DE60105532T2

DE60105532T2 - Expandiertes Polytetrafluoroethylen für medizinische Anwendungen

Info

Publication number: DE60105532T2
Application number: DE60105532T
Authority: DE
Inventors: Valentin Kramer; Bruce G. Ruefer
Original assignee: Ruefer Bruce G Bozeman
Current assignee: Ruefer Bruce G Bozeman
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: US20070152367A1; EP1214951B1; JP2002200102A; DE10061936A1; EP1214951A1; US20020076542A1; DE60105532D1; ES2225389T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein zusammengesetzte Produkte, die aus expandierten Polytetrafluoroethylen („ePTFE")-Materialien hergestellt sind, insbesondere ein zusammengesetztes Produkt, das aus mehreren Polytetrafluoroethylen(„PTFE")-Komponenten mit unterschiedlichen Expansionseigenschaften besteht, so dass unterschiedliche ePTFE-Strukturen vorliegen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
DE 690 03 879 beschreibt ein poröses, zumindest uniaxial verstrecktes PTFE-Material mit einem Gemisch aus einem PTFE hohen Molekulargewichts von 2 Millionen oder mehr und einem PTFE niedrigen Molekulargewichts von 1 Million oder weniger. Die Porengrößen des PTFE-Materials können durch Änderung des Mischungsverhältnisses des PFTEs hohen Molekulargewichts und des PTFEs niedrigen Molekulargewichts variiert werden. Das PTFE-Material kann verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise die einer Folie, einer Platte oder eines Würfels. Ferner kann das PTFE-Material auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise als Membranfilter mit niedrigem Druckverlust, als Diaphragma, als schmierendes Gleitmittel und als Binde- bzw. Klebemittel.
Im Stand der Technik sind viele ähnlich gestaltete ePTFE-Schläuche, die als Ader-Prothesen („vascular grafts") dienen, bekannt. Diese Konstruktionen reichen von relativ einfachen, uniaxial expandierten ePTFE-Prothesen, die mit unterschiedlichen Durchgangsdurchmessern (W.L. Gore & Associates, Flagstaff, Arizona) und Längen hergestellt werden, bis hin zu komplexeren Konstruktionen aus uniaxial expandiertem ePTFE-Schläuchen, die durch Ringkomplexe aus fluoriniertem Ethylene-Propylen („FEP") oder ePTFE-Film hergestellt sind (W.L. Gore & Associates, Flagstaff, Arizona).
Darüber hinaus finden sich in der Patentliteratur doppelwandige ePTFE-Prothesen, die als „Rohr im Rohr" aufgebaut sind (US-Patent 5,935,667). Die meisten dieser Prothesen sind so gestaltet, dass sie eine gleichförmige Struktur von Fasern und Knoten mit Poren von etwa 30 Mikron haben. Diese Porengröße wird allgemein als vorteilhaft hinsichtlich Blutkontakt und Blutsteuerung angesehen und macht die Prothese auch hinreichend fest.
US-5,843,171 beschreibt Ader-Prothesen aus porösem, expandiertem PTFE mit Bereichen unterschiedlicher Mikrostruktur, d.h. unterschiedliche Bereiche haben unterschiedliche mittlere Faserlängen. Sie beschreibt weiter dass für die kleinen Faserbereiche ein Mittelwert von etwa 4μm und für die großen Faserbereiche ein Mittelwert von etwa 17μm verwendet wird. Diese Ader-Prothesen werden in einem Verfahren, bei dem ein einziges PTFE-Material benutzt wird, hergestellt.
US-5,980,799 bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen poröser e-PTFE Produkte mit verschiedener Porengrößenverteilung. Durch Variieren des Grades und der Art des Schmiermittels und der Dehnungsbedingungen eines einzigen PTFE-Materials werden schlauchartige Produkte erhalten. Diese schlauchartigen Produkte haben große Poren in den inneren und äußeren Wänden und einen Barriere-Bereich mit kleineren Porengrößen zwischen beiden Oberflächen. Solche Strukturen finden Verwendung als Adernimplantate.
