WO2004006805A1 - Beschichtete chirurgische einrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Norbert Beyer
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Alcove Surfaces Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a surgical device according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to the preamble of claim 17.
  • surgical device is primarily to be understood here as an implant. In a broader sense, however, it can also be a surgical instrument or surgical tool.
  • surgical instrument or “surgical tool” is to be understood here to mean a device or instrument which is used in an operation and / or examination, in particular on the human or animal body, that is to say introduced in particular and / or for example to act on body tissue is used. In a broader sense, however, this also includes other instruments, devices and aids that are used in particular in operations and / or examinations and in particular have contact with the respective body.
  • implant here initially means in the narrower sense an element that can be used at least temporarily in the body of an animal or a human being and can, for example, perform therapeutic, support and / or joint functions, such as temporary implants, for example so-called “seeds” for tumor treatment or therapy, or stents, such as tracheal stents, and the like. In a broader sense, however, this also includes elements or the like that can be brought into contact with the body from outside and / or in particular temporarily.
  • Implants in the form of stents are used, for example, to support expanded vessels. These mostly tubular inserts are inserted after the widening of narrowed vessels and then expanded radially so that the stents support the inside of the vessel walls.
  • BEST ⁇ TIGIWGS & OP in the body, in particular due to the detachment of components of the materials in the body.
  • Coatings of implants to protect and to increase biocompatibility are generally known.
  • body tolerance body tolerance
  • a protective layer or barrier layer in order to prevent unwanted detachment of components or substances in the body are very high.
  • the barrier layer should be available inexpensively.
  • the barrier layer should adhere well or at least sufficiently well to virtually any surface or base material.
  • the barrier layer should be sufficiently flexible so that it does not become detached, for example, when an implant is deformed, such as when a stent is expanded.
  • the barrier layer should be sufficiently impermeable, ie have a high barrier effect.
  • the barrier layer itself should be very biocompatible (body compatible) and should not release any or at least no undesirable components into the body.
  • a metal implant for medical purposes is known.
  • This metal implant has a metallic core, on the surface of which a pore-free protective layer made of glass is applied as a metal ion barrier.
  • the thickness of the glass layer is in particular about 0.2 mm or more.
  • This glass layer is relatively brittle and can therefore not be used for heavy-duty surgical instruments or for implants, in particular stents, since there is a risk of chipping or cracking when subjected to mechanical stress, in particular deformation of the surgical device.
  • DE 40 06 379 C2 discloses a method for producing bioactive and mechanically highly resilient medical implants.
  • a silicate layer with a layer thickness of 5 to 100 nm is applied to a metal base body, which is then covered by a bioactive glass ceramic.
  • the silicate layer consists essentially of Si0 2 and is highly porous. Accordingly, this silicate layer is only suitable for connection to the barrier layer formed by the glass ceramic, but the silicate layer itself does not constitute a barrier layer.
  • DE 199 37 864 AI relates to a workpiece and a method for producing the same, in particular implants, such as a hip prosthesis.
  • a silicon oxide layer with a silane coupling agent is provided here for the stable connection of a substrate to a polymer.
  • the silicon oxide layer does not serve as a barrier layer.
  • the present invention is based on the object of specifying a surgical device which has a barrier layer which, with high biocompatibility, is highly impermeable even under high mechanical stress, that is to say exhibits a good barrier effect, and in particular is sufficiently flexible or elastic, and a to issue a simple method of manufacturing such a surgical device.
  • An essential idea of the present invention is to form the barrier layer from amorphous, substoichiometric silicon dioxide. This surprisingly enables a highly or sufficiently flexible and elastic barrier layer to be achieved, so that segmentation (flaking) and / or crack formation can be prevented even in mechanically very heavily loaded surgical devices, in particular also when expanding stents.
  • a thin barrier layer made of substoichiometric silicon dioxide has a very high or sufficiently high thermal and chemical Stability for use in the medical field or in a surgical facility.
  • silicon oxides are highly biocompatible, that is to say they are tolerated by the body, that silicon oxides can be deposited in very thin, amorphous layers, and that silicon oxides, with high flexibility and sufficient hardness, show good adhesion and good durability and abrasion resistance. Further layers are therefore not necessary. "Rather, a simple and therefore inexpensive manufacture of the proposed surgical device is made possible.
  • the barrier layer has an average Vickers hardness of at least 50 Vickers and an average elastic modulus of at most 92 GPa. With sufficient strength and resilience, sufficient flexibility can be achieved to prevent chipping and / or undesirable crack formation.
  • the barrier layer is preferably produced by evaporation of unoxidized silicon and limited addition of oxygen, so that a sub-stoichiometric silicon dioxide layer is formed. This enables simple, fast and inexpensive production.
