DE69632568T2

DE69632568T2 - Intramuskuläre Stimulationsleitung mit verstärkten Abwehreigenschaften gegen Infektionen

Info

Publication number: DE69632568T2
Application number: DE69632568T
Authority: DE
Inventors: Jean A. Woloszko; Marc Hendriks; Patrick T. Cahalan; Linda L. Cahalan; Michel L.P.M. Verhoeven; Antoine N.J. Camps
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: CA2189713A1; JP2828433B2; US5834051A; EP0778047A2; EP0778047A3; US5755758A; AU7057996A; CA2189713C; JPH09164212A; AU699268B2; EP0778047B1; DE69632568D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur elektrischen Muskelstimulierung für verschiedene Anwendungen und insbesondere eine Vorrichtung zur Verbesserung der Funktionsweise einer dauerhaft implantierten muskelstimulierenden Elektrosonde im Hinblick auf eine verbesserte Infektionsbeständigkeit. Die Erfindung betrifft speziell die Oberflächenbehandlung und den mechanischen Aufbau einer implantierbaren Elektrosonde, die zu einer kontrollierten Freisetzung eines antimikrobiellen Mittels führen.
Die Verwendung von Implantaten und medizinischen Vorrichtungen ist mittlerweile auf verschiedenen klinischen Gebieten weitgehend akzeptiert und hat während der letzten dreißig Jahre stark zugenommen. Die klinische Verwendung dieser meist künstlichen Vorrichtungen ist nicht vollständig komplikationsfrei. Die gegenwärtige klinische Erfahrung lehrt uns, dass eine Implantatinfektion sehr häufig irreversibel ist und die Entfernung des Implantats erforderlich macht. Die Häufigkeit der durch Implantate hervorgerufenen Infektionen beträgt etwa 1 bis 10% bei Patienten mit eingesetzten prothetischen Vorrichtungen und ist eine der häufigsten klinisch relevanten Komplikationen implantierter Materialien.
Lösungsvorschläge zur Verringerung der durch Implantate hervorgerufenen Infektionen konzentrierten sich anfänglich auf Verbesserungen der Operationsverfahren, wozu Modifikationen des Bereichs des Operationsraumes und die Verwendung prophylaktischer Antibiotika zum Zeitpunkt des operativen Eingriffs zählen.
Obwohl die Häufigkeit von Infektionen abnimmt, treten Infektionen im Zusammenhang mit Implantaten immer noch in signifikanter Weise auf. Die gegenwärtigen Bemühungen richten sich zunehmend auf die Rolle des Implantats selbst und demzufolge auf eine Modifizierung des Materials, um die Infektionsbeständigkeit der Vorrichtung zu verbessern.
Die meisten bekannten Verfahren bedienen sich der Freisetzung antimikrobieller Verbindungen aus dem Material, um die Infektionsbeständigkeit zu verbessern. Die Fähigkeit eines antimikrobiellen Substanzdepots, optimale Mengen des Mittels selektiv an die umgebenden Gewebe abzugeben, bietet eine Alternative zur herkömmlichen prophylaktischen antimikrobiellen Therapie bei der Minimierung postoperativer Infektionskomplikationen.
Die US-A-5,154,182 offenbart eine implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung, die einen elektrischen Leiter und eine biokompatible isolierende Schicht umfasst, wobei die isolierende Schicht mit einem therapeutischen Arzneimittel, wie einem antimikrobiellen oder antibakteriellen Mittel, beschichtet ist.
Während bei den meisten Lösungsansätzen das Substratmaterial mit einem antimikrobiellen Mittel imprägniert wurde, wird vorliegend ein Verfahren beschrieben, bei dem ein antimikrobielles Mittel aus einer Oberflächenpfropfmatrix kontrolliert freigesetzt wird. Ein derartiger Lösungsansatz verhindert den Verschleiß eines Substratmaterials auf ein Niveau, das die praktische Anwendung ausschließt.
Ein ähnliches Verfahren ist im US Patent 5,344,455 beschrieben, das auf Medtronic Inc. (Inhaber auch der vorliegenden Anmeldung) übertragen ist. Im Gegensatz zum vorliegend beschriebenen Verfahren wurde jedoch keine Kontrolle der Beladung mit dem antimikrobiellen Mittel und seiner Freisetzung gezeigt. Es wird vorliegend vorgeführt, dass die Kontrolle der Zusammensetzung der Oberflächenpfropfmatrix im Hinblick auf die Beladung mit dem antimikrobiellen Mittel und seine Freisetzung und daher im Hinblick auf die bakterizide Aktivität und die ausgelöste Cytotoxizität vorteilhaft sein kann. Daher stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung gegenüber dem des US Patent 5,344,455 dar.
Das vorliegende offenbarte Konzept bedient sich einer Oberflächenpfropfung mit einem Copolymer einer kontrollierten Copolymerzusammensetzung. Die Copolymeroberflächenpfropfung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie hundert Prozent des Wirkstoffs in einer Zeitspanne von 3 bis 6 Wochen freisetzt.
Obgleich die Erfindung im Allgemeinen auf die verbesserte Oberflächenbehandlung implantierbarer Gegenstände aller Art anwendbar ist, wird sie vorliegend mit besonderem Bezug auf implantierbare Elektrosonden und insbesondere auf Elektrosonden zur Muskelstimulierung beschrieben.
Während zahlreiche der bekannten neuromuskulären Stimulationsverfahren zur funktionellen Wiederherstellung von Bewegungen angewandt werden, sind auch andere Arten von Skelettmuskeln betroffen. Hierzu zählen sogar solche, die von einem Körperbereich in einen anderen transplantiert wurden, um die Funktionsweise eines Organs zu verbessern. Eine Form einer Muskelstimulationsvorrichtung ist im US Patent 4,735,295 (erteilt am 18. April 1988 an Juan C. Chachques et al. und auf Medtronic Inc. übertragen) beschrieben. In dem vorstehend genannten Patent ist eine große Gruppe verwandter US-Patentdokumente und anderer Literaturstellen angegeben, die einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik der Muskelstimulierung geben. Diese Literaturstelle gibt geeignete orientierende Information zur Ausübung der vorliegenden Erfindung.