US-4,822,361 bezieht sich auf eine schlauchförmige e-PTFE-Prothese mit einer durchschnittlichen Faserlänge, die auf der äußeren Oberfläche größer ist als auf der inneren Oberfläche. Sie beschreibt weiterhin die Extrusion einer schlauchförmigen e-PTFE-Sruktur aus einem einzigen Kunststoffmaterial, wobei die resultierende Struktur eine mittlere Porengröße von 2μm auf der inneren Oberfläche und von 150μm auf der äußeren Oberfläche hat.
Zwar werden die bekannten ePTFE-Aderprothesen für die vorgesehenen Zwecke als funktionstüchtig beschrieben, jedoch sind beträchtliche und neuartige Verbesserungen hinsichtlich ihres Aufbaus erforderlich, um die bekannten Unzulänglichkeiten die ser Konstruktionen zu überwinden. Diese Unzulänglichkeiten betreffen insbesondere den erforderlichen Blutkontakt, die notwendige mechanische Stärke und die Porengrößenverteilung. Die hier beschriebene und in den Ansprüchen 1 und 9 festgelegte Erfindung erreicht dieses Ziel.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Produkt gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 bereit. Das Produkt hat eine neuartige Faser- und Knotenstruktur mit einer Porengrößenverteilung von zwei oder mehr unterschiedlichen Porengrößen. Die Porengrößenverteilung kleiner Poren, die zwischen größeren Poren den Raum einnehmen, um eine mosaikartige Porenstruktur zu schaffen, ist vorteilhaft als Blutkontaktierende Oberfläche, und dadurch stellt die Erfindung eine sehr nützliche Venenprothese, einen kardiovaskulären Patch, kardiovaskuläres Nahtmaterial, eine Stentabdeckung und vergleichbare medizinische Vorrichtungen und Mittel dar.
Die bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht aus einem ePTFE-Schlauch, der zwei oder mehr PTFE(Polytetrafuoroethylen)-Materialien aufweist, die in eine Matrix aus Fasern und Knoten gemischt, gestreckt und gesintert oder geformt sind. Der Schlauch ist so aufgebaut, dass er Poren innerhalb der Matrix aus Fasern und Knoten hat, die zwei oder mehr voneinander unterschiedliche Poren-Größenverteilungen aufweisen. Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann durch eine äußere Umwicklung aus einer fluorinierten Etylenpropylen(FEP)-Faser, die als doppel-wendelförmige Struktur ausgebildet ist, verstärkt sein. Die Vorteile der bevorzugten Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung.
Gemäß der Erfindung werden zwei unterschiedliche Gruppen von Poren im ePTFE (epandiertes Polytetrafuoroethylen) bereitgestellt. Eine erste Gruppe besteht aus Poren mit Größen im Bereich von 2 Mikron bis 15 Mikron, vorzugsweise im Bereich von 3 Mikron bis 8 Mikron, besonders bevorzugt im Bereich von 4 Mikron bis 6 Mikron, insbesondere etwa 5 Mikron. Eine zweite Gruppe besteht aus Poren mit Größen im Bereich von 20 Mikron bis 50 Mikron, vorzugsweise im Bereich von 25 bis 40 Mikron, besonders bevorzugt im Bereich von 25 bis 35 Mikron, insbesondere etwa 30 Mikron.
Die vorstehend erwähnten zumindest zwei unterschiedlichen Gruppen von Poren sind vorzugsweise statisch (zufällig) im Material des ePTFE-Schlauches verteilt. Die kleineren Poren befinden sich in und zwischen den größeren Poren, entsprechend einer statistischen (zufälligen) Verteilung von Poren.