  • Figure 1 is a partial representation of a schematic structure of a proposed surgical device.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a proposed surgical device in the form of a surgical instrument
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a proposed surgical device in the form of an implant designed as a stent.
  • 1 shows, in a schematic representation that is not to scale, an enlarged section of a proposed surgical device 1, in particular its material structure.
  • This material structure is provided at least in some areas, in particular as a whole, for the surgical device 1.
  • this material structure is realized at least in highly stressed areas and / or in areas that come into contact with a human or animal body, not shown, to be treated or examined.
  • the surgical device 1 consists at least essentially of a basic material 2 indicated in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows only a partial section into the material of the surgical device 1.
  • the base material 2 can in principle be any material or any material with suitable properties, the primary concern being biocompatibility (body compatibility). If necessary, it can also be a composite material or a composite structure.
  • the base material 2 consists in particular of ceramic, metal, a metal alloy and / or a metal compound, preferably of aluminum, an aluminum compound, an aluminum alloy and / or mixtures thereof.
  • the device 1 is particularly well suited for examinations in an MRI scanner if the base material 2 consists at least essentially of aluminum.
  • the base material 2 is covered by a barrier layer 3 made of silicon oxide on its surface, at least in surface areas 4, which are freely accessible and / or accessible to body fluids or tissues, thereby protecting it from body fluids or other substances of the body.
  • the barrier layer 3 is in particular impermeable to the base material 2, ions and / or body fluids formed therefrom or other body-own substances. In this way, unwanted loosening of the base material 2 in the body can be prevented.
  • the provided barrier layer 3 is relatively thin and amorphous. This is conducive to good or sufficient flexibility / elasticity.
  • the barrier layer 3 is preferably at least substantially uniformly thick.
  • the average thickness is 10 to 200 or 500 nm, preferably 20 to 100 nm and in particular up to 50 nm.
  • the barrier layer 3 has a good barrier effect even with such a thin design.
  • the base material 2 is preferably plasma-coated to form the barrier layer 3, that is to say the barrier layer 3 is applied by a plasma process.
  • the material to be applied in particular non-oxidized silicon, is preferably evaporated in vacuo and reacts with the addition of oxygen on the surface of the surgical device 1 or the base material 2 to form a very firmly adhering oxide layer, with appropriate process conditions, namely limited addition of Oxygen, a sub-stoichiometric layer of silicon dioxide is formed.
  • the ratio of silicon and oxygen in the barrier layer 3 is controlled by varying the partial pressure of oxygen.
  • the following table illustrates the dependence of the silicon-oxygen ratio on the partial pressure of the oxygen during the vaporization of the silicon or with the plasma coating:
  • the barrier layer 3 becomes more fine-grained by reducing the oxygen content. This effects or favors the desired good barrier effect of the barrier layer 3.
  • the average grain size is only 10 to 80 nm, preferably 10 to 50 nm, in particular a maximum of 30 nm.
  • the application is not limited to pure plasma processes; rather, other processes, in particular plasma-assisted processes, such as the plasma-assisted PVD process or the plasma-assisted CVD process, can also be used, as in the article "Character roles" by Volker Bück and Horst Ehrich, Essen unique specimens, materials science, volume 13, University GH Essen / Stuttgartsverlag, ISSN 0944-6060, page 42 f. disclosed.
  • the magazine mentioned is additionally mentioned in its entirety as a disclosure with regard to coating processes and usable materials and also with regard to usable biocompatible materials. It is essential, however, that the process conditions are selected, in particular by limited addition of oxygen, that a coating of substoichiometric silicon oxide is formed.
  • the barrier layer 3 consists at least essentially, preferably exclusively, of substoichiometric Si0 2-x , with x> 0.01, in particular x> 0.1 or 0.2, preferably x> 0.3, and / or x ⁇ 1.9 , in particular x ⁇ 1.5, preferably x ⁇ 1.0. It has been shown that such a barrier layer 3 has a very good barrier effect with optimal mechanical properties, that is to say sufficient flexibility or elasticity and sufficient hardness to avoid undesired detachment and to achieve sufficient durability or durability. In addition, the proposed barrier layer 3 is sufficiently thermally and chemically stable. The barrier layer 3 is preferably applied directly, in particular without an intermediate layer or adhesion promoter, to the base material 2.
  • the barrier layer 3 preferably forms the outermost layer or cover layer of the device 1.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a proposed surgical device 1.
  • the example shown is a surgical instrument 5 in the sense mentioned at the beginning, which is designed here like forceps. As already explained, however, this can be any type of instrument, technical aid or tool for examinations and / or operations on the human or animal body.