Eine verbesserte Infektionsbeständigkeit ist besonders wichtig, wenn die elektrische Muskelstimulationsvorrichtung in einem Verfahren zur analchirurgischen dynamischen Myoplastie verwendet wird. Hierauf richtet sich der Erfindungsgegenstand in besonderer Weise. In der Vergangenheit betrug die Infektionsrate bei derartigen Verfahren etwa 20%, wobei die Hälfte davon in der Nähe oder in der intramuskulären Elektrosondenvorrichtung auftrat. Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte intramuskuläre Elektrosonde mit spezifischen Oberflächenbehandlungen, die sich in Implantatuntersuchungen als wirksam erwiesen, infektiöse Komplikationen durch Implantate zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung (30) mit elektrischen Leitmitteln (34), die eine Isolierung (37) aus biokompatiblem polymeren Isoliermaterial aufweisen, und einem Überzug auf der polymeren Isolierung, der ein antimikrobielles oder antibakterielles Mittel umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Überzug eine erste Komponente und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Pfropfcopolymerisat umfasst, das sich auf wenigstens einer Oberfläche des polymeren Isoliermaterials befindet und wobei die zweite Komponente ein antimikrobielles oder antibakterielles Mittel umfasst, das mit der ersten Komponente verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft in ihrer am meisten bevorzugten Ausführungsform eine Vorrichtung zur elektrischen Muskelstimulierung in zahlreichen verschiedenen Muskelimplantatorten, aber insbesondere zur Verwendung mit einem Gracilis oder Gluteus Muskelimplantat zur Korrektor der Stuhlinkontinenz oder der Harninkontinenz und insbesondere zur Verwendung mit einem Rektalmuskelimplantat bei Verfahren der analchirurgischen Myoplastie. Die Erfindung ist jedoch von allgemeiner Anwendbarkeit auf implantierbare Gegenstände.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird eine derartige Vorrichtung in einen ausgewählten Muskel implantiert, um eine Stimulierung dieses Muskels hervorzurufen. Ein außerhalb des sterilen Bereichs angeordneter Pulsgenerator liefert einen genau bemessenen elektrischen Strom an eine Elektrode, wodurch man von außerhalb des sterilen Bereichs eine Schwellenmessung durchführen kann, um die maximale Muskelreaktion auf den mittels der Elektrode an den ausgewählten Muskelbezirk abgegebenen Strom zu bestimmten. Dies liefert vergleichende Schwellenmessungen, um die optimale Position für eine dauerhaft implantierte Elektrode zu bestimmen. Man verwendet verschiedene Anordnungen, um die beste Implantatstelle einer muskelstimulierenden Elektrode zu bestimmen; diese sind ausführlich im US Patent 5,425,751 beschrieben. Sobald eine Implantatstelle ausgewählt ist, wird eine stimulierende Implantat-Arbeitselektrode an der vorbestimmten optimalen Stelle in das zu stimulierende Muskelgewebe eingeführt.
Die Bauart der Elektrosonde wahrt die Möglichkeit, die exponierte Elektrodenlänge einzustellen, wie im US Patent 4,735,205 beschrieben, unter Minimierung des Totraumvolumens, in dem sich eine Infektion entwickeln könnte.
Die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung bedient sich der Oberflächenpfropfung der Monomere Acrylsäure und Acrylamid in einem kontrollierten Verhältnis. Die Kontrolle der Copolymerzusammensetzung ist für eine kontrollierte Beladung und Freisetzung positiv geladener Wirkstoffe, wie dem antimikrobiellen Mittel Gentamycin, erforderlich; letzteres ist der bevorzugte Wirkstoff für die beschriebene Vorrichtungsanwendung. Die kontrollierte Beladung und Freisetzung hat sich bei in vitro und in vivo Tests im Hinblick auf die Cytotoxizität und antibakterielle Aktivität als von erheblicher Bedeutung gezeigt. Die Copolymeroberflächenpfropfung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie einhundert Prozent Wirkstoff in einer Zeitspanne von 3 bis 6 Wochen nach Implantation freisetzt. Die Gentamycinbeladung wird durch ionische Wechselwirkung der negativ geladenen Copolymerpfropfung mit dem positiv geladenen Wirkstoff erreicht. Das Gentamycinfreisetzungsprofil wird hauptsächlich durch die physikalische Konfiguration der Oberflächenpfropfmatrix bestimmt. Ionenaustausch ist der Mechanismus, durch den das Gentamycin freigesetzt wird.
Wie bereits erwähnt, ist der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Infektionsbeständigkeit implantierbarer Gegenstände, wozu implantierbare Arbeitselektrodenvorrichtungen zur Stimulierung zählen, indem man bestimmte Oberflächenbehandlungen vorsieht, die die Infektionsbeständigkeit verbessern.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer intramuskulären Elektrosone, die von der vorliegenden Erfindung Gebrauch machen kann.
2 ist ein schematischer Querschnitt der Elektrosonde nach 1, wobei die Fixierscheibe und der Verriegelungsmechanismus der Elektrodenwendel im Anschlussabschnitt angeordnet sind.
3a und 3b zeigen schematisch das Prinzip eines Verriegelungsmechanismus mit Metallringen (3a verriegelt/3b unverriegelt).
4 ist eine graphische Auftragung, die die Gentamycinbeladung in Abhängigkeit vom pH zeigt.
5 ist eine graphische Auftragung, die die Gentamycinbeladung in Abhängigkeit von der Copolymerzusammensetzung zeigt.
6 ist eine graphische Auftragung, die die Gentamicinfreisetzung aus einer anionischen Oberflächenpropfmatrix zeigt.
7 ist eine graphische Auftragung, die die bakterizide Aktivität in vitro in Abhängigkeit von der Copolymerzusammensetzung zeigt.
8 ist eine graphische Auftragung, die die in vitro Cytotoxizität in Abhängigkeit von der Copolymerzusammensetzung zeigt.
9 ist ein repräsentatives schematisches Modell klinisch verwendeter Elektrosonden.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Im US Patent 4,735,205 ist eine typische intramuskuläre Elektrosondenvorrichtung, die bisweilen als Vorrichtung zur elektrischen Muskelstimulierung bezeichnet wird, in den Spalten 7 und 8 zur elektrischen Stimulierung eines Muskels offenbart. Die 4 des Patents ist im Wesentlichen zumindest teilweise als 1 der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben, die zusammen mit den anderen Figuren die nötige Hintergrundinformation und eine veranschaulichende Vorrichtung liefert, um die erfindungsgemäße Verbesserung zu beschreiben.
Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung, die hergerichtet ist für den Anschluss an einen Impulsgenerator. Sie umfasst eine intramuskuläre Elektrosonde, die in ihrer Allgemeinheit als Bezugszeichen 30 bezeichnet ist und eine chirurgische Nadel 32 (lediglich in 1 gezeigt) umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie durch den zu implantierenden Muskel gezogen wird, eine nicht leitende Schnur 33, eine Elektrode 34, eine Elektrodenspitze 35, einen Sondenkörper 36 und einen Anschluss 38. Die Elektrode 35 wird in einen Muskel implantiert, indem man sie mit der nichtleitenden Schnur 33, die mit der chirurgischen Nadel 32 verbunden ist, in den Muskel zieht, wobei die Nadel vom Chirurg in an sich bekannter Weise durch den Muskel eingeführt wird. Der Anschluss 38 ist so hergerichtet, dass man ihn an einen der Ausgänge des Pulsgenerators anschließen kann, nachdem die Elektrode 35 an einer geeigneten Stelle in das Muskelgewebe (nicht dargestellt) implantiert ist.
Die in den 1 und 2 gezeigte Elektrode 34 umfasst eine Länge eines zur Wendel gewickelten Drahtleiters 34 (am besten in 2 ersichtlich), der sich zwischen dem distalen Ende der Elektrodenspitze und dem Anschluss 38 erstreckt. Der zur Wendel gewickelte Drahtleiter des Elektrodenkörpers 34 kann aus Platin- Iridium oder anderen Elektrodenmaterialien bestehen. Der Leiter ist durch einen isolierenden Schlauch oder Abdeckung 37 isoliert, die sich von der Ankerscheibe 46 bis hinter zum Anschluss 38 erstreckt.