Bezüglich der Anzahl von Poren kleinerer Größe im Verhältnis zur Anzahl von Poren größerer Größe offenbart die Erfindung hinsichtlich des zuvor erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiels mit zumindest zwei unterschiedlichen Gruppen von Poren ein Verhältnis der Anzahl von Poren pro Volumeneinheit von expandiertem PTFE der ersten Gruppe und der Anzahl von Poren pro Volumeneinheit von expandiertem PTFE der zweiten Gruppe, wobei das genannte Verhältnis ausgewählt ist im Bereich von 0,2 bis 5, vorzugsweise 0,4 bis 3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,6. bis 2; insbesondere kann das Verhältnis einen Wert von 1 ± 0,2 haben.
Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Gruppen hat sich als besonders geeignet zur Lösung des oben genannten Problems erwiesen.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in unterschiedlichen Formen und Größen, wie z.B. als Schlauch mit oder ohne die Verstärkungsumwicklung, oder als Platte bzw. Blatt oder als verstärkte Platte bzw. verstärktes Blatt ausgestaltet sein.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine zweidimensionale Darstellung eines ePTFE-Schlauchs mit einer äußeren Verstärkungsumwicklung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine zweidimensionale Darstellung der neuartigen bi-porösen Mosaikstruktur des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3 ist ein Elektronenstrahl-Abtastbild (SEM), 500-fach, der bi-porösen Mosaikstruktur des ePTFE.
4 ist ein Elektronenstrahl-Abtstbild (SEM), 100-fach, der neuartigen bi-porösen Mosaikstruktur des ePTFE des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 illustriert eine zweidimensionale Gesamtansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels, die den neuartigen ePTFE-Schlauch 1 mit einer den Schlauch festigenden Fadenumwicklung 2 aus FEP zeigt.
2 zeigt eine zweidimensionale Nah-Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, die zwei unterschiedliche Porengrößenverteilungen zeigt. Die größeren Poren 3 ergeben sich als eine Verteilung innerhalb der Struktur und werden gebildet durch lange Faserstrukturen 4, die zwischen großen Knotenstrukturen 5 aus festen PTFE verlaufen. Die kleinen Poren 6 ergeben sich als eine Verteilung innerhalb der größeren Poren 3 und werden gebildet durch kurze Faserstrukturen 7, die zwischen kleinen Knotenstrukturen 8 aus festem PTFE und anderen kleinen Knotenstrukturen aus festem PTFE oder, wie in 2 gezeigt, den großen Knotenstrukturen 5 aus festem PTFE, verlaufen. Die Porengruppen mit kleineren Porengrößen finden sich innerhalb der Gruppen mit größeren Porengrößen gemäß einer statistischen (zufälligen) Verteilung, so dass sie eine biporöse Mosaik-Gesamtstruktur bilden. Gemäß 2 zeigt ein Querschnitt durch das Material erste Flächen der Verteilung der kleineren Porengrößen und zweite Flächen, die von den Flächen mit der kleineren Porengröße verschieden sind, wobei die zweiten Flächen größer sind, entsprechend der Verteilung der größeren Porengrößen. Das Verhältnis der ersten und zweiten Flächen (jeweils gemessen in μm²) wird vorzugsweise im Bereich von 1:5 bis 1:1 gewählt.
3 ist eine mit einem abtastenden Elektronenstrahl erzeugte Mikrodarstellung (SEM) der neuartigen Struktur gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 500-facher Vergrößerung. Das SEM-Bild zeigt die beiden unterschiedlichen Porengrößenverteilungen, die eine mosaikartige Porenstruktur mit beträchtlichen Vorteilen bildet.
