Beschichtungen

In den letzten 20 Jahren wurden eine Reihe von Oberflächentechniken, die zuvor in der Industrie eingesetzt wurden, nach umfangreichen Tests auch für die Medizintechnik genutzt. MAT Medizintechnik hat für die verschiedenen Materialien z.B. aus Metall, Keramik, Polymeren oder Glas einen Komplex von Oberflächentechnologien entwickelt, die einzeln oder in Kombination biologische Eigenschaften von Medizinprodukten verändern oder beinflussen können.

Diese Technologien werden neben den Instrumenten und Geräten, die außerhalb des menschlichen Körpers zum Einsatz kommen, hauptsächlich für Implantate genutzt. Ähnlich wie bei Industrieproblemstellungen können Beschichtungen oder Oberflächenmodifizierungen z.B. bei Gelenkimplantaten den Verschleiß senken.

Dabei sind alle Beschichtungen biokompatibel.

Endoprothesen-Beschichtung

Seit ca. 25 Jahren werden moderne Verfahren der Oberflächentechnik für die Lösung von tribologischen Problemen bei Gelenkimplantaten eingesetzt. Neben der Ionenimplantation werden Plasmaverfahren unter Vakuumbedingungen genutzt. Bei der Ionenimplantation werden Stickstoffionen in die Oberflächenrandzone geschossen, um eine Härtesteigerung und damit besseres Verschleißverhalten zu erreichen.

Bei der Beschichtung werden Hartstoffschichten wie TiN, CrN oder DLC genutzt, um den Reibkoeffizienten z.B. gegen Polymere zu verbessern. Deren Biokompatibilität ist vielfältig untersucht worden.

Die Abbildung unten zeigt ein mit verschiedenen Hartstoffschichten beschichtetes Hüfgelