JP2005161028A - 埋込み型電気リードワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】コバルト、モリブデン、クロムを含有していてもポリウレタンシース材料を劣化させない埋め込み型電気リードワイヤを提供する。
【解決手段】埋め込み型電気リードワイヤ１６は、例えばコバルト・クロム・モリブデン合金ワイヤなどを、金属、セラミック、又は炭素を用いて約１００ｎｍ以下に被覆して、ポリウレタンシース材料３６に対して非活性の界面を備えたものとする。合金ワイヤとポリウレタンシースの間にアモルファス炭素のスパッタ被覆を施すことが好ましい。
【選択図】図２

Description

［発明の技術］
本発明は、心臓ペースメーカーや神経刺激に使われるような埋込み型の電気リードワイヤに関する。より特定すれば、本発明は、リードワイヤとそれを絶縁するために用いられる材料の長期適合性の問題の解消に関する。

［先行技術］
リードワイヤの第1要件は、導電性と耐疲労性である。リードワイヤは、体液が伝導体材料に決して接触しないよう設計されるゆえ、生体適合性は二次的な要件として捉えられてきた。しかし、リードワイヤ用の絶縁体としてポリウレタンを導入することにより、相互作用が伝導体／絶縁体のインターフェイスで起こる可能性が生じ、そこで金属イオン酸化メカニズムにより絶縁材料が劣化することが今日知られている。イオンは、リードワイヤのコバルト、クロムおよびモリブデンから供給される。ポリウレタンコーティングとの間のリードワイヤの上に不活性材料の薄膜を提供することによってこの問題を防ぐ。

ペーシングリードワイヤは、ステンレス鋼、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）合金、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）合金、およびＤＢＳ／ＭＰのような合金から主として製造される。ＤＢＳは、ステンレス鋼またはＭＰ３５Ｎ（登録商標）合金のストランド（より線）で囲われた銀のコアを有するドローブレイズストランド(drawn-brazed-strand)である。これら合金は、コイル巻きにされた場合に電気刺激リードでの使用に適切な機械的および電気的特性を発揮できる特別に有利な機械的・電気的性質を有する。しかしながら、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）およびＤＢＳ／ＭＰはいずれも、重要な成分としてコバルト、モリブデンおよびクロムを含んでいる。コバルト、クロムおよびモリブデンが、ペーシングリードで用いられるポリウレタンシース（外被）の酸化劣化を促進することが今では知られている。程度は小さいが、ステンレス鋼もポリウレタンの劣化を促進すると思われる。

この理由のため、生体適合性絶縁体としてのポリウレタンの導入は、コイルに非反応性伝導材料を選ぶことで、コイル／絶縁体インターフェイスを不動態化する努力がなされてきた。不都合なことは、ニッケル、コバルト、クロムおよびモリブデン材料ならびにこれら合金の大いに望ましい耐疲労性を失うことである。

さらに効果的な取組みは、チタンまたは白金のような非相互作用材料でワイヤを被覆することであった。これは、Ｌｅｓｓａｒらによる米国特許第５，０４０，５４４号に記載されている。しかし、被覆材料としてチタンおよび白金を使うことの不利な点は、これらがコーティング工程またはリード組立て中だけでなく、埋め込み中にスタイレットによって破損し得ることである。他の不利な点は、小さい径のコイルに巻く際の変形工程を通じて、チタンおよび白金のワイヤへの付着不全が一般的に生じることである。リードはコイル巻きにされることで、身体の動きに起因する絶え間ない屈曲力に耐えることができる。
米国特許第５，０４０，５４４号公報

変形工程は、チタンおよび白金コーティング中の微細な破裂口または割れの発生原因になりうる。Ｌｅｓｓａｒらは、以下のように述べており、このことを必ずしも重大な問題と捉えていない。「伝導体表面積を高い割合で単に被覆することで、ポリウレタンシースの酸化劣化に対する抵抗性に実質的な改善が付与される。さらに発明者らは、伝導体およびポリウレタン絶縁間の実際の物理的接触がポリウレタン絶縁の酸化劣化における重要な要素であると決定した。絶縁的な外層が存在しない場合でも、巻取りに起因するスパッタコーティングにおける特有の割れや破裂口は、コイルのベースメタルとポリウレタン絶縁と間に著しい接触面積を生じるわけではない。」