Vor dem Implantieren der Elektrode in den Muskel wird die Elektrodenoberfläche vollständig bloßgelegt, indem man die Elektrodenwendel 34 aus dem Sondenkörper herausschiebt, indem man an der Schnur 33 zieht und die Fixierscheibe 46 festhält. Die Elektrode ist vollständig bloßgelegt, wenn der Begrenzer 45 den Anschlussstift 47 (2) berührt. Zuerst wird die Wendel 34 gelöst, indem man den Anschlussstift 47 (2) im Gegenuhrzeigersinn dreht. Nach dem Platzieren der Elektrodenspitze 35 im Muskel werden die Nadel 32 und die Länge der Schnur 33 am distalen Ende der Wendel 34 abgetrennt. Alternativ kann eine Länge der Schnur 33 dazu verwendet werden, die Elektrode durch Festbinden oder Klammern am Muskel zu fixieren. Die Elektrodenlänge wird eingestellt, indem man die Elektrodenwendel am Ende des Anschlusses 38 festhält und den Anschluss 38 schiebt, bis die Fixierscheibe 46 im Kontakt mit dem Muskelepimysium ist. Die Wendel 34 wird wieder verriegelt, indem man die Anschlussspitze 47 im Uhrzeigersinn dreht. Die Elektrosonde wird mit der am häufigsten verwendeten exponierten Elektrodenlänge (25 mm für dynamische Gracilisplastik) geliefert, daher wird bei den meisten Implantaten keine Elektrodenanpassung erforderlich sein. Die Scheibe 46 kann dann am Muskel mit Wundnähten oder Klammern vernäht werden. Die Scheibe 46 weist Dichtringe 48 (2) auf, um freien Flüssigkeitsaustausch zwischen dem inneren Sondenkörperhohlraum und Körperflüssigkeiten zu verhindern; dies minimiert die Blutmenge, die während des Implantatvorgangs durch Kapillarität in den Sondenkörper eindringt, und damit die mögliche Kontamination der Elektrosonde. Außerdem erreicht das von der Beschichtung im Lumen des Sondenkörpers freigesetzte Antibiotikum eine hohe bakterizide Konzentration, die die Entwicklung etwaiger Bakterien im Inneren des Lumens der Elektrosonde verhindert.
Es gibt verschiedene Anordnungen, die man dazu verwenden kann, die Position der Elektrodenwendel 34 im Sondenanschluss zu fixieren, zum Beispiel:
Verwendung eines Stellschraubenanschlusses (nicht dargestellt), um die Elektrodenwendel am Elektrosondenanschluss zu befestigen. Bei dieser Anschlusstechnik ist der Elektrosondenanschluss eher groß und sperrig, was einen Nachteil darstellt.
Verwendung eines in den 3a und 3b gezeigten Metallring-(scheiben) Anschlusses. Innerhalb des Elektrosondenanschlusses sind mehrere Fixierscheiben 49 angeordnet. Innerhalb dieser Scheiben kann sich die Elektrodenwendel 34 in longitudinaler Richtung frei bewegen. Durch Umkippen der Scheiben unter Anwendung der durch die Pfeile angezeigten lateralen Kräfte um einige Grad wird die Wendel verriegelt (3a). Die unverriegelte Position ist in 3b dargestellt. Die Elektrodenwendel kann an den Elektrosondenanschluss fixiert werden, indem man den Anschlussstift 47 in umgekehrter Richtung gegen den Elektrosondenanschluss dreht, wobei sich der Stift entlang eines Schraubenkopfmechanismus in longitudinaler Richtung bewegt und die Wendel festzieht. Diese Bewegung zwingt die Scheiben zur Rotation, was zu einer mechanischen und elektrischen Verriegelung führt. Sobald die Elektrodenwendellänge eingestellt ist, kann der verbliebene Elektrodenabschnitt mit einer Schere entfernt werden. Der vollständige Aufbau ist hinreichend klein, so dass er im Inneren des Elektrosondenanschlusses angeordnet werden kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung der Vorrichtung ersichtlich ist, besteht sie aus verschiedenen Elementen, die im Allgemeinen koaxial in Bezug aufeinander angeordnet sind, wobei die Elemente innere und äußere Oberflächen aufweisen, die erfindungsgemäß zur Verbesserung der Infektionsbeständigkeit behandelt sind. Zum Beispiel werden der Elektrosondenkörper und die Fixierscheibe an ihren inneren und äußeren Oberflächen erfindungsgemäß beschichtet. Andere Teile der Elektrosonden, wie die nichtleitende Schnur 33 oder die isolierten Teile des Anschlusses 38 können ebenfalls behandelt sein.
Die Oberflächenbehandlung bedient sich kovalent gepfropfter Acrylsäure und ihrer Copolymere. Insbesondere bedient sie sich der Verwendung kontrollierter Copolymerverhältnisse, die für eine kontrollierte Beladung und Freisetzung von Wirkstoffen erforderlich sind. Ein bevorzugter Wirkstoff für die vorliegende Elektrodenanwendlung ist ein positiv geladenes Antibiotikum wie Gentamycin. In vivo und in vitro Versuche haben gezeigt, dass die Kontrolle der Beladung und Freisetzung im Hinblick auf die Cytotoxzität wichtig ist. Hundert Prozent des Wirkstoffs werden vorzugsweise in einer Spanne von vier Wochen nach der Implantation der Elektrosonde oder anderen implantierbaren Vorrichtung freigesetzt. Die Beschichtung wird vorzugsweise sowohl auf die inneren als auch äußeren Oberflächen der Gleithülle des Elektrosondenkörpers und der Fixierscheibe aufgebracht.
Die nachstehend genauer beschriebene Oberflächenbehandlung oder -beschichtung stellt ein Verfahren zur kontrollierbaren Beladung – nicht lediglich durch ionische Assoziierung – eines antimikrobiellen Mittels in eine Pfropfmatrix und in gleicher Weise zur kontrollierbaren Freisetzung des Wirkstoffs dar.
Es können vorliegend andere polymere Substrate verwendet werden; sie werden im Allgemeinen als polymere Substrate oder Artikel mit einer polymeren Oberfläche bezeichnet. Derartige Materialien sind im Übrigen biologisch inerte polymere Materialien.
Oberflächenbehandlung oder -beschichtung
Die Erfindung richtet sich auf die Bereitstellung implantierbarer Gegenstände und insbesondere einer Vorrichtung zur elektrischen Muskelstimulierung mit einer Oberflächenbehandlung, die deren Infektionsbeständigkeit verbessert.
Die entwickelte Technologie bedient sich der kovalenten Oberflächenpfropfung eines wasserlöslichen Polymers auf ein Substratmaterial. Die Oberflächenpfropfung wird vorzugsweise nach dem Cer(IV)-ionen-Verfahren initiiert, das im US Patent 5,229,172 (übertragen auf Medtronic Inc.) offenbart ist. Obgleich die Cer(IV)-ionen-Initiierung das am meisten bevorzugte Verfahren zur Pfropfung von Monomeren an Substratoberflächen ist, können andere Pfropftechniken ersichtlich ebenso verwendet werden. Bekannte Beispiele andere Initiierungsverfahren umfassen die Koronaentladung, UV-Bestrahlung und ionisierende Strahlung.
Obgleich im Kontext der vorliegenden Erfindung Polyetherurethan das bevorzugte polymere Substrat ist, kann es sich beim Substratmaterial um eine beliebige polymere Oberfläche handeln, wie Polyurethan oder eines der bekannten inerten biokompatiblen Polymermaterialien, wozu Polyamide, Polycarbonate, Polyether, Polyester, Polyolefine, Polystyrol, Polyurethan, Polyvenylchloride, Silikone, Polyethylene, Polypropylene, Polyisoprene und Polytetrafluorethylene zählen.
Eine Copolymerpfropfung von Acrylsäure (AA) und Acrylamid (AAM), woran der antimikrobielle Wirkstoff Gentamycin ionisch gebunden ist, ist die bevorzugte Ausführungsform im Kontext der vorliegenden Erfindung. Die Copolymerpfropfung von Acrylsäure und Acrylamid hat eine kontrollierte Zusammensetzung, um eine kontrollierte Beladung und Freisetzung des antimikrobiellen Wirkstoffs Gentamycin sicherzustellen. Die Copolymerpfropfung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass hundert Prozent des Wirkstoffs Gentamycin in einer Zeitspanne von 3 bis 6 Wochen nach der Implantation freigesetzt werden.
Obgleich Acrylsäure und Acrylamid die bevorzugten Monomere sind, aus denen die Copolymeroberflächenpfropfung besteht, kann das Oberflächenpfropfpolymer aus anderen Vinyl-funktionellen Monomeren zusammengesetzt sein, wie z. B. N-(3-Aminopropyl)methacrylamid (APMA), 2-Hydroxyethylmethylacrylat (HEMA), 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS) und Copolymere davon.
Das erlangte hydrophile Pfropfpolymer bildet demzufolge die Matrix, in die ein geladener antimikrobieller Wirkstoff ionisch gebunden sein kann. Das Pfropfpolymer enthält Seitengruppen mit einer ionischen Ladung und das antimikrobielle Mittel weist eine zu den Pfropfpolymerseitengruppe entgegengesetzte ionische Ladung auf. Ionische Bindung antimikrobieller Mittel wird durch einfaches Eintauchen des oberflächengepfropften Materials in eine Lösung des gewünschten antimikrobiellen Mittels mit kontrolliertem pH erreicht.
Das Oberflächenpfropfpolymer wird durch Pfropfpolymerisation dauerhaft kovalent an das Substrat gebunden. Die Pfropfpolymere sind, ihrerseits einer ionischen Bindung mit verschiedenen antimikrobiellen Mitteln zugänglich, die auf Grund ihrer ionischen Beschaffenheit ausgewählt sind, wenn man sie geeignet auswählt, damit sie eine von der des antimikrobiellen Mittels verschiedene Ladung aufweisen. Die ionische Bindung des antimikrobiellen Mittels an das Pfropfpolymer kann durch einfaches Eintauchen des oberflächengepfropften Polymers in eine Lösung des gewünschten antimikrobiellen Mittels mit kontrolliertem pH erreicht werden.
Speziell können erfindungsgemäß eine Reihe von Pfropfbeschichtungen verwendet werden. Die am meisten bevorzugte besteht aus Monomeren, die mittels Cer(IV)-ionen-Initiierung auf die Substratoberfläche gepfropft sind. Man kann sowohl Monomere mit kationischen als auch anionischen Seitengruppen pfropfen. Ein Beispiel für erstere sind N-(3-Aminopropyl)methacrylat (APMA) und Copolymere davon, während ein vorzügliches Beispiel für letztere Acrylsäure (AA) und Copolymere davon sind. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass durch chemische Umwandlungen kationische Oberflächenpfropfungen chemisch in anionische Oberflächenpfropfungen und anionische Oberflächenpfropfungen chemisch in kationische Oberflächenpfropfungen umgewandelt werden können. Diese geladenen Oberflächenpfropfmatrices sind ihrerseits zur ionischen Bindung geladener antimikrobieller Mittel geeignet. Die Kontrolle der Oberflächenpfropfpolymerzusammensetzung gestattet eine Kontrolle der Beladung und Freisetzung des antimikrobiellen Mittels.
Beispiele kationischer antimikrobieller Mittel, mit denen negativ beladene Oberflächen beladen werden können, sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt. Ersichtlich ist die Tabelle nicht vollständig und zahlreiche andere kationisch antimikrobielle Mittel können aufgenommen werden.
Beispiele anionischer antimikrobieller Mittel, mit denen positiv geladene Oberflächen beladen werden können, sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt. Ersichtlich ist die nachstehende Tabelle nicht vollständig und es können andere anionische antimikrobielle Mittel aufgenommen werden.
Gepfropfte Polymere können außerdem einer kovalenten Bindung antimikrobieller Mittel zugänglich sein, wenn sie über eine funktionelle chemische Gruppe verfügen, die zur kovalenten Bindung antimikrobieller Mittel geeignet ist. Die kovalente Bindung antimikrobieller Mittel darf die bakterizide Aktivität der antimikrobiellen Mittel nicht beeinträchtigen oder in den Wirkungsmechanismus der antimikrobiellen Mittel eingreifen. Da die meisten antimikrobiellen Mittel bakterizide Aktivität bei der Aufnahme durch die Bakterienzelle zeigen, kann es sein, dass die kovalente Bindung die Wirksamkeit des antimikrobiellen Mittels stark verringert, wenn nicht sogar vollständig hemmt. Man kann jedoch eine Gruppe antimikrobieller Mittel unterscheiden, die Bakterien auf Grund ihres Effekts auf die Permeabilität der Zellmembran töten. Die kovalente Bindung dieser antimikrobiellen Mittel kann geeignet sein für die Entwicklung von Gegenständen mit verbesserter Infektionsbeständigkeit. Beispiele für die letztere Gruppe antimikrobieller Mittel sind Polymyxin B, Colistin, Gramicidin A.
1. Cer(IV)-ionen-initiierte Oberflächenpropfcopolymerisation
Pellethan 55D^®-Extrusionsfolien wurden vor der Cer(IV)-ionen-initiierten Oberflächenpfropfung mittels Ultraschall 15 Minuten in IPA gereinigt. Die FT-IR-Untersuchung zeigte, dass eine 15 minütige IPA-Behandlung ausreicht, um alle Oberflächenkontaminationen zu entfernen, die von Prozesshilfsstoffen, wie Bis-Stearamidwachsen, stammen und die den Pfropfprozess beeinträchtigen können. Unmittelbar nach der IPA-Reinigung wurden die Proben in einem Umluftofen etwa 5 Minuten bei etwa 50–60°C getrocknet. In der Zwischenzeit stellte man eine wässrige Pfropflösung her, die 40 Gew.-% Gesamtmonomerkonzentration aufwies und Acylsäure- und Acrylamidmonomer in unterschiedlichen Monomerverhältnissen, 6 mM Cer(IV)-ammoniumnitrat (CAN) und 0,06 M Salpetersäure (HNO₃) enthielt. Vor der Pfropfung wurde die Pfropflösung durch Anlegen verminderten Drucks (2400 Pa ± 666 Pa (18 mm Hg ± 5 mm Hg)) maximal 2 Minuten entlüftet.
Man stellte gepfropfte Proben (10 × 1 cm Streifen) her, indem man die gereinigten und getrockneten Proben in ein geeignetes Volumen Pfropflösung legte. Man ließ die Pfropfung 15 bis 20 Minuten bei 30°C unter Rühren der Lösung ablaufen.