  • the surgical instrument 5 preferably has at least one working section 6, here two working sections 6.
  • the working sections 6 form pliers-like gripping, holding and / or cutting elements.
  • the term “working section” is not limited to a single part, but rather it can also be a plurality of parts on the one hand or a section or area of a one-piece part on the other hand.
  • the working section 6 is the front or relevant area of the surgical instrument 5, which comes into contact with the body (not shown) during an operation or examination.
  • At least the working section 6, preferably the entire instrument 5, is preferably provided with the proposed barrier layer 3.
  • FIG. 3 shows a perspective, greatly simplified illustration for reasons of illustration, a proposed surgical device 1 in the form of an implant 7, which is designed here as a stent 8.
  • the implant 7 forms a grid-like, tubular body.
  • functions and applications of the implant 7, reference is made to the definition on the input side.
  • the implant 7 or the stent 8 is preferably completely provided with the proposed barrier layer 8.
  • the mechanical properties of various samples were determined and are given below:
  • the layer thickness of the barrier layers of samples a to c was approximately 500 nm.
  • the layer thickness of the barrier layer of sample d was approximately 10 ⁇ m.
  • Hv indicates the Vickers hardness
  • H the so-called universal hardness
  • E the modulus of elasticity
  • the maximum load being 0.1 mN and the loading / unloading speed 0.2 mN / min in the case of samples a to c and in the case of Sample d 10.00 mN at 20.0 mN / min and a Poisson factor of 0.3 was assumed to determine the modulus of elasticity.
  • Samples a through c were made by plasma coating as described above.
  • the barrier layer was applied using an inorganic polymer, ie chemically.
  • the much poorer mechanical properties or characteristic values are striking here.
  • the barrier layers a to c produced by the plasma process differ significantly from that chemically produced barrier layer d by more than an order of magnitude.
  • the barrier layer 3 has an average Vickers hardness of at least 300 Vickers, in particular at least 400 or 500 Vickers, and / or at most 600 or 800 Vickers, and / or if the barrier layer 3 has an average elastic modulus of at most 90 GPa, in particular at most 88 GPa, and / or from at least 50 or 80 GPa.
  • Unintentional segmentation, ie chipping, of the barrier layer is preferably further avoided in that the barrier layer 3 has an elasticity module that is greater than or equal to the elasticity module of the base material 2 and / or another carrier layer that supports the barrier layer.
  • the proposed barrier layer is preferably harder than a plastic layer, but more elastic than a coating made of ceramic or metal.
  • the measured Si; 0 ratios were determined using a scanning tunnel electron microscope on the basis of X-ray fluorescence or EDX and can have certain errors.

Abstract

Es werden eine chirurgische Einrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung vorgeschlagen, wobei die Einrichtung eine Sperrschicht aus unterstöchiometrischem Siliciumdioxid und/oder eine mittlere Vickers-Härte von mindestens 50 Vickers und einen mittleren Elastizitätsmodul von maximal 92 GPa aufweist, um eine hohe Sperrwirkung bei hoher Flexibilität zu erreichen.

Description

BESCHICHTETE CHIRURGISCHE EINRICHTUNG UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine chirurgische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Unter dem Begriff "chirurgische Einrichtung" ist hier primär ein Implantat zu verstehen. In einem weiteren Sinne kann es sich aber auch um ein chirurgisches Instrument bzw. Operationswerkzeug handeln.
Unter dem Begriff "chirurgisches Instrument" oder "Operationswerkzeug" ist hier ein Gerät bzw. Instrument zu verstehen, das bei einer Operation und/oder Untersuchung, insbesondere am menschlichen oder tierischen Körper, eingesetzt, also insbesondere eingeführt und/oder beispielsweise zur Einwirkung auf Körpergewebe eingesetzt wird. Im weiteren Sinne sind hierunter jedoch auch sonstige Instrumente, Geräte und Hilfsmittel zu verstehen, die insbesondere bei Operationen und/oder Untersuchungen eingesetzt werden und insbesondere Kontakt mit dem jeweiligen Körper haben.
Unter dem Begriff "Implantat" ist hier zunächst im engeren Sinne ein in den Körper eines Tieres oder eines Menschen zumindest vorübergehend einzusetzendes Element, das beispielsweise therapeutische, Stütz- und/oder Gelenkfunktionen ausüben kann, wie temporäre Implantate, beispielsweise sogenannte "Seeds" zur Tumorbehandlung bzw. -therapie, oder Stents, wie Tra- cheal-Stents, und dergleichen, zu verstehen. Im weiteren Sinne sind hierunter jedoch auch mit dem Körper von außen und/oder insbesondere vorübergehend in Kontakt bringbare Elemente oder dergleichen zu verstehen.
Implantate in Form von Stents werden beispielsweise zur Abstützung aufge- weiteter Gefäße eingesetzt. Diese meist röhrenförmigen Einsätze werden nach der Aufweitung verengter Gefäße eingeführt und anschließend radial aufgeweitet, so daß die Stents die Gefäßwandungen innenseitig abstützen.
Bei chirurgischen Instrumenten und Implantaten ist die Bioverträglichkeit, al- so die Verträglichkeit für den Körper sehr wichtig. Viele bisher eingesetzte
Werkstoffe stehen zunehmend im Verdacht, unerwünschte Nebenwirkungen
BESTÄTIGIWGS&OP im Körper, insbesondere aufgrund des Lösens von Bestandteilen der Werkstoffe im Körper, zu verursachen.
Beschichtungen von Implantaten zum Schutz und zur Erhöhung der Biokom- patibilität (Körperverträglichkeit) sind grundsätzlich bekannt. Die Anforderungen an eine Schutzschicht bzw. Sperrschicht, um ein ungewolltes Lösen von Bestandteilen oder Stoffen im Körper zu verhindern, sind aber sehr hoch.
Die Sperrschicht sollte preisgünstig erhältlich sein. Die Sperrschicht sollte auf quasi jedem beliebigen Untergrund bzw. Grundmaterial gut oder zumindest ausreichend gut haften. Die Sperrschicht sollte ausreichend flexibel sein, um sich beispielsweise beim Deformieren eines Implantats, wie beim Aufweiten eines Stents, nicht abzulösen. Die Sperrschicht sollte ausreichend undurchlässig sein, also eine hohe Sperrwirkung aufweisen. Die Sperrschicht sollte selbst sehr biokompatibel (körperverträglich) sein und keine oder zumindest keine unerwünschten Bestandteile an den Körper abgeben.
Aus der DE 40 12 048 AI, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, ist ein Metallimplantat für medizinische Zwecke bekannt. Dieses Metallimplantat weist einen metallischen Kern auf, auf dessen Oberfläche eine porenfreie Schutzschicht aus Glas als Metallionensperre aufgebracht ist. Die Dicke der Glas-Schicht beträgt insbesondere etwa 0,2 mm oder mehr. Diese Glas-Schicht ist verhältnismäßig spröde und daher weder für hochbelastbare chirurgische Instrumente noch für Implantate, insbesondere Stents, einsetzbar, da die Gefahr eines Abplatzens oder einer Rißbildung bei mechanischer Beanspruchung, insbesondere Verformung der chirurgischen Einrichtung, besteht.
Die DE 40 06 379 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung bioaktiver und mechanisch hoch belastbarer medizinischer Implantate. Hierbei wird eine silikatische Schicht mit einer Schichtdicke von 5 bis 100 nm auf einen Metallgrundkörper aufgebracht, die dann durch eine bioaktive Glaskeramik abgedeckt wird. Die silikatische Schicht besteht im wesentlichen aus Si02 und ist hochporös. Dementsprechend eignet sich diese silikatische Schicht nur zur Verbindung mit der durch die Glaskeramik gebildeten Sperrschicht, die silikatische Schicht selbst stellt jedoch keine Sperrschicht dar. Die DE 199 37 864 AI betrifft ein Werkstück und ein Verfahren zum Herstellen desselben, insbesondere Implantate, wie eine Hüftprothese. Zur stabilen Verbindung eines Substrats mit einem Polymer ist hier eine Siliciumoxid- schicht mit einem Silanhaftvermittler vorgesehen. Auch hier dient die Sili- ciumoxidschicht nicht als Sperrschicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine chirurgische Einrichtung anzugeben, die eine Sperrschicht aufweist, die bei hoher Biokom- patibilität auch bei hoher mechanischer Beanspruchung hochgradig undurchlässig ist, also eine gute Sperrwirkung zeigt, und insbesondere ausreichend flexibel bzw. elastisch ist, sowie ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer derartigen chirurgischen Einrichtung auszugeben.
Die obige Aufgabe wird durch eine chirurgische Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Sperrschicht aus amorphem, unterstöchiometrischem Siliciumdioxid zu bilden. Hierdurch läßt sich überraschenderweise eine hochgradig bzw. ausreichend flexible und elastische Sperrschicht erreichen, so daß ein Segmentieren (Abplatzen) und/oder eine Rißbildung auch bei mechanisch sehr stark belasteten chirurgischen Einrichtungen, insbesondere auch beim Aufweiten von Stents, verhin- dert werden kann.
Bisher wurde stöchiometrisches Siliciumdioxid mit eventuell anderen Beimischungen eingesetzt. Versuche haben jedoch gezeigt, daß mit unterstöchiometrischem Siliciumdioxid sehr vorteilhafte Eigenschaften der Sperrschicht erreichbar sind, wie die gewünschte Sperrwirkung - auch bei sehr dünnen Schichten von etwa 50 nm - und eine hohe Flexibilität bei ausreichender Härte und Abriebfestigkeit.
Des weiteren weist eine dünne Sperrschicht aus unterstöchiometrischem Sili- ciumdioxid eine sehr hohe bzw. ausreichend hohe thermische und chemische Stabilität für den Einsatz im medizinischen Bereich bzw. bei einer chirurgischen Einrichtung auf.
Weitere Vorteile liegen darin, daß Siliciumoxide hochgradig biokompatibel, das heißt körperverträglich sind, daß Siliciumoxide in sehr dünnen, amorphen Schichten abgeschieden werden können und daß Siliciumoxide bei hoher Flexibilität und ausreichender Härte eine gute Haftung sowie eine gute Haltbarkeit und Abriebfestigkeit zeigen. Weitere Schichten sind daher nicht erforderlich." Vielmehr wird eine einfache und daher preisgünstige Herstellung der vorschlagsgemäßen chirurgischen Einrichtung ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Sperrschicht eine mittlere Vickers-Härte von mindestens 50 Vickers und einen mittleren Elastizitätsmodul von maximal 92 GPa auf. So kann bei ausreichend hoher Festigkeit und Belastbarkeit eine ausreichende Flexibilität erreicht werden, um ein Abplatzen und/oder eine unerwünschte Rißbildung zu verhindern.
Vorzugsweise wird die Sperrschicht durch Verdampfen von nicht oxidiertem Silicum und begrenzter Zugabe von Sauerstoff hergestellt, so daß eine unter- stöchiometrische Siliciumdioxid-Schicht gebildet wird. Dies ermöglicht eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung.
Weitere Eigenschaften, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend für zwei Ausfiüirungsformen anhand der Zeich- nung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine ausschnittsweise Darstellung eines schematischen Aufbaus einer vorschlagsgemäßen chirurgischen Einrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen chirurgischen Einrichtung in Form eines chirurgischen Instruments; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen chirur- gischen Einrichtung in Form eines als Stent ausgebildeten Implantats. Fig. 1 zeigt in nicht maßstabsgetreuer, schematischer Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt einer vorschlagsgemäßen chirurgischen Einrichtung 1 , insbesondere deren Materialaufbau. Dieser Materialaufbau ist zumindest bereichsweise, insbesondere insgesamt für die chirurgische Einrichtung 1 vorgesehen. Insbesondere ist dieser Materialaufbau zumindest in hochbelasteten Bereichen und/oder in Bereichen, die mit einem zu behandelnden bzw. zu untersuchenden, nicht dargestellten Körper eines Menschen oder Tieres in Kontakt kommen, verwirklicht.
Die chirurgische Einrichtung 1 besteht zumindest im wesentlichen aus einem in Fig. 1 angedeuteten Grundmaterial 2. Insbesondere zeigt Fig. 1 lediglich einen teilweisen Schnitt in das Material der chirurgischen Einrichtung 1.
Das Grundmaterial 2 kann grundsätzlich ein beliebiges Material oder ein beliebiger Werkstoff mit geeigneten Eigenschaften sein, wobei es auf die Bioverträglichkeit (Körperverträglichkeit) primär nicht ankommt. Bedarfs weise kann es sich auch um ein Verbundmaterial bzw. einen Verbundaufbau handeln.
Das Grundmaterial 2 besteht insbesondere aus Keramik, Metall, einer Metalllegierung und/oder eine Metallverbindung, vorzugsweise aus Aluminium, einer Aluminiumverbindung, einer Aluminiumlegierung und/oder deren Mischungen. Die Einrichtung 1 ist besonders gut für Untersuchungen im Kernspintomographen geeignet, wenn das Grundmaterial 2 zumindest im wesentlichen aus Aluminium besteht.
Das Grundmaterial 2 ist durch eine Sperrschicht 3 aus Siliciumoxid auf seiner Oberfläche, zumindest in Oberflächenbereichen 4, die frei und/oder für Kör- perflüssigkeiten bzw. -gewebe zugänglich sind, abgedeckt und dadurch vor Kö erfiüssigkeiten oder sonstigen körpereigenen Stoffen geschützt. Die Sperrschicht 3 ist nämlich insbesondere undurchlässig für das Grundmaterial 2, davon gebildete Ionen und/oder Körperflüssigkeiten bzw. sonstige körpereigene Stoffe ausgebildet. Auf diese Weise kann ein ungewolltes Lösen des Grundmaterials 2 im Körper verhindert werden. Die vorgesehene Sperrschicht 3 ist verhältnismäßig dünn und amorph ausgebildet. Dies ist einer guten bzw. ausreichenden Flexibilität/Elastizität zuträglich.
Vorzugsweise ist die Sperrschicht 3 zumindest im wesentlichen einheitlich dick ausgebildet. Insbesondere beträgt die mittlere Dicke 10 bis 200 oder 500 nm, vorzugsweise 20 bis 100 nm und insbesondere bis zu 50 nm.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Sperrschicht 3 auch bei derartig dünner Ausbildung eine gute Sperrwirkung aufweist.
Das Grundmaterial 2 wird zu Bildung der Sperrschicht 3 vorzugsweise plasmabeschichtet, die Sperrschicht 3 also durch ein Plasmaverfahren aufgebracht. Das aufzubringende Material, hier insbesondere nicht oxidiertes Silicium, wird vorzugsweise im Vakuum verdampft und reagiert unter Zusatz von Sauerstoff an der Oberfläche der chirurgischen Einrichtung 1 bzw. des Grundmaterials 2 unter Bildung einer sehr fest haftenden Oxidschicht, wobei durch entsprechende Verfahrensbedingungen, nämlich begrenzte Zugabe von Sauerstoff, eine unterstöchiometrische Siliciumdioxidschicht gebildet wird.
Bei dem vorgenannten Verfahren wird durch Variation des Partialdrucks an Sauerstoff das Verhältnis von Silicium und Sauerstoff in der Sperrschicht 3 gesteuert. Die nachfolgende Tabelle veranschaulicht die Abhängigkeit des Si- licium-Sauerstoff- Verhältnisses vom Partialdruck des Sauerstoffs beim Ver- dampfen des Siliciums bzw. bei der Plasmabeschichtung:
Figure imgf000008_0001
Weiter wurde festgestellt, daß durch Verringerung des Sauerstoffanteils die Sperrschicht 3 feinkörniger wird. Dies bewirkt oder begünstigt die gewünschte gute Sperrwirkung der Sperrschicht 3. Insbesondere beträgt die mittlere Korngröße nur 10 bis 80 nm, vorzugsweise 10 bis 50 nm, insbesonde- re maximal 30 nm.
Beispielhaft wird zu den grundsätzlichen Möglichkeiten der Beschichtung, insbesondere das Aufbringen der Siliciumoxidschicht, auf die US 4,917,786 A, US 5,096,558 A, US 5,565,248 A und US 5,662,741 A verwiesen, deren Inhalt hiermit als ergänzende Offenbarung genannt und eingeführt wird. Wesentlich ist aber, daß die Verfahrensbedingungen so gewählt werden, insbesondere durch begrenzte Zugabe von Sauerstoff, daß eine Beschichtung aus unterstöchiometrischem Siliciumoxid gebildet wird.
Jedoch ist das Aufbringen nicht auf reine Plasmaverfahren beschränkt, vielmehr können auch sonstige Verfahren, insbesondere plasmagestützte Verfahren, wie das plasmagestützte PVD- Verfahren oder das plasmagestützte CVD- Verfahren zum Einsatz kommen, wie in dem Artikel "Charakterrollen" von Volker Bück und Horst Ehrich, Essener Unikate, Materialwissenschaft, Band 13, Universität GH Essen/Wissenschaftsverlag, ISSN 0944-6060, Seite 42 f. offenbart. Die genannte Zeitschrift wird voll umfänglich ergänzend als Offenbarung hinsichtlich Beschichtungsverfahren und verwendbarer Materialien und auch hinsichtlich verwendbarer biokompatibler Materialien genannt. Wesentlich ist aber, daß die Verfahrensbedingungen so gewählt werden, insbe- sondere durch begrenzte Zugabe von Sauerstoff, daß eine Beschichtung aus unterstöchiometrischem Siliciumoxid gebildet wird.
Die Sperrschicht 3 besteht zumindest im wesentlichen, vorzugsweise ausschließlich aus unterstöchiometrischem Si02-x, mit x > 0,01, insbesondere x > 0,1 oder 0,2, vorzugsweise x > 0,3, und/oder x < 1,9, insbesondere x < 1,5, vorzugsweise x < 1,0. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Sperrschicht 3 eine sehr gute Sperrwirkung bei optimalen mechanischen Eigenschaften, also ausreichender Flexibilität bzw. Elastizität und ausreichender Härte zur Vermeidung eines unerwünschten Ablösens und zur Erreichung einer ausreichen- den Haltbarkeit bzw. Beständigkeit, aufweist. Darüber hinaus ist die vor- schlagsgemäße Sperrschicht 3 ausreichend thermisch und chemisch stabil. Vorzugsweise ist die Sperrschicht 3 unmittelbar, insbesondere ohne Zwischenschicht oder Haftvermittler, auf das Grundmaterial 2 aufgebracht.
