Technische Universität München D-80333 München
Verfahren zur Erzeugung einer Strukturierung von Metalloberflächen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Bauteile
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strukturierun¬ gen von Metalloberflächen. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, dessen Oberflä¬ che mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens strukturiert ist.
Die Strukturierung von Metalloberflächen ist in zahlreichen unterschiedlichen Tech¬ nologiebereichen von Bedeutung. Ein Beispiel ist der Bereich der Medizintechnik. Es ist bekannt, Implantate mit Medikamenten zu beschichten, damit die Implantate an der Stelle ihres Einsatzes in gewünschter Weise das oder die Medikamente frei¬ setzen können. So ist es beispielsweise bekannt, koronare Stents mit einer Medi- kamentenbeschichtung zu versehen. Derartige Stents werden eingesetzt, um durch Ablagerungen verengte Arterien der Herzkranzgefäße aufzuweiten, um wieder ei¬ nen ausreichenden Blutfluß zu gewährleisten. Stents bestehen aus einem Geflecht biokompatiblen Materials, das in den Bereich einer Gefäßverengung, d.h. einer Stenose eingebracht und sodann aufgeweitet wird. Stents verbleiben nach ihrer Aufweitung üblicherweise dauerhaft im Körper. Um unerwünschte Körperreaktio¬ nen, wie beispielsweise Entzündungen bzw. die erneute Verengung des Gefäßes
zu verhindern, ist es bekannt, die Stents mit geeigneten Medikamenten zu be¬ schichten.
Bei heute üblichen Verfahren werden Stents unmittelbar nach ihrer Herstellung mit einem oder mehreren Medikamenten beschichtet und sodann mit einem bioresor- bierbaren Polymer überzogen. Dieser Polymerüberzug dient zum einen dazu, ein Abtrennen der Medikamente beim Einsetzen des Stents zu verhindern und zum anderen dazu, die Freisetzungskinetik der Medikamente zu beeinflussen bzw. eine kontrollierte Freisetzung der Medikamente sicherzustellen.
Die genannte Medikamentenbeschichtung wird üblicherweise in strukturierte Berei¬ che der Oberfläche des Implantats eingebracht. Derzeit sind zwei Arten der Erzeu¬ gung von oberflächenstrukturierten Bereichen von Stents bekannt. Es handelt sich um die Methode des Sandstrahlens sowie des Laserns. Das Sandstrahlen hat die Wirkung, daß die Haftung des Medikamentes auf der Implantatoberfläche verbes¬ sert wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß ggf. Strahlparti¬ kel auf dem Implantat zurückbleiben, wodurch das Risiko der Verletzung des Ge¬ webes beim Einsetzen des Implantats erhöht wird.
Mittels der Anwendung von Laserstrahlen lassen sich gezielt Vertiefungen/Löcher in der Oberfläche des Implantates erzeugen. Auf diese Weise können Depots für Medikamente in dem Implantat erzeugt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Medikament nicht gleichmäßig auf der Oberfläche des Im¬ plantats verteilt werden kann, da das Laserschneiden aufgrund der begrenzten late¬ ralen Auflösung nur die lokale Erzeugung von Vertiefungen bzw. Löchern und somit auch nur die lokale Applikation von Medikamenten zuläßt.
In beiden vorgenannten Fällen ist in der Regel eine Polymerbeschichtung notwen¬ dig. Durch das Sandstrahlen kann die Freisetzungskinetik des Medikamentes nicht verlangsamt werden, so daß ein Polymerüberzug im allgemeinen erforderlich ist. Beim Laserschneiden entstehen üblicherweise Vertiefungen im Bereich von ca. 50 μm Breite und einigen 100 μm Länge. Aus diesen relativ großen Vertiefungen wür-
de das Medikament ohne Polymerbeschichtung zu schnell freigesetzt werden, so daß auch bei der Methode der Strukturierung der Oberfläche mittels Lasers übli¬ cherweise ein Polymerüberzug erforderlich ist.