Nach der Pfropfung wurden die Proben in entionisiertem Wasser gespült, um den Propfprozess zu unterbrechen sowie die gebildete Oberflächenpfropfmatrix zu reinigen. Eine gründliche Reinigung der gepfropften Proben erfolgte in einer phosphatgepufferten Salzlösung (PBS) pH = 7,4 bei 50–60°C über 16 bis 18 Stunden. Daten zur Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) offenbarten, dass die Oberflächenpfropfcopolymerzusammensetzung gut mit dem eingesetzten Monomerverhältnis übereinstimmte.
2. Gentamycinbeladung anionischer Oberflächenpfropfungen aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer
Man pfropfte 55D Pellethan^®-Proben wie vorstehend beschrieben. Anschließend wurden die oberflächengepfropften Proben wenigstens 30 Minuten in eine wässrige 0,01 M 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure-(MES) Pufferlösung, pH = 6,0, eingetaucht. Man tauchte die oberflächengepfropften Proben dann in eine 0,01 M wässrige MES-Pufferlösung von Gentamycinsulfat, pH 6,0 ein. Die gepufferte Gentamycinsulfatlösungen enthielten üblicherweise 0,5 mg/ml Gentamycinbase. Das Eintauchen der Proben dauerte üblicherweise 30 Minuten. Man verwendete üblicherweise ein Volumen-Oberflächenverhältnis von 2 : 1 (ml : cm²) für den Vorgang der Gentamycinbeladung. Nach beendetem Tauchvorgang entfernte man die Proben, spülte 5–10 Sekunden in entionisiertem Wasser, ließ die Proben trocknen und verwahrte sie.
3. Quantitative Analyse des Gentamycins in wässrigen Lösungen
Die Gentamycin-haltigen wässrigen Lösungen – Standards sowie Proben – wurden mittels eines Assays mit 2,4,6-Trinitrobenzolsulfonsäure (TNBS) analysiert. Die Gentamycin-haltigen Lösungen wurden durch Zugabe von 0,1 M Borat auf pH = 9 eingestellt, worauf man 25 μl 0,03 M wässrige TNBS pro ml Probenlösung zugab. Man ließ die TNBS-Derivatisierungsreaktion 25–30 Minuten bei Raumtemperatur ablaufen, worauf man die UV-Extinktion bei 415 nm bestimmte, wobei 595 nm als Bezugswellenlänge verwendet wurde.
4. Quantitative Analyse von Gentamycin in anionischen Oberflächenpropfungen aus Acrylsäure und Acrylamidmonomer
55D Pellethan^®-Proben wurden oberflächengepfropft und mit Gentamycin beladen wir vorstehend beschrieben. Anschließend wurden die zur Beladung der oberflächengepfropften Proben verwendeten Gentamycinlösungen durch den TNBS-Assay auf ihren Gentamycingehalt analysiert. Die Differenz im Gentamycingehalt vor und nach der Probenbehandlung wurde bestimmt und als Maß für die beladene Menge Gentamycin verwendet. Die beladene Gentamycinmenge wurde üblicherweise als μg/cm² ausgedrückt.
5. Einfluss des pH auf die Gentamycinbeladung anionischer Oberflächenpropfungen aus Acrylsäuremonomer
55D Pellethan^®-Proben wurden mit Acrylsäuremonomer oberflächengepfropft, wie vorstehend beschrieben. Man stellte Gentamycin-Vorratslösungen her, die bei verschiedenen pH-Werten gepuffert waren. Die Lösungen enthielten üblicherweise 0,01 M des gewünschten Puffers. Der pH-Bereich reichte von pH = 2 bis pH = 9. Nach dem Eintauchen der oberflächengepfropften Proben in die entsprechenden gepufferten Lösungen ohne Gentamycin wurden die oberflächengepfropften Proben mit Gentamycin beladen und die beladene Gentamycinmenge wurde bestimmt, wie vorstehend beschrieben.
Man stellte fest, dass die Gentamycinbeladung durch den pH gesteuert werden konnte, wie in 4 dargestellt ist. Der optimale pH-Bereich für die Gentamycinbeladung reicht von pH = 6 bis pH = 8.
6. Einfluss der Zeit auf die Gentamycinbeladung anionischer Oberflächenpfropfungen aus Acrylsäuremonomer
55D Pellethan^®-Proben wurden mit Acrylsäuremonomer oberflächengepfropft, wie vorstehend beschrieben. Die Gentamycinbeladung erfolgte wie vorstehend erörtert, wobei jedoch die Eintauchzeit variiert wurde. Die Gentamycinbeladung der anionischen Oberflächenpfropfmatrix wurde bestimmt, wie vorstehend beschrieben.
Die Gentamycinbeladung zeigte in den ersten 15 Minuten ein lineares Profil mit einer Geschwindigkeit, die etwa 9,5 μg/cm^–2 min^–1 betrug. Danach verringerte sich die Geschwindigkeit der Gentamycinbeladung und das Beladungsprofil wurde assymptotisch. Zwischen 20 und 30 Minuten war die weitere Gentamycinbeladung vernachlässigbar.
7. Einfluss der Vernetzungsdichte der Oberflächenpfropfmatrix auf die Gentamycinfreisetzung anionischer Oberflächenpfropfungen aus Acrylsäuremonomer
55D Pellethan^®-Proben wurden mit Acrylsäuremonomer oberflächengepfropft, wie vorstehend beschrieben, wobei man jedoch während der Oberflächenpfropfcopolymerisation Methylen-bis-acrylamid als Vernetzungsmittel zugab. Die oberflächengepfropften Proben wurden mit Gentamycin beladen und die beladene Gentamycinmenge wurde bestimmt. wie vorstehend beschrieben.
Die Gentamycinfreisetzung erfolgte durch Eintauchen der Gentamycin-beladenen Proben in Phosphat-gepufferte Salzlösung (PBS) bei 37°C; üblicherweise verwendete man ein Volumen-Oberflächenverhältnis von 1 : 1 (ml : cm²) während des ganzen Versuchs. Zu gewünschten Zeitpunkten wurden die Proben aus der Lösung gezogen und in frische PBS getaucht. Man analysierte Lösungsproben mit den TNBS-Assay auf ihren Gentamycingehalt.
Man konnte zeigen, dass mit zunehmender Vernetzungsdichte die Gentamycinfreisetzung langsamer wird. Die Beobachtung stimmt mit der Erwartung überein. Da jedoch die nicht vernetzte Pfropfung innerhalb der gewünschten 6-wöchigen Zeit spanne hundert Prozent ihres Gentamycins nicht vollständig freisetzte, musste ein anderer Aufbau der Oberflächenpfropfmatrix entwickelt werden, um das gewünschte Gentamycinfreisetzungsprofil zu erzielen, das heißt hundert Prozent Gentamycinfreisetzung innerhalb einer Spanne von 3 bis 6 Wochen.
8. Einfluss der Ladungsdichte einer Oberflächenpfropfmatrix auf die Gentamycinbeladung anionischer Oberflächenpfropfungen aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer
Man führte die Cer(IV)-ionen-initiierte Oberflächenpfropfung durch, wie vorstehend beschrieben. Die Ladungsdichte der Oberflächenpfropfmatrix wurde durch Variation des Monomerverhältnisses der Monomere Acrylsäure und Acrylamid variiert. Während Acrylsäure eine anionische Seitengruppe enthält, enthält Acrylamid eine neutrale Seitengruppe. Die Variation des Monomerverhältnisses gestattet daher die Herstellung von Oberflächenpfropfungen mit unterschiedlicher Ladungsdichte. Anschließend wurden die oberflächengepfropften Proben mit Gentamycin beladen und die beladene Gentamycinmenge wurde bestimmt, wie vorstehend beschrieben.
Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Mit zunehmendem Acrylamidanteil der Oberflächenpfropfmatrix nimmt die Gentamycinbeladung ab. Diese Ergebnisse waren zu erwarten und zeigen wiederum, dass die ionische Wechselwirkung zwischen dem kationischen antimikrobiellen Mittel Gentamycin und der anionischen Oberflächenpfropfmatrix die Triebkraft für die Wirkstoffimmobilisierung ist.
9. Einfluss der Ladungsdichte einer Oberflächenpfropfmatrix auf die Gentamycinfreisetzung anionischen Oberflächenpfropfungen aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer
Oberflächengepfropfte 55D Pellethan^®-Proben mit verschiedenen Ladungsdichten wurden hergestellt und mit Gentamycin beladen, wie vorstehend beschrieben. Die Gentamycinfreisetzung erfolgte durch Eintauchen der mit Gentamycin beladenen Proben in Phosphat-gepufferte Salzlösung (PBS) bei 37°C; üblicherweise verwendet man ein Volumen-Oberflächenverhältnis von 1 : 1 (ml : cm²) während des gesamten Versuchs. Zu gewünschten Zeitpunkten wurden die Proben aus der Lösung entnommen und in frische PBS getaucht. Lösungsproben wurden mittels des TNBS-Assay auf ihren Gentamycingehalt analysiert.
Aus 6 kann man schließen, dass die Variation des Monomerverhältnisses der Monomere Acrylsäure und Acrylamid das bevorzugte „Werkzeug" zur Manipulation des Gentamycinfreisetzungsprofils ist, damit das gewünschte Freisetzungsprofil erreicht wird. Die bevorzugte Oberflächenpfropfmatrix besteht aus einem Acrylsäure/Acrylamid-Copolymer, das einen Acrylsäureanteil von 50–75% enthält. Vorzugsweise liegt der Acrylsäureanteil im Bereich von 65–75%.
10. Untersuchung der antibakeriellen Aktivität in vitro von Gentamycin-beladenen Proben mit unterschiedlicher Ladungsdichte
Oberflächengepfropfte 55D Pellethan^®-Proben mit unterschiedlicher Ladungsdichte wurden hergestellt und mit Gentamycin beladen, wie vorstehend beschrieben. Die antibakterielle Aktivität wurde mittels eines Inhibitionszonentests bestimmt. Man säte eine Isosensitest^®-Agarplatte mit Bakterien aus, wofür üblicherweise eine Suspension von ±10⁴ Staph. aureus/ml Salzlösung verwendet wurde. Anschließend wurden die Testmaterialien aufgelegt (8 mm Scheiben); üblicherweise wurde Genta-neosensitab^® (Rosco Diagnostica, Taastrup, Dänemark), eine Gentamycin-beladene Tablette als Positivkontrolle verwendet. Oberflächengepfropfte Proben ohne Gentamycin wurden als Negativkontrollen verwendet. Anschließend inkubierte man die Agarplatte über Nacht bei 37°C. Am nächsten Tag wurde die Platte aus dem Inkubator entnommen und die bakterienfreie Zone um jede Probe bestimmt. Die Bereiche des Bakterienwachstums und der Inhibierung sind visuell erkennbar. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in 7 dargestellt. Man kann schließen, dass eine verminderte Gentamycinbeladung in Folge eines erhöhten Acrylamidanteils durch eine schnellere Freisetzung kompensiert wurde und als solche keinen größeren Einfluss auf die bakterielle Aktivität hatte.
11. Untersuchung der in vitro Cytotoxizität Gentamycin-beladener Proben mit unterschiedlicher Ladungsdichte
Es ist bekannt, dass Gentamycin bei Anwendung in zu großen Mengen toxisch sein kann. Die Untersuchung, ob die entwickelten oberflächengepfropften Proben auf Grund der Gentamycinfreisetzung cytotoxische Eigenschaften zeigen, ist daher von besonderer Wichtigkeit.
Oberflächengepfropfte 55D Pellethan^®-Proben mit unterschiedlicher Ladungsdichte wurde hergestellt und mit Gentamycin beladen, wie vorstehend beschrieben. Die Cytotoxizität wurde nach dem Verfahren von Van Luyn et al. (Biomaterials, 1992, 13(5): 267–75) bestimmt. Kurz gefasst, lässt man bei diesem Verfahren das Testmaterial 7 Tage auf eine Methylcellulose-Kultur humaner Fibroblasten einwirken. Dieses Testverfahren soll empfindlicher sein als die etablierten Testverfahren.
Die Ergebnisse sind in 8 dargestellt. Der Test bestätigt die Toxizität von Gentamycin. Man stellte eine dosisabhängige Reaktion fest, die das Erfordernis einer speziell hergerichteten Oberflächenpfropfmatrix unterstreicht, die die Freisetzungsgeschwindigkeit von Gentamycin kontrolliert und demzufolge die Manifestation cytotoxischer Ereignisse verhindert.
Die in den Beispielen 9 bis 11 beschriebenen Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit der Steuerung der Copolymerzusammensetzung der Oberflächenpfropfmatrix. Die bevorzugte Copolymerpfropfzusammensetzung ist so ausgelegt, dass sie eine angemessenes Gleichgewicht zwischen Freisetzungsgeschwindigkeit, bakterizider Aktivität und Biokompatibilität (keine Cytotoxizität) aufweist.
12. Untersuchung der in vivo-Gebrauchseigenschaften – vergleichende Tierimplantatuntersuchung
Zusammenfassende Beschreibung der Implantatuntersuchung
Man verwendete Polyurethan-Elektrosondenproben mit einer Länge von ±5 cm (siehe 9) als repräsentatives Modell für klinisch verwendete implantierbare Elektrosonden und als solche wurden identische Materialien in der Herstellung verwendet.
9 zeigt eine klinisch verwendete Elektrosonde, die in ihrer Allgemeinheit mit 50 bezeichnet ist. Die Sonde umfasst einen verjüngten Polyurethanschlauch 52 und 54, einen Platin-Iridium-Wendel 56, einen blauen Polypropylendraht 58 und einen Polyurethanklebstoff 60. Die Abmessungen der Leitung sind ebenfalls in der Figur dargestellt.
Man stellte oberflächenbehandelte implantierbare Elektrosondenproben her, indem man die inneren und äußeren Polyurethanoberflächen mit einer Copolymeroberflächenpfropfung beschichtete, die aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer hergestellt war. Die Copolymeroberflächenpfropfung wies ein Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerverhältnis von 3 : 1 auf, das heißt die Acrylsäurefraktion war 75%. Die Oberflächenpfropfmatrix wurde durch ein Tauchverfahren mit Gentamycin beladen (siehe zum Beispiel Beispiel 2).
Die Elektrosondenproben wurden in Ratten implantiert. Zum Zeitpunkt der Implantation fand eine Bakterienbeimpfung statt. In einer vergleichenden Untersuchung wurden die in vivo Gebrauchseigenschaften dieser Elektrosondenproben mit denen von Kontroll-Elektrosondenproben, die mit einer wässrigen Lösung von Gentamycinsulfat gefüllt waren, und Elektrosondenproben, die mit einem benachbarten Gentamycin-beladenen Kollagenschwamm implantiert wurden, verglichen.