Vorzugsweise bildet die Sperrschicht 3 die äußerste Schicht bzw. Deckschicht der Einrichtung 1.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine vorschlagsgemäße chirurgische Einrichtung 1. Beim Darstellungsbeispiel handelt es sich um ein chirurgisches Instrument 5 im eingangs genannten Sinne, das hier zangenartig ausgebildet ist. Wie bereits erläutert, kann es sich hierbei jedoch um jegliche Art von Instrument, technischem Hilfsmittel oder Werkzeug für Untersuchungen und/oder Operationen am menschlichen oder tierischen Körper handeln.
Das chirurgische Instrument 5 weist vorzugsweise mindestens einen Arbeitsabschnitt 6, hier zwei Arbeitsabschnitte 6 auf. Die Arbeitsabschnitte 6 bilden zangenartige Greif-, Halte- und/oder Schneidelemente. Der Begriff "Arbeitsabschnitt" ist jedoch nicht auf ein einziges Teil beschränkt, vielmehr kann es sich hierbei auch einerseits um eine Mehrzahl von Teilen oder andererseits um einen Abschnitt bzw. Bereich eines einstückigen Teils handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem Arbeitsabschnitt 6 um den vorderen bzw. relevanten Bereich des chirurgischen Instruments 5, der bei einer Operation oder Untersuchung mit dem nicht dargestellten Körper in Kontakt tritt.
Vorzugsweise ist zumindest der Arbeitsabschnitt 6, vorzugsweise das gesamte Instrument 5, mit der vorschlagsgemäßen Sperrschicht 3 versehen.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen, aus Veranschaulichungsgründen stark vereinfachten Darstellung eine vorschlagsgemäße chirurgische Einrichtung 1 in Form eines Implantats 7, das hier als Stent 8 ausgebildet ist. Beim Darstellungsbeispiel bildet das Implantat 7 einen gitterartigen, rohrförmigen Körper. Bezüglich alternativer Formen, Funktionen und Anwendungen des Implantats 7 wird auf die eingangsseitige Definition verwiesen.
Das Implantat 7 bzw. der Stent 8 ist vorzugsweise vollständig mit der vorschlagsgemäßen Sperrschicht 8 versehen. Die mechanischen Eigenschaften von verschiedenen Proben (Sperrschichten aus SiOx) wurden ermittelt und werden nachfolgend angegeben:
Figure imgf000011_0001
Die Schichtdicke der Sperrschichten der Proben a bis c betrug etwa 500 nm. Die Schichtdicke der Sperrschicht der Probe d etwa 10 μm.
Hv gibt die Vickers-Härte an, H die sogenannte Universalhärte und E den Elastizitätsmodul, wobei bei den Messungen im Fall der Proben a bis c die Maximallast 0,1 mN und die Belastungs/Entlastungsgeschwindigkeit 0,2 mN/min betrug und im Fall der Probe d 10,00 mN bei 20,0 mN/min und wobei zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls ein Poisson-Faktor von 0,3 angenommen wurde.
Unter "Quarz" werden zum Vergleich Literaturdaten für eine Sperrschicht aus reinem, kristallinem Si0 angegeben.
Die Proben a bis c wurden durch Plasmabeschichtung, wie oben beschrieben, hergestellt. Die mechanischen Kennwerte dieser im Plasma erzeugten Sperrschichten stehen in Beziehung zur jeweiligen Zusammensetzung der Schicht. Je höher der Sauerstoffanteil (= Ausbildung von Siliziumdioxid ähnlicher Phasen), umso größer der Kennwert.
Bei der Probe d wurde die Sperrschicht mittels eines anorganischen Polymers, also chemisch, aufgebracht. Hier sind die wesentlich schlechteren mechanischen Eigenschaften bzw. Kennwerte auffällig. Dabei unterscheiden sich die durch das Plasmaverfahren erzeugten Sperrschichten a bis c deutlich von der chemisch hergestellten Sperrschicht d in den Kennwerten um mehr als eine Größenordnung.
Der Vergleich mit stöchiometrischem Siliciumdioxid (siehe "Quarz") zeigt, daß die Sperrschichten aus unterstöchiometrischem Siliciumdioxid (Si:0- Verhältnis mit O < 2) eine höhere Elastizität - geringerer Elastizitätsmodul - bei verhältnismäßig bzw. ausreichend hoher Härte und damit Beständigkeit, jedoch verringerter Sprödheit und damit verringerter Neigung zur Rißbildung aufweisen.