それでもなお、容易にリードワイヤに密着し、割れと破裂口が全く生じないような連続的な不活性コーティングを、リードワイヤ材料とポリウレタンシースとの間に提供することが望ましい。絶縁層におけるいかなる程度の妥協も、懸念材料となりうる。

［発明の要約］
ポリウレタン絶縁体劣化は、選択された金属、セラミック、およびアモルファス炭素、乱層構造炭素、ダイアモンド様炭素などの形態の炭素の、非常に薄いスパッタ膜から成る保護コーティングにより防止される。

これら膜は非常に優れた硬度、耐久性、および密着性によって特徴づけられる。薄膜として適用された場合、ワイヤがコイルに成形される際に容易にリードワイヤ金属の表面に順応する。膜の厚さが特に薄い場合、膜はワイヤをらせん形にコイル巻きする応力に容易に適合し、効果的な保護層を提供する。

本発明のこれらの及び他の特徴は、以下の説明と添付の図面を参照することによって、当業者に対し、よりいっそう明らかになるであろう。

ここで図を参照して説明する。図１は、リード１６および１８をそれぞれの電極２０および２２へと接続しているヘッダー１４を支持するハウジング１２を有する埋込み型医療装置１０を示す。ハウジング１２は、チタンまたはステンレス鋼のような導電材料からなる。好ましくは、医療装置ハウジング１２は、部分的に重なり合う関係を有してかみ合うクラムシェル部分２４および２６を含む。クラムシェル型ハウジング部分は、バッテリーのような電源（図示しない）に接続する制御回路（図示しない）用の封じこみを提供するため、レーザーや抵抗溶接により密閉して一体シールされる。そこには、細動除去器などの医療装置のためのコンデンサーが存在する場合もある。Ｆｒｕｓｔａｃｉらによる米国特許第６，６１３，４７４号には、一対のクラムシェル部分を含むハウジングに関するより詳細な説明がある。この特許は、本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに包含される。ハウジング１２は、当業者によく知られているように深絞りされた角柱状および円筒状の設計でも構わない。

ヘッダー１４はハウジング１２の上に取り付けられ、リード１６および１８の近位の末端の差込みを備えるターミナルブロック（図示しない）を支持する成型されたポリマー材料製ボディを含み、ハウジング内に収容されている制御回路および電源に電気的に接続される。電極２０および２２は、リード１６および１８のそれぞれ遠位の末端に配置される。ヘッダーアセンブリー関するより詳細な説明は、２００３年１１月５日付で出願されたＵ．Ｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１０／７０１，８４９号が参照され、この特許は本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに包含される。

電極２０および２２は、医療装置によって正常機能が支援される体内組織に外科的に固定される。その観点において、埋込み型の医療装置１０は、埋込み型心臓ペースメーカー、細動除去器などのような公知の多数の治療装置のうちのいずれでも構わない。このような装置において治療は、たとえば図１に示された電極が埋め込まれて、心臓などの生体組織に伝達される電気的パルスの形で行われる。

電極２０および２２は、構造上近似しているが、必ずしも近似していなくてもよい。それでもなお本発明は、簡略の目的で、図２で詳細拡大して示した電極２０に関して説明する。図示されるように、電極２０は、リード１６を構成するらせん状のストランドまたは糸線（ファイラー）２８により医療装置１０に接続される。電極２０は、角の丸められた半球状のヘッド３２を支持する円筒形の近接シャフト３０を含む。段差３４は、このシャフトとヘッドの間に存在する。近接シャフト３０の直径は、らせんストランド２８の内径より若干大きくなっており、組み立て時や使用時に、電極２０がコイルの内の位置に留まるようになっている。電極２０の好適な材料には、熱分解炭素などの炭素、チタン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、およびこれらの合金が含まれる。

図２の最終組立図において示されるように、らせんストランド２８を、シリコーンまたはポリウレタンのような生体適合的なエラストマー材料３６内に段差３４まで包み込むことで、電極が完成される。ヘッド３２の活性表面のみが露出したままとなる。この表面は、多孔性を閉鎖し、体液が多孔性の電極に浸透してらせんストランド２８に到達するのを防止するために、液体シリコーンまたは他の生体適合的な樹脂に含浸されたのち重合されてもよい。らせんストランド２８内に収容されエラストマー材料３６に露出する電極２０の残りの表面は、この材料への密着性を向上させるために、グリットブラスト、機械加工跡、ナーリングなどにより粗面化するのが好ましい。

埋込み型リードは典型的な例として、直径約０．００２〜０．００５インチのワイヤを、直径約０．０１５〜約０．０３０インチのコイルまたはらせんストランドに成形して作られる。前述したように、ステンレス鋼、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）およびＤＢＳ／ＭＰ合金などのような導電性や耐疲労性を有する材料が、らせんストランド２８に好適である。これらの材料は、低電気抵抗、耐食性、柔軟性および強度などの、人間等の体内で長期間作動する場合に必要で望ましい機械的特性を発揮する。

図３における写真は、最終直径約０．０２５インチにコイル巻きされた、直径０．００４インチのＭＰ３５Ｎ（登録商標）ワイヤを２００倍拡大で示したものである。右側にコイル巻きされる前のワイヤの一部を示す。写真の左側には、コイル巻き処理中にワイヤの外径表面において材料が塑性変形している様子が見てとれる。これは引っ張りがないときの長さと比べ一般的に２５％に達する。塑性ひずみは無次元であり、長さ／長さの単位で表される。２５％の数値は、１インチに対しひずみのないときの長さ０．２５インチの塑性ひずみに相当する。粒子回転、粒界すべり、および結晶粒内でのスリップバンドは、ワイヤ上に「オレンジピール」状の表面テクスチュアを形成し、コーティングに適合させて有効なバリアを得る必要がある。

問題は、ＥＬＧＩＬＯＹ（登録商標）（コバルト４０％、クロム２０％、ニッケル１５％、モリブデン７％、マンガン２％、カーボン＜０．１０％、ベリリウム＜０．１０％、および鉄５．８％（重量比））、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）（ニッケル３５％、コバルト３５％、クロム２０％、およびモリブデン１０％（重量比））、およびＤＢＳ／ＭＰ合金を構成するコバルト、クロム、およびモリブデンが、これらを体液から保護するために使用されるエラストマー材料、特にウレタン類と反応し、その結果エラストマーが劣化し、少なくとも部分的に効果を失うことである。本発明によれば、金属、セラミック、またはアモルファス炭素、乱層構造炭素、ダイアモンド状炭素等の形態の炭素の薄層がワイヤにコーティングされ、らせんストランド２８の材料とエラストマー材料３６との直接接触を防止し上述の分解を防止する。好適には、金属、セラミックまたは炭素のコーティングは、スパッタ法でワイヤ上に施される。

金属、セラミックまたは炭素の直接スパッタ法の模式を図４に示す。スパッタはステンレス鋼のチャンバー４０で行われる。スパッタガン４２は一般にチャンバー４０の頂部に置かれ、実際のスパッタ機能を果たす。スパッタガン４２は、望むままに水平方向へも垂直方向へも作動させることができる。

スパッタプロセスは、排気孔４４からチャンバー４０の空気を吸引することから始まる。アルゴンのような不活性ガスをガス供給口４６からチャンバー内４０に供給する。アルゴンガスは、金属、セラミックまたは炭素の標的５４に打ち当てるイオンフラックス５２を発生させるために、カソード４８とアノード５０を用いてイオン化される。イオンフラックス５２の衝撃は、走行したのちワイヤ基材５８に付着するスパッタフラックス５６を放出させる。ワイヤ５８は供給スプール６０に巻かれ、複数溝付き滑車６２により、標的５４を伴うスパッタカソード４８の前で数回にわたり前進・後退して巻取りリール６４に供給される。滑車６２周りのワイヤ５８のループは、より大きいワイヤ供給速度を可能にすると同時に、ワイヤ５８の全周が加工時間中にスパッタフラックスに曝されることを確実にする。