Ein Nachteil der Polymerbeschichtung besteht darin, daß der Abbau des Polymers zu unerwünschten Nebenprodukten führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Polymerbeschichtung einen weiteren Verfahrensschritt im Rahmen der Implan¬ tatherstellung darstellt, der die Herstellung der Implantate verkompliziert und ver¬ teuert. Eine Polymerbeschichtung ist insbesondere dann problematisch, wenn Stents unmittelbar vor einer Operation vor Ort beschichtet werden sollen, um indivi¬ duell Dosierung und Auswahl des Medikamentes einstellen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustel¬ len, mittels dessen eine gleichmäßige Strukturierung, vorzugsweise Mikrostrukturie- rung, von Metalloberflächen erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge¬ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü¬ che.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Strukturierungen bzw. Mikrostrukturie- rungen der Metalloberfläche durch elektrochemische Ätzung erzeugt werden. Dar¬ unter wird die Erzeugung einer Strukturierung/Mikrostrukturierung mittels Stromfluß durch das Bauteil, dessen Oberfläche strukturiert werden soll, beispielsweise ein Implantat, unter Einwirkung eines Ätzmittels verstanden. Durch elektrochemische Ätzung können gleichmäßige Mikrostrukturen beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Mikrometern Tiefe erzeugt werden. Durch das Verfahren der elektro¬ chemischen Ätzung können Oberflächenmodifikationen erzeugt werden, die z. B. als Grundlage für Medikamentenbeschichtungen beispielsweise von Edelstahl- stents dienen. Das Verfahren stellt eine vorteilhafte Alternative zu den vorbekann¬ ten Methoden des Sandstrahlens sowie der Laserschneidens dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf den Bereich der Medizintechnik be¬ schränkt, sondern kann vielmehr zur Strukturierung von Oberflächen beliebiger me¬ tallischer Teile verwendet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Metalloberflä¬ che um die Oberfläche von Implantaten, vorzugsweise von Stents, insbesondere von Edelstahlstents. Grundsätzlich ist das Verfahren auch bei beliebigen anderen Bauteilen bzw. Implantaten anwendbar.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erolgt das elektrochemische Ätzen oh¬ ne Zuhilfenahme einer Maske und allein unter Ausnutzung der intrinsischen Materi¬ alstrukturen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die elektrochemische Ätzung eine Ätzung im Bereich der Korngrenzen. Dabei wird der Effekt unterschiedlicher Abtragsraten von Korngrenzen und Kornflächen ausgenutzt, um gezielte Strukturen in den Werkstoff einzubringen. Es ist möglich, an den Korngrenzen Vertiefungen in der Größenordnung von einigen Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 20 μm, insbesondere 2 μm bis 10 μm Tiefe zu erzeugen, die als Speichervolu¬ men für Medikamente dienen können. Die Tiefe dieser Bereiche kann beispielswei¬ se über die Ätzdauer eingestellt werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß bei dem Verfahren der elektrochemischen Ätzung flächige Bereiche in der Oberfläche des betreffenden Bauteils erzeugt wer¬ den. Denkbar ist es beispielsweise, daß stufen- oder plättchenförmige Bereiche erzeugt werden, die die Haftfähigkeit der Metalloberfläche erheblich erhöhen und somit die Wahrscheinlichkeit für das unerwünschte Abtrennen z. B. eines Medika¬ mentes verringern. Derartige Plättchen können beispielsweise eine Kantenlänge in der Größenordnung von 10 μm aufweisen.
Bei dem Ätzmittel handelt es sich vorzugsweise um ein wäßriges oder alkoholi¬ sches Ätzmittel. Grundsätzlich ist auch der Einsatz konzentrierter Säuren denkbar.
Als Ätzmittel wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens verdünnte Salpe¬ tersäure und/oder verdünnte Salzsäure eingesetzt. Verdünnte Salpetersäure ist das bevorzugte Ätzmittel bei der elektrochemischen Korngrenzenätzung. Es entstehen durch die Ätzung Oberflächen, auf denen die Korngrenzen bis in eine einstellbare Tiefe ausgehöhlt werden, während die Kornflächen nahezu unberührt bleiben. Die einzelnen Körner sind somit nach der Korngrenzenätzung von Gräben umgeben, die als Medikamentendepots dienen können, was ein bevorzugtes Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung für den Fall darstellt, daß es sich bei dem Bauteil um ein Im¬ plantat, vorzugsweise um einen Stent handelt. Die Tiefe dieser Gräben kann bei¬ spielsweise durch die Variation der Ätzzeiten verändert werden.
Die elektrochemische Chloridätzung, d.h. die Verwendung von verdünnter Salzsäu¬ re als Ätzmittel führt demgegenüber zu einer mit kleinen Plättchen belegten Ober¬ fläche. Die erzeugten Strukturen sind gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und haben keine Vorzugsrichtung. Es werden plättchen- bzw. stufenförmige Bereiche erzeugt, die eine gute Haftfähigkeit aufweisen. Es erfolgt bei der elektrochemischen Chloridätzung ein flächiger Abtrag im Bereich der Kornflächen. Dabei wird die Lö¬ sung vorzugsweise gerührt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung, vorzugsweise mittels verdünnter Salpetersäure, mit einem wei¬ teren Verfahrensschritt kombiniert. Dabei handelt es sich um das elektrochemische Ätzen der flächigen Bereiche, vorzugsweise unter Anwendung verdünnter Salzsäu¬ re und/oder Oxalsäure und/oder Phosphorsäure, wodurch sich die durch die Korn¬ grenzenätzung hergestellten Furchen verbreitern und die bei der Korngrenzenät¬ zung erhaltenen Kanten glätten. Das Resultat ist eine gleichmäßig durch breite Ka¬ näle strukturierte Oberfläche. Während die Lösung bei Anwendung der oben ge¬ nannten elektrochemischen Chloridätzung zur Herstellung der plättchen- bzw. stu¬ fenförmigen Bereiche mit guter Haftfähigkeit vorzugsweise gerührt wird, ist dies bei dem vorgenannten weiteren Verfahrensschritt nicht der Fall, d. h. die glättende Wir¬ kung der Ätzung bzw. der Chloridätzung als weiterer Verfahrensschritt der Korn-
grenzenätzung wird vorzugsweise in nicht gerührter Lösung erhalten. Die weiteren Verfahrensparamater können unverändert bleiben.
Das Bauteil ist während der elektrochemischen Ätzung als Anode geschaltet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Stromdichte bei der elektrochemi¬ schen Ätzung in einem Bereich von 0,1 mA/mm2 bis 100 mA/mm2, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mA/mm2 bis 10 mA/mm2 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 mA/mm2 bis 5 mA/mm2.
Es kann vorgesehen sein, daß das Bauteil bzw. Implantat, dessen Oberfläche er¬ findungsgemäß strukturiert ist nach der elektrochemischen Ätzung mit einem oder mehreren Medikamenten beschichtet wird. Eine zusätzliche Polymerbeschichtung wird üblicherweise bei dem Verfahren der elektrochemischen Chloridätzung erfor¬ derlich sein. Bei dem Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung kann auf eine Polymerbeschichtung im allgemeinen verzichtet werden, wodurch sich die o. g. Nachteile eines derartigen Überzuges vermeiden lassen. Insbesondere ergibt sich hierbei der Vorteil, daß die Bauteile, wie die Implantate bzw. die Stents unmit¬ telbar vor der Operation in der gewünschten Weise mit dem oder den Medikamen¬ ten beschichtet werden können. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, auch bei korngrenzengeätzten Bauteilen bzw. Implantaten/Stents eine Polymerbe¬ schichtung vorzusehen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, dessen Oberfläche durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 strukturiert ist. Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Implantat, beispielsweise um einen Stent.
Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile weisen den Vorteil einer besonders guten Biokompatibiltät auf. Die hergestellten Oberflächenstrukturen der Bauteile bzw. der Implantate sind für die Besiedlung durch Zellen im Körper hervorragend geeignet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem in den REM- Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:
Fig. 1 : Abbildung eines komgrenzengeätzten Stents,
Fig. 2: Detaildarstellung des Stents gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3: Abbildung eines komgrenzengeätzten und mit Rapamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
Fig. 4: Detaildarstellung des korngrenzengeätzen und beschichteten Stents gemäß Fig. 3,
Fig. 5: Abbildung eines nach dem Stand der Technik sandgestrahlten und mit Ra¬ pamycin beschichteten Stents nach der Aufdehnung,
Fig. 6: Detaildarstellung des sandgestrahlten und beschichteten Stents gemäß Fig. 5,
Fig.7: Abbildung eines chloridgeätzten Stents,
Fig. 8: Detaildarstellung des Stents gemäß Fig. 7 und
Fig. 9: Abbildung eines Stents nach Korngrenzenätzung und anschließender Chlo¬ ridätzung.
Die elektrochemischen Ätzungen der in den Figuren 1 bis 4 und 7 bis 9 dargestell¬ ten Stents erfolgten in wäßrigem Ätzmittel. Der elektrische Strom wurde mittels ei¬ nes Edelstahl- oder Graphitdorns eingeleitet, auf den der Stent aufgesetzt wurde. Der Stent wurde als Anode geschaltet, wobei die Stromdichten auf der Stentober- fläche in der Größenordnung von mA/mm2 lagen. Als Kathode wurde ein Edelstahl-
streifen verwendet. Der Gleichstrom wurde von einem Netzgerät geliefert, wobei die Spannung bei Ätzung eines einzelnen Stents im Bereich von 10 bis 30 Volt lag.
Um einen Einfluß der Kathodenreaktion zu vermeiden, wurden Kathode und Anode in getrennten Behältern angeordnet. Die Behälter sind durch einen mit dem Ätzmit¬ tel getränkten Zellstoffstreifen elektrisch verbunden. Grundsätzlich ist auch ein Be¬ hälter ohne Membran, d. h. ohne Trennung der Anodenseite von der Kathodenseite einsetzbar. In diesem Fall dient z. B. der Behälter als Kathode. Ferner ist bei einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung die Spannung bei Ätzung eines Stents ge¬ ringer. Sie kann z. B. im Bereich 0,5-2 Volt liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren der elektrochemischen Ätzung wurde an laser¬ geschnittenen Stents der Legierung 316L ISO 1.4401 durchgeführt. Es handelt sich um einen austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän Stahl. Bei beiden Methoden (Korngrenzenätzung und Chloridätzung) lag der Abtrag bei unter 20 μm Durchmes¬ serverringerung der einzelnen Struts des Stents.
Figur 1 und Figur 2 zeigen einen korngrenzengeätzten Stent nach 10 min. Ätzung in verdünnter Salpetersäure bei einer Stromdichte von 1 ,14 mA/mm2 in einer Ver¬ größerung 200X (Figur 1 ) und 500X (Figur 2). Figur 2 zeigt, daß durch die Ätzung Oberflächen entstehen, auf denen die Korngrenzen bis in eine einstellbare Tiefe ausgehöhlt sind, wohingegen die Kornflächen nahezu unberührt bleiben. Die ein¬ zelnen Körner, deren Durchmesser im Fall der dargestellten Stents im Bereich von 15 μm liegt, sind nach der Korngrenzenätzung von mehreren Mikrometern tiefen Gräben umgeben. Die durchschnittliche Tiefe dieser Strukturen kann durch die Va¬ riation der Ätzzeiten beispielsweise auf einen Wert zwischen 2 μm und 10 μm ein¬ gestellt werden.
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen korngrenzengeätzten Stent nach Beschichtung mit Rapamycin und nach der Aufdehnung, wobei Figur 4 einen Ausschnitt des Stents gemäß Figur 3 in vergrößerter Darstellung zeigt. Die Ätzung erfolgte über 10 min. mit verdünnter Salpetersäure mit einer Stromdichte von 1 ,14 mA/mm2. Die Be-
Schichtung erfolgte mit 2% Rapamycin. Die Korngrenzenätzung führt zu grabenarti¬ gen Vertiefungen in der Größenordnung von ca. 10 μm um die Kornflächen herum, die als Rapamycindepots dienen und eine gute und gleichmäßige Fixierung des Medikamentes ermöglichen. Ein Polymerüberzug ist nicht erforderlich, da die ge¬ wünschte Medikamentenfreisetzung erzielbar ist und ein Abplatzen des Medika¬ mentes nicht oder nicht in erheblichem Umfang auftritt. Die Figuren 5 und 6 zeigen einen gemäß dem Stand der Technik sandgestrahlten Stent in unterschiedlichen Vergrößerungen, ebenfalls beschichtet mit 2 % Rapamycin nach der Aufdehnung. Durch Sandstrahlen kann zwar die Haftung des Medikamentes auf der Oberfläche verbessert werden. Um ein Abplatzen des Medikamentes zu verhindern, ist jedoch anders als bei korngrenzengeätzten Stents üblicherweise eine Polymerbeschich- tung vorzusehen.