Besonders vorteilhaft im vorgenannten Sinne ist es, wenn die Sperrschicht 3 eine mittlere Vickers-Härte von mindestens 300 Vickers, insbesondere mindestens 400 oder 500 Vickers, und/oder von höchstens 600 oder 800 Vickers aufweist, und/oder wenn die Sperrschicht 3 einen mittleren Elastizitätsmodul von maximal 90 GPa, insbesondere von höchstens 88 GPa, und/oder von mindestens 50 oder 80 GPa aufweist.
Ein ungewolltes Segmentieren, also Abplatzen, der Sperrschicht wird vorzugsweise weiter dadurch vermieden, daß die Sperrschicht 3 einen Elastizi- tätsmodul aufweist, der größer oder gleich dem Elastizitätsmodul des Grundmaterials 2 ist und/oder einer sonstigen die Sperrschicht tragenden Trägerschicht ist.
Die vorschlagsgemäße Sperrschicht ist vorzugsweise härter als eine Kunst- stoffschicht, jedoch elastischer als eine Beschichtung aus Keramik oder Metall.
Die gemessenen Si;0-Verhältnisse wurden mittels eines Rastertunnelelektro- nenmikroskpos auf der Basis von Röntgenfluoreszenz bzw. EDX bestimmt und können gewisse Fehler aufweisen.

Claims

Patentansprüche :
1. Chirurgische Einrichtung (1) für den menschlichen und/oder tierischen Körper, die zumindest teilweise aus einem Grundmaterial (2) besteht, das von einer Sperrschicht (3) aus amorphem Siliciumoxid abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) zumindest im wesentlichen aus unterstöchiometri- schem Siliciumdioxid besteht und/oder daß die Sperrschicht (3) eine mittlere Vickers-Härte von mindestens 50 Vik- kers und einen mittleren Elastizitätsmodul von maximal 92 GPa aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) als chirurgisches Instrument (5) ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) als Implantat (7), insbesondere als Stent (8), ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einrichtung (1) im wesentlichen aus dem Grundmaterial (2) besteht.
5. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial (2) aus Keramik, Metall, einer Metalllegierung und/oder einer Metallverbindung, insbesondere aus Aluminium, einer Aluminiumverbindung, einer Aluminiumlegierung und/oder deren Mischungen, besteht.
6. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) für das Grundmaterial (2), davon gebildete Ionen und/oder Körperflüssigkeiten oder -Stoffe undurchlässig ist.
7. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) alle freien und/oder alle für Körperflüssig- keiten oder -gewebe zugänglichen Oberflächenbereiche (4) des Grundmaterials (2) abdeckt.
8. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Sperrschicht (3) eine mittlere Dicke von 10 bis 800 nm, vorzugsweise 20 bis 500 nm und insbesondere bis zu 50 nm aufweist.
9. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) durch Plasmabeschichtung gebildet ist.
10. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) zumindest im wesentlichen aus Si02.x besteht, mit x > 0,01, insbesondere x > 0,1 oder 0,2, vorzugsweise x > 0,3, und oder x < 1,9, insbesondere x < 1,5, vorzugsweise x < 1,0.
11. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) eine mittlere Vickers-Härte von mindestens 100 Vickers, insbesondere mindestens 300 oder 500 Vickers, und/oder von höchstens 600 oder 800 Vickers aufweist.
12. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) einen mittleren Elastizitätsmodul von maximal 90 GPa, insbesondere von höchstens 88 GPa, und/oder von mindestens 50 oder 80 GPa aufweist.
13. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) einen Elastizitätsmodul aufweist, der größer oder gleich dem Elastizitätsmodul des Grundmaterials (2) ist.
14. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) unmittelbar auf das Grundmaterial (2) aufgebracht ist.
15. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) eine äußerste Schicht der Einrichtung (1) bildet.
16. Einrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) feinkörnig ausgebildet ist, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 10 bis 80 nm, insbesondere 10 bis 50 nm, ganz bevorzugt maximal 30 nm, aufweist.
17. Verfahren zur Herstellung einer chirurgischen Einrichtung (1), insbesondere gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Grundmaterial (2) der chirurgischen Einrichtung (1) mit einer Sperrschicht (3) aus amorphem Siliciumoxid beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nicht oxidiertes Silicium im Vakuum verdampft und Sauerstoff begrenzt zugegeben wird, so daß an der Oberfläche des Grundmaterials (2) eine sehr festhaftende Oxidschicht aus unterstöchiometrischem Siliciumdioxid als Sperrschicht (3) gebildet wird.
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