スパッタ法は運動量移動工程であることを理解することが重要である。コーティング材料の構成原子は、エネルギー粒子の衝突にともなう運動量交換により、標的５４の表面から飛び出す。衝突の種は一般に重い不活性ガス、一般的にアルゴンのイオンである。スパッタされた原子のフラックス５６は、ワイヤ基材５８に到達する前に作動ガス原子と繰り返し衝突させられ、そこに沈着し期待されたコーティングを形成する。

スパッタ時間はコーティング材料に依存して変動する。しかし、ベースワイヤ５８上に約１００ｎｍ厚に達するコーティングを生じるスパッタ時間は、約１〜５分であることが実験的に測定された。一般的にスパッタプロセスは、コーティングとしてスパッタフラックス５６を一次関数的に適用することが見いだされたので、期待された厚さを得るために適用時間を容易に調整できることとなる。

たとえば、アモルファス炭素の場合、ワイヤはらせん状に巻かれる前に、約１０ナノメートル（ｎｍ）〜５０ｎｍの厚さでコーティングが施される。１０ｎｍ厚の炭素コーティングは１秒ごとに約１オングストロームの割合で加えられるという蒸着速度に相当する。約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さのアモルファス炭素コーティングは完全に非反応な界面をポリウレタン絶縁材料に提供しながら、コイル巻き工程中に生ずる表面の不規則性に順応する。コーティング材料にかかわらず、コーティング厚さは約１００ｎｍ、あるいはそれ以下である。

炭素コーティングに加え、コーティングに適した他の薄膜材料は、コイル巻き工程とそれと関連する塑性変形を通じて、膜がワイヤ基材へ密着することを可能とする充分な薄い膜に応用可能ないかなる金属およびセラミックを含むと考えられる。これらにはチタン、白金、イリジウム、タンタル、パラジウム、ニオブ、金およびこれら金属の合金、ならびに窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどのセラミックが含まれる。

この点で、この発明において有効である薄膜は、Ｃｈａｐｍａｎ著「グロー放電プロセス」Ｗｉｌｅｙ，１９８０年、２０１〜２０３頁に記載のあるように、３Ｄ島成長のメカニズムにより成長しうる薄膜である。膜は、コーティング材料による基材の被覆範囲を最大にするよう、成長の島結合段階がほぼ完結するまで成長しなければならない。しかし、膜の成長は、島結合段階の完了前、島が基材に付着するが相互にくっつき合わない時点で止めなければならない。コイル巻き中のワイヤの塑性ひずみは島間の距離を増大させるが、成長する膜をワイヤ基材から引き離すことにはならない。事実、コーティング材料の原子は基材の塑性変形に関しては、単位あるいは島として挙動するよう互いに結合しているので、基材が変形したとき島は基材と共に移動する。好適なコーティング厚さは約１００ｎｍかそれ以下である。

約２００ｎｍの厚さのチタン膜（図５）はすでに結合段階を通り越すとともに、個別の島としてではなく結合した島が大きな連続単位としてひずみに応えているために、密着性不全になっていることが実験で示されている。しかしながら、島が結合を完結していない膜は、島が互いにくっついていないので塑性ひずみにともなう密着性不全を起こさない。図６では、島結合プロセス完了の直前である約１００ｎｍの厚さに被覆されたチタンが示されている。この写真において、平均島直径は近似的にコーティング厚と同じオーダー、すなわち約５０ｎｍ〜約１００ｎｍである。

図７は、直径０．００４インチのＭＰ３５Ｎ（登録商標）ワイヤを最終直径が約０．０２５インチのコイルにしたものを倍率５００で示した写真である。このワイヤは本発明に従いスパッタ被覆されたチタンコーティングが施されている。チタンが容易にリードワイヤ金属表面に順応し、またワイヤがらせんコイルにされた後も金属表面に密着したままであることが見て取れる。

本発明に有効な他の薄膜蒸着法には、化学燃焼溶射法および電気熱溶射法のような熱溶射法が含まれる。化学燃焼溶射法は、粉末式フレーム溶射、溶線／溶棒式フレーム溶射、高速酸素燃料フレーム溶射および爆発フレーム溶射を含む。電気熱溶射法は、電気アークまたはツインワイヤアーク溶射およびプラズマ溶射を含む。これら溶射法はコーティング材料を可塑にし、かつ／または噴霧するための熱を発生させる方法により一般的に分類される。