4 ist eine mit einem abtastenden Elektronenstrahl erzeugte Mikrodarstellung (SEM) der neuartigen Struktur gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 100-facher Vergrößerung. Das SEM-Bild zeigt deutlicher die zwei unterschiedlichen Porengrößenverteilungen, die eine mosaikartige Porenstruktur mit beträchtlichen Vorteilen bildet.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird wie folgt hergestellt: Zwei PTFE-Materialien werden gemäß den folgenden Eigenschaften ausgewählt: (1) Ein Material, das so expandiert, dass sich eine Verteilung von Poren mit relativ geringer Größe von etwa 5 Mikron ergibt. (2) Ein Material, das so expandiert, dass sich eine Verteilung von Poren mit relativ großer Größe von etwa 30 Mikron ergibt. Die Materialien werden homogen im Verhältnis von etwa 1:1 gemischt und dann mit einem Gleitmittel versetzt. Die sich ergebende Paste wird unter mittlerem Druck in einer Pelletiervorrichtung zu Vorpresslingen (Puppen) geformt. Die Vorpresslinge werden zur Schlauchform extrudiert. Der sich ergebende, extrudierte PTFE-Schlauch wird dann unter Wärmeeinwirkung expandiert, so dass sich die ePTFE-Struktur ergibt. Der so erzeugte ePTFE-Schlauch wird mit einer äußeren FEP-Fadenumwicklung, die in der Art einer Doppel-Helix umläuft, verstärkt. Der verstärkte Schlauch wird wärmebehandelt, um den FEP-Faden mit dem Umfang des ePTFE-Schlauchs zu verschmelzen.
Beim oben allgemein beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Verhältnis von 1:1 der beiden Materialien in bestimmten Bereichen variiert werden; vorzugsweise kann das Gewichtsverhältnis im Bereich von 0.5:1 bis 2:1, besonders be vorzugt im Bereich von 0.75:1 bis 1.25:1 variiert werden. Auch können die Materialien so gewählt werden, dass andere Porengrößen erzeugt werden, wobei die besonders bevorzugten Bereiche oben angegeben sind.
Die so erhaltenen ePTFE-Schläuche haben folgende Eigenschaften: Die Innenwand und Oberfläche des ePTFE-Schlauchs zeigt eine mosaikartige, bi-poröse Struktur aus Fasern und Knoten. Die neuartige bi-poröse, mosaikartige Struktur des ePTFE-Schlauchs zeigt zwei unterschiedliche Porengrößenverteilungen, die statistisch (zufällig) im Material verteilt und ineinander geschachtelt sind.
BEISPIEL I:
Zwei Polytetrafuoroethylen(PTFE)-Materialien werden entsprechend ihrer Ausdehnungseigenschaften wie folgt ausgewählt:

(1) Ein Material mit hohem Molekulargewicht (etwa 3 Millionen Dalton) wird für die Erzeugung von kleinen Porengrößen von etwa 5 Mikron ausgewählt.
(2) Ein Material mit niedrigem Molekulargewicht (etwa 1 Million Dalton) wird für die Erzeugung von größeren Porengrößen von etwa 30 Mikron ausgewählt. Die Materialien werden abgewogen, um ein Gewichtsverhältnis von etwa 50/50 zu erhalten und gleichzeitig mit einem Gleitmittel versetzt, bis sie mit diesem wirksam durchmischt und beschichtet sind. Die sich so ergebende Paste wird dann, wie üblich, mittels einer Vorpresslinge herstellenden Vorrichtung, einem sogenannten Pelletizer, in die Form eines Vorpresslings gebracht. Der Vorpressling wird dann auf etwa 35°C erwärmt und in einen Pastenextruder eingegeben. Durch Drücken der PTFE-Masse durch eine Form unter hohem Druck wird ein PTFE-Schlauch gebildet. Der Schlauch wird dann etwa beim Schmelzpunkt des PTFE von etwa 350°C in linearer Weise expandiert. Der so erzeugte expandierte PTFE(ePTFE)-Schlauch wird dann auf unterschiedliche Längen geschnitten. Die Schläuche werden mit einer wendelförmigen Umwicklung aus FEP verstärkt, indem ein passgenaues Edelstahlrohr in den ePTFE-Schlauch eingeschoben und sodann der FEP-Faden um den ePTFE-Schlauch gewi ckelt wird. Die FEP-Umwicklung wird am darunterliegenden ePTFE-Schlauch befestigt indem die gesamte Anordnung in einem Ofen bis zum oder bis nahe an den Schmelpunkt des FEP erhitzt wird.

