) co- polymerisiert werden, mit:
R_n: Wasserstoffatome, Halogenatome, Alkylgruppen bzw. substituierte Alkylgruppen, Arylgruppen bzw. substituierte Arylgruppen, organische Reste oder Radikale, Gruppen der allgemeinen Struktur CO(O-M-A) (mit M: aliphatische oder aromatische Gruppen und A: insbesondere Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino-, Carboxylgruppen), metallierte Gruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, Carbonsäuregruppen, Säurehalogenidgruppen, Estergruppen, Ethergruppen, Isocyanatgruppen, schwefelhaltige Gruppen (insbesondere Sulfonsäure-, Thioether-, Schwefelsäuregruppen), stickstoffhaltige Gruppen (insbesondere Nitril-, Amid-, Nitro-, Nitrosamingruppen), phosphorhaltige Gruppen (insbesondere Phosphorsäureester-, Phosphonatgruppen), siliziumhaltige Gruppen (insbesondere Silyl-, Silyloxygruppen)

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der zu behandelnden Gegenstände durch Behandlung mit einem Gasplasma voraktiviert wird.