Die Figuren 7 und 8 zeigen Aufnahmen eines Stents nach der elektrochemischen Chloridätzung. Als Ätzmittel wurde verdünnte Salzsäure verwendet. Diese Ätzung liefert eine gleichmäßig mit kleinen Plättchen belegte Oberfläche, die keine Vor¬ zugsrichtung im Raum haben. Die Kantenlänge der Plättchen liegt in der Größen¬ ordnung von 10 μm. Figur 7 zeigt den Stent nach einer Chloridätzung über 10 min. mit einer Stromdichte von 2,28 mA/mm2 in einer Vergrößerung von 300X, Figur 8 zeigt diesen Stent in einer Vergrößerung von 1000X.
Aus Figur 9 ist das Ergebnis einer Kombination aus Korngrenzenätzung und Chlo¬ ridätzung ersichtlich. Durch eine derartige Kombination können die durch die Korn¬ grenzenätzung hergestellten Furchen bzw. Gräben der Korngrenzen gemäß Figur 2 deutlich verbreitert werden und scharfe Kanten geglättet werden. Als Ergebnis wird gemäß Figur 9 eine gleichmäßig durch breite Kanäle strukturierte Oberfläche erhal¬ ten. Figur 9 zeigt die Stentoberfläche nach kombinierter Ätzung (Korngrenzenät¬ zung mit 1 ,14 mA/mm2 für 10 min. mit verdünnter Salpetersäure als Ätzmittel; an¬ schließend Chloridätzung mit 2,28 mA/mm2 für 10 min. mit verdünnter Salzsäure als Ätzmittel).
Gegenüber vorbekannten Verfahren lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren die folgenden Vorteile erzielen:
Es bleiben keine Partikel auf der Oberfläche zurück, die die Performance des Stents beeinträchtigen, wie dies beim Sandstrahlen der Fall ist.
Es treten im Gegensatz zu den vorbekannten Verfahren weder thermische noch mechanische Belastungen auf.
Das Verfahren der Chloridätzung bietet eine vorteilhafte Alternative zum Sandstrah¬ len, benötigt jedoch anders als die Korngrenzenätzung üblicherweise eine PoIy- merbeschichtung.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das ganze Bauteil gleichmäßig strukturiert wird und daß im Gegensatz zum Sand¬ strahlen auch Hinterschneidungen und sehr feine Strukturen behandelt werden können. Bereiche, die nicht behandelt werden sollen, können ohne weiteres mit einem Lack abgedeckt werden.
Das Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung weist zusätzlich zu den angegebenen Vorteilen folgende weitere Vorteile auf:
Das Medikament kann gleichmäßig in sehr feinen Strukturen im Bereich von 10 μm über die gesamte Oberfläche verteilt werden mit daraus resultierender verzögerter Freisetzungskinetik.
Über die Tiefe der Ätzung läßt sich das das Medikament aufnehmende Volumen einstellen. Des Weiteren wird im Gegensatz zur Methode des Laserschneidens die Haftfähigkeit der Oberfläche deutlich erhöht.
Durch die Korngrenzenätzung wird erstmalig die Möglichkeit geschaffen, auf eine Polymerbeschichtung zu verzichten und damit die problemlose Beschichtung der Stents unmittelbar von einer Operation ermöglicht.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung die Möglichkeit bietet, eine gezielte Mikrostrukturierung der Oberfläche von Metallen, insbesondere von Implantaten bzw. Stents vorzunehmen. Das Verfahren der elektrochemischen Korngrenzenätzung bietet insbesondere weiterhin den Vorteil, daß auf eine Poly¬ merbeschichtung nach Aufbringen eines Medikamentes verzichtet werden kann. Durch die vorliegende Erfindung wird ein individualisiertes stentbasiertes Therapie¬ konzept zur Prävention der Restenose ermöglicht.