Beschreibung des Tiermodells
Man betäubte etwa 3 Monate alte männliche AlbinoOxford (AO)-Ratten mit Ether. An der Seite des rasierten und desinfizierten Rückens der Ratte machte man einen Schnitt von ±1 cm in die Haut und erzeugte parallel zum Rückrat eine subkutane Tasche. Dann führte man die Spritze mit der Elektrosondenprobe in die subkutane Tasche und schob die Elektrosondenprobe aus der Spritze während man letztere herauszog. Auf diese Weise wurde die Elektrosondenprobe aseptisch mit dem Blaudrahtende an der Schnittstelle eingesetzt. Vor dem Schließen der subkutanen Tasche wurde mit Bakterien provoziert, indem man 10 μl einer etwa 2 × 10^–7 Staph. aureus enthaltenden Bakteriensuspension injizierte. Anschließend wurde die Haut mit einer chirurgischen Naht verschlossen. Pro Ratte wurden zwei Elektrosondenproben auf jeder Seite des Rückens subkutan implantiert.
Die Elektrosondenproben wurden am Tag 1, Tag 2, Tag 5, Tag 10, Woche 3 und Woche 6 nach Implantation der Leitungsprobe explantiert.
Das Implantat und die Implantatstelle wurden bezüglich lebensfähiger Bakterien untersucht, indem man einen Baumwolltupfer über die gewünschte Stelle bewegte, anschließend wurde der Baumwolltupfer mit Blut-Agarplatten kontaktiert. Man inkubierte die Blutagarplatten 18 Stunden bei 37°C, worauf man die gebildeten Bakterienkolonien zählte. Die Implantatstelle wurde sowohl makooskopisch als auch mikroskopisch untersucht. Alle Implantate wurden vorsichtig vom umgebenden Gewebe getrennt. Üblicherweise wurden die explantierten Proben durch Eintauchen in Glutaraldehyd fixiert, in gradierten Alkoholen dehydratisiert und in Glycol mit Acrylat eingebettet. Semidünne Schnitte (2 μm) für die lichtmikroskopischen Untersuchungen wurde routinemäßig mit Toluidinblau gefärbt.
Ergebnisse
Wie erörtert, untersuchte man die explantierten Proben hinsichtlich ihrer Bakterienzähler und der Histologie der Gewebereaktion. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen zusammengefasst.
Erläuterung der Abkürzungen (siehe auch 9)

o: außerhalb der Gewebeverkapselung
c: Gewebekapsel
p: Polyurethan
e: Elektrode/Blaudraht
a: Abszess

Die Ergebnisse zeigen die überlegenen Gebrauchseigenschaften der oberflächenbehandelten Elektrosondenproben beim Bekämpfen der infektiösen Provokation. Die zusammengefassten Ergebnisse in den folgenden Tabellen zeigen, dass sie nicht nur in der vollständigen Abtötung der angeimpften Bakterien am wirksamsten waren, sondern dass sie auch eine bessere Gewebereaktion hervorriefen. Letzteres ist von besonderer Wichtigkeit, da eine unzureichende Gewebeerneuerung und Heilung vermutlich das Auftreten (sekundärer) infektiöser Komplikationen erleichtert.
13. Untersuchung am vollständigen Vorrichtungsimplantat – Anwendung der Technik auf die Elektrosonde Medtronic Modell 4300
Zusammenfassende Beschreibung der Implantantuntersuchung
Oberflächenbehandelte leitfähige Elektrosonden (Medtronic Lead 4300) wurden in Kaninchen implantiert und bezüglich ihrer Wirksamkeit in Vergleich mit Kontrollen untersucht. Zum Zeitpunkt der Implantation erfolgte eine Bakterienbeimpfung. Die Explantante wurde bezüglich der Bakterienzähler und der Histologie der Gewebereaktion untersucht.
Man stellte oberflächenbehandelte leitfähige Elektrosonden her, indem man die inneren und äußeren Polyurethanoberflächen mit einer Copolymeroberflächenpfropfung beschichtete, die aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer hergestellt war. Die Copolymeroberflächenpfropfung wies ein Acrylsäure/Acrylamid-Copolymerverhältnis von 3 : 1 auf, das heißt der Acrylsäureanteil betrug 75%. Die Oberflächenpfropfmatrix wurde durch ein Tauchverfahren mit Gentamycin beladen (bezüglich der Beschreibung siehe Beispiel 2).
Beschreibung des Tiermodells
Die Elektroden wurden in den M. gracilis implantiert wobei man die kleine Fixieröse an den M. gracilis nähte. Die Befestigungshülse aus Silikonkautschuk wurde mit einem Teil des Blaudrahts um die Elektrode fixiert. Die Sonde wurde unter der Haut des Bauches und der Seite(n) durchgeschoben, wobei das Anschlussende an die Subkutis genäht wurde. Die Elektrode wurde in einer Schlinge unter die Haut der Leiste gelegt, um die Elektrodenlänge unterzubringen.
Nahe der kleinen Fixieröse wurden Bakterien angeimpft, indem man 10 μl einer ± 3 × 10⁷ Staph. aureus enthaltenden Bakteriensuspension injizierte. Die Bakterienanimpfung erfolgte zum Zeitpunkt der Implantation. Man explantierte die Elektroden am Tag 4, Woche 3½ und Woche 10 nach Implantation der Elektroden. Das Implantat und die Implantatstelle wurde bezüglich lebensfähiger Bakterien untersucht, indem man einen Baumwolltupfer über die gewünschte Stelle bewegte; anschließend wurde der Baumwolltupfer mit Blutagarplatten kontaktiert. Man inkubierte die Blutagarplatten 18 Stunden bei 37°C, worauf man die gebildeten Bakterienkolonien auszählte.
Die Implantatstelle wurde sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch untersucht. Alle Implantate wurden vorsichtig vom umgebenden Gewebe getrennt. Die explantierten Proben wurden üblicherweise durch Eintauchen in Glutaraldehyd fixiert, in gradierten Alkoholen entwässert und in Glycolmethacrylat eingebettet. Semidünne Schnitte (2 μm) für die lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden routinemäßig mit Toluidin blau gefärbt.
Ergebnisse
Die explantierten Elektroden wurden hinsichtlich der Bakterienzähler und Histologie der Gewebereaktion untersucht. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen zusammengefasst.
Die Ergebnisse zeigen die überlegenen Gebrauchseigenschaften der oberflächenbehandelten Elektroden bei der Bekämpfung der infektiösen Provokation. Während die Kontrollelektroden selbst 10 Wochen nach der Implantation in hohem Maße infiziert waren, zeigten die modifizierten Elektroden eine stille nichtinfektiöse Reaktion und eine sehr gute Gewebeeinbindung. Wie vorstehend erörtert, ist letzteres von besonderer Wichtigkeit, da eine unzureichende Gewebeerneuerung und Heilung das Auftreten (sekundärer) infektiöser Komplikation erleichtert.
Zusammenfassung
In ihrer am meisten bevorzugten Form wurde die Technologie der Oberflächenmodifizierung zur kontrollierten Gentamycinfreisetzung aus einer aus Acrylsäure- und Acrylamidmonomer gebildeten anionischen Oberflächenpfropfmatrix entwickelt. Das Konzept bedient sich einer Copolymeroberflächenpfropfung mit einer kontrollierten Copolymerzusammensetzung, die hundert Prozent des Wirkstoffs in einer Zeitspanne von 3 bis 6 Wochen freisetzt.