粉末式フレーム溶射は、高能力・酸素燃料ガストーチおよび粉末状または粒子状の被覆材料を収容するホッパーから構成される粉末式フレーム溶射ガンの使用を含む。粉末状被覆材料を酸素−燃料ガスフレーム内へ運ぶよう吸引によってガス供給装置からの少量の酸素が供給され、ここで粉末が加熱されそして排気フレームにより基材上に噴射される。燃料ガスは一般にアセチレンか水素であり、約３，０００〜４，５００華氏度の範囲の温度が一般に得られる。粒子速度は毎秒約８０〜１００フィートのオーダーである。

溶線／溶棒式フレーム溶射は被覆材料のワイヤを利用する。ワイヤは酸素−アセチレン炎に連続して供給され、そこで圧縮空気の補助的な流れで溶融・噴霧され基材上にコーティングとして蒸着する。またこの方法は粉末状の被覆材料が充填されたプラスチック製チューブの使用をも加える。

高速酸素燃料フレーム溶射は、毎秒約４，０００〜５，０００フィートと推定される出口ガス流速および毎秒約１，８００〜２，６００フィートの粒子速度を発生させる連続的な燃焼法である。これは内部燃焼室において燃料ガス（通常プロピレン）を酸素とともに高圧（６０〜９０ｐｓｉ）下で燃やすことで行われる。熱い排気ガスは燃焼室から排気孔をとおして排出されたのち、伸張ノズルにおいて膨張する。被覆粉末は伸張ノズルに軸方向に供給され、粉末式フレーム溶射で形成されるより大きい密度のコーティングを形成するよう希薄で高速のジェット状態で被覆材料が放出するまで排気ガス流によって閉じ込められる。

改良されたフレーム溶射法は、フレーム溶射溶融法として引用される。この方法では、上述のフレーム溶射法の一つを用いたのちに溶融工程を経て被覆活性材料を基材上に蒸着する。溶融は、フレームまたはトーチ、誘導、または真空下、不活性または水素炉のような種々の技術の一つを用いなされる。一般的な溶融温度は１８５０〜２１５０華氏度の間であり、その場合に基材材料はこの温度範囲に抵抗できることが必要である。

これまで述べてきた熱溶射法、すなわち安定な燃焼炎を利用する粉末式フレーム溶射、溶線／溶棒式フレーム溶射および高速酸素燃料フレーム溶射に対して、爆発フレーム溶射法は粉末状の電極活物質を加速するため酸素−アセチレンガス混合の繰り返し爆発の爆発波を使用する。毎秒２，４００フィートのオーダーの粒子速度が達成され、コーティングは特に強く、硬く、濃厚に緊密に結合する。

ツインワイヤアーク溶射法と呼ばれる電気式加熱熱溶射法は、電極活物質の二つの消耗ワイヤを用いる。ワイヤは最初互いに絶縁されており、噴霧ガス流中の焦点で交わるよう同時に前進する。接触チップはワイヤを精確に導き、動いているワイヤと動力ケーブル間の良好な電気接触をあたえるよう働く。加熱は、交差するワイヤを溶かすアークを形成するよう直流電圧をワイヤをわたって適用する方法で与えられる。ガス（普通には圧縮空気）のジェットは溶融した電極活物質の溶滴を細かく切断し、この材料を基材上に噴射する。噴霧された被覆材料粒子のサイズは、噴霧ヘッドの差異とワイヤの交差角度により変動しうる。直流は、溶射される材料に依存するものの約１８〜４０ボルトの電位で供給され、アークギャップとして増大する粒子溶射のサイズは電圧の上昇に従い長くなる。したがって、より大きな粒子および粗く多孔質なコーティングを供給するべく、電圧はアーク安定性に徹したより高いレベルに維持される。一般に高いアーク温度（約７，２４０華氏度超）となるため、ツインワイヤアーク溶射のコーティングは高結合性と密着強度を有する。