Die so erhaltenen ePTFE-Schläuche werden untersucht und zeigen die folgenden Charakteristika:

(1) Eine Struktur aus Fasern und Knoten, die zwei unterschiedliche Porengrößenverteilungen enthält, wobei die eine in die andere geschachtelt ist, und
(2) Die Schläuche sind hochgradig flexibel und haben sehre gute Anti-Knickeigenschaften, wenn sie um 180° gebogen werden.

Claims

Produkt aus expandiertem PTFE, das aus der Gruppe bestehend aus einer Aderprothese, einem kardiovaskulären Patch, kardiovaskilärem Nahtmaterial oder einer Stentabdeckung gewählt wurde, wobei das Produkt aus expandiertem PTFE eine Faser- und Knotenstruktur hat, die zwei oder mehr unterschiedliche Porengrößenverteilungen aufweist, wobei die eine Verteilung in der anderen verschachtelt ist und eine Porengrößenverteilung kleinere Porengrößen aufweist als die andere Porengrößenverteilung und die Poren der kleineren Porengrößenverteilung innerhalb der Poren der größeren Porengrößenverteilung statisch (zufällig) verteilt sind, wobei die kleineren Porengrößen im Bereich von 2 bis 15 Mikron und die Poren der größeren Porengrößenverteilung im Bereich von 20 bis 50 Mikron liegen.
Produkt gemäß Anspruch 1, bei dem die kleineren Porengrößen im Bereich von 3 bis 8 Mikron und die Poren der größeren Porengrößenverteilung im Bereich von 25 bis 40 Mikron liegen.
Produkt gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die kleineren Größen im Bereich von 4 bis 6 Mikron und die größere Porengrößenverteilung im Bereich von 25 bis 35 Mikron liegen.
Produkt gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die kleineren Porengrößen etwa 5 Mikron und die Poren für die größere Porengrößenverteilung bei etwa 30 Mikron betragen.
Produkt gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in Rohrform.
Produkt gemäß Anspruch 5, in verstärkter Rohrform.
Produkt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, in Platten- oder Blattform.
Produkt gemäß Anspruch 7, bei dem die Platte bzw. das Blatt verstärkt ist.
Verfahren zum Herstellen von einer Aderprothese, einem kardiovaskulären Patch, kardiovaskilärem Nahtmaterial oder einer Stentabdeckung aus expandiertem PTFE, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Auswählen eines ersten PTFE-Materials, das so expandiert, dass sich eine Porengrößenverteilung mit relativ kleinen Poren ergibt, wobei die kleine Porengröße im Bereich von 2 bis 15 Mikron liegt; – Auswählen eines zweiten PTFE-Materials, das so expandiert, dass sich eine Porengrößenverteilung mit relativ großen Poren ergibt, wobei die große Porengröße im Bereich von 20 bis 50 Mikron liegt; – homogenes Mischen der ersten und zweiten Materialien und gegebenenfalls weiterer Materialien und Vermischen derselben mit einem Gleitmittel derart, dass nach dem Expandieren die Poren der kleineren Porengrößenverteilung statisch (zufällig) innerhalb der Poren der größeren Porengrößenverteilung verteilt sind; – Formen der so erhaltenen Mischung in Barren; – Extrudieren der Barren zu Rohr- oder Platten- bzw. Blattform und – Expandieren des extrudierten PTFE-Röhrchens oder der Platte bzw. des Blattes und Erhitzen derselben.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die kleine Porengröße im Bereich von 3 bis 8 Mikron und die große Porengröße im Bereich von 25 bis 40 Mikron liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die kleine Porengröße im Bereich von 4 bis 6 Mikron und die große Porengröße im Bereich von 25 bis 35 Mikron liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die kleine Porengröße bei etwa 5 Mikron und die große Porengröße bei etwa 30 Mikron liegt.