Anhand umfangreicher in vitro-Untersuchung ist die Bedeutung der Kontrolle der Oberflächenpfropfmatrixzusammensetzung in Bezug auf die Gentamycinbeladung und -freisetzung und insbesondere im Hinblick auf die Freisetzungsgeschwindigkeit, bakteriziden Aktivität und Biokompatibilität gezeigt worden. In in vivo-Versuchen ist die Wirksamkeit der Technologie bei der Bekämpfung infektiöser Komplikationen gezeigt worden. Außerdem ist beobachtet und gezeigt worden, dass die Oberflächenpfropfung eine günstige Gewebereaktion hervorruft.
Die bevorzugte Oberflächenpfropfmatrix besteht aus einem Acrylsäure/Acrylamid-Copolymer, das einen Acrylsäureanteil von 50–75% enthält. Vorzugsweise liegt der Acrylsäureanteil im Bereich von 65–75%. Obgleich im Prinzip alle (Poly)kationischen Wirkstoffe in diese Oberflächenpfropfmatrix geladen werden können, ist der am meisten bevorzugte Wirkstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung das antimikrobielle Mittel Gentamycin.
Die polymere Oberfläche des Gegenstands oder der Gegenstand an sich kann ein Polyurethan wie ein Polyetherurethan oder ein beliebiges der bekannten inerten biokompatiblen Polymermaterialien sein, wozu Polyamide, Polycarbonate, Polyether, Polyester, Polyolefine, Polystyrol, Polyurethan, Polyvinylchloride, Silikone, Polyethylene, Polypropylene, Polyisoprene und Polytetrafluorethylene zählen. Polyurethan ist gegenwärtig das bevorzugte polymere Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Offenbar können nach dem Patent 5,344,455 positiv geladene Proben unter Verwendung von Copolymeren aus APMA und AAM hergestellt werden, während negativ geladene Proben mit AMPS hergestellt werden können. Siehe Beispiele 6 und 7.

Claims

Implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung (30) mit elektrischen Leitmitteln (34), die eine Isolierung (37) aus biokompatiblem polymeren Isoliermaterial aufweisen und einem Überzug auf der polymeren Isolierung, der ein antimikrobielles oder antibakterielles Mittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: der Überzug eine erste Komponente und eine zweite Komponente aufweist, wobei die erste Komponente ein Propfcopolymerisat umfasst, das sich auf wenigstens einer Oberfläche des polymeren Isoliermaterials befindet und wobei die zweite Komponente ein antimikrobielles oder antibakterelles Mittel umfasst, das mit der ersten Komponente verbunden ist.
Implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem Dichtmittel aufweist, um die Isolierung an den Leitmitteln abzudichten.
Implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 in Form einer implantierbaren medizinischen elektrischen Leitung, die Elektrodenmittel (34), Anschlussmittel (38), hergerichtet für den Anschluss an einen Impulsgenerator und die besagten Leitmittel aufweist, wobei die Leitmittel zwischen den Elektrodenmitteln und den Anschlussmitteln verlaufen.
Implantierbare medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, bei der die polymere Isolierung einen Hohlraum bereitstellt mit einer Innen-Oberfläche aus polymerem Material, die den Überzug aufweist, der die Leitmittel umgibt, wobei die Vorrichtung zusätzlich Dichtmittel (48) aufweist, um die freie Bewegung von Körperflüssigkeit in den Hohlraum der Isolierung hinein zu verhüten.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–4, bei der der Überzug auch auf den Dichtmitteln ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die polymere Oberfläche aus Polyurethan ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, in Form einer Leitung, die elektrischen Kontakt zwischen einem Körpergewebe und einer medizinischen Vorrichtung herstellt, wobei die Leitung folgendes umfasst: ein erstes Leiterstück mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende (34); Isoliermittel (38) zur elektrischen Isolierung des ersten Leiterstückes; Anschlussmittel (38), die fest mit dem proximalen Ende des ersten Leiterstückes verbunden sind, um die Leitung mit der medizinischen Vorrichtung elektrisch zu verbinden, wobei die Anschlussmittel Innen- und Aussenflächen aufweisen; eine Elektrode, die ein zweites elektrisches Leiterstück (34) nach Anspruch 1 aufweist, wobei der Leiter ein proximales und distales Ende hat; Mittel zum festen Verbinden des proximalen Endes des zweiten Leiterstückes mit dem distalen Ende des ersten Leiterstückes; Mittel, die fest mit dem distalen Ende des zweiten Leiterstückes verbunden sind, um wenigstens einen Teil des zweiten Leiterstückes in das Körpergewebe (32, 33) einzuführen; und eine Isolierung, wie in Anspruch 1 definiert, wobei diese Isolierung folgendes umfasst: Koaxiale isolierende Ummantelungsmittel (37) mit einem proximalen Ende, einem distalen Ende und einer bestimmten Länge, wobei die Ummantelungsmittel die Leitung so umgeben, dass sie jedweden verbleibenden Teil des zweiten elektrischen Leiterstückes, das nicht im Muskelgewebe positioniert ist, elektrisch isolieren, wobei die Ummantelung eine Innenoberfläche und Dichtmittel (48) am distalen Ende aufweist, um die freie Bewegung von Körperflüssigkeit in die Ummantelungsmittel hinein zu verhüten, wobei die Innen-Oberfläche der Ummantelungsmittel eine erste Komponente gemäß Anspruch 1, die auf die Innenoberfläche aufgepfropft ist, und eine zweite Komponente nach Anspruch 1, die an das Pfropfcopolymerisat gebunden ist, aufweist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das bioaktive Mittel ionisch an das Pfropfcopolymerisat gebunden ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das bioaktive Mittel kovalent an das Pfropfcopolymerisat gebunden ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Pfropfcopolymerisat wenigstens zwei polymerisierte Monomere mit Vinylfunktionen aufweist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Monomeren mit Vinylfunktion ein Acrylamid-Monomer und ein zweites Monomer, das eine positive oder negative elektrische Ladung hat, umfassen.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zweite Monomer Acrylsäure ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Pfropfcopolymerisat aus Acrylamid und 50%–75% Acrylsäure zusammengesetzt ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Komponente ein positiv geladenes Antibiotikum umfasst, das an die erste Komponente gebunden ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das positiv geladene Antibiotikum Gentamycin ist.
Medizinische elektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pfropfcopolymerisat und die Kombination der eingesetzten Mittel zusätzlich dadurch gekennzeichnet sind, dass sie die kontrollierte Freisetzung des Mittels bewirken durch selektives ausbalancieren von einem oder mehreren der folgenden Aspekte der ersten und zweiten Komponenten-Kombination um einen bestimmten Beladungslevel des Mittels in Bezug auf das Copolymer zu erreichen: Freisetzungsrate des Mittels, baktericide Aktivität des Mittels, Biokompatibilität des Mittels, Verhältnis der Monomeren im Copolymerisat, pH-Regulierung bei der Beladung, Dauer der Beladungszeit, Ladungsdichte beim Copolymerisat und Vernetzungsdichte beim Copolymerisat.