プラズマ溶射は、チャンバー内に保たれた同軸に配列したカソードと水冷アノード間の直流アークを通過するガスまたは混合ガスの通過を包含する。アークは、ガスを部分的にイオン化して３０，０００華氏度を超えることもある温度のプラズマを生じる高周波放電を用いることで発生する。プラズマフラックスは、アノード中のノズルとして働く孔を通じてガンから出て、放出されたプラズマ流の温度は距離とともに急激に落ちる。粉末状被覆材料の供給ストックは、適当な箇所で熱いガス状流に導入され、高速流により基材に放射される。熱容量、温度およびプラズマガスの速度は、アーク電流、ガス流速、およびガスの型とガス混合比を調整することならびにアノード／カソードの形態で制御される。

蒸発およびレーザーアブレーションを含む他の薄膜物理的蒸着法と化学的蒸着法も好適な蒸着法である。

本発明はコイルまたはらせんワイヤ上のコーティングに関して述べているが、本発明はそれだけに限定されないことが指摘されるものである。むしろ、コーティングは、埋込み可能な応用が意図されているか意図されていないにかかわらず、ステント、スタイレット、または他の器具などのいかなる変形しうる基材上に置き得る。

ここに記載された本発明の概念に対する種々な変形が、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の精神および範囲から逸出することなく、当業者に明白であることが理解される。

図１は、一部が仮想である斜視図であり、コイル巻きされたリード１６および１８によってそれぞれ一対の電極２０および２２に連結された埋め込み型の医療装置１０を示す。 図２は、図１の線２−２に沿った断面図である。 図３は、最終的に約０．０２５インチの直径にコイル巻きされた直径０．００４インチのＭＰ３５Ｎ（登録商標）の２００倍拡大写真である。 図４は、本発明に従って、ワイヤ上への保護コーティングの直接スパッタ法において利用されるスパッタチャンバーの模式図である。 図５は、密着不全を有する２００ｎｍチタン膜の５０００倍拡大の写真である。 図６は、完全な島結合の手前で止めて、巻きつけ過程を通して膜の密着性が維持されているチタン膜の５，０００倍拡大の写真である。 図７は、チタンでスパッタコーティングされ、そののち約０．２５インチの最終直径にコイル巻きされた、直径０．００４インチのＭＰ３５Ｎ（登録商標）ワイヤからなるコイルの５００倍拡大の写真である。

Claims (6)

1. ａ）細長いポリウレタン製の絶縁性シース、
   ｂ）前記ポリウレタンシース内に少なくとも部分的に内蔵された細長い伝導体、
   ｃ）前記細長い伝導体の遠位の末端に結合した電極および、
   ｄ）前記細長い伝導体の近位の末端に結合した電気コネクターを含み、
   ｅ）前記細長い伝導体が、コバルト、モリブデン、およびクロムの少なくとも一つを含有する第一合金のワイヤからなり、前記ポリウレタンシースと相互作用を起こさない生体適合的な炭素質材料のコーティングが施されていることを特徴とする医療用電気リード。
2. 炭素質コーティングが、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１に記載のリード。
3. 生体適合的な炭素質コーティングがアモルファス炭素からなることを特徴とする請求項１に記載のリード。
4. 前記伝導体が、細長いコイル伝導体を含むことを特徴とする請求項１に記載のリード。
5. ａ）マルチファイラーの伝導体、
   ｂ）前記マルチファイラー伝導体を少なくとも部分的に収容する細長いポリウレタン製の絶縁性シース、および
   ｃ）前記マルチファイラー伝導体の少なくとも１本のファイラーの遠位の末端に結合される、少なくとも一つの電極を含み、
   ｄ）前記マルチファイラーの伝導体が、コバルト、モリブデン、およびクロムの少なくとも一つを含有する合金から作製された複数のワイヤ含み、ポリウレタンと相互作用を起こさない生体適合的な炭素質材料のコーティングが施されていることを特徴とする医療用電気リード。
6. 前記マルチファイラー伝導体が、マルチファイラーのコイル巻き伝導体を含むことを特徴とする請求項５に記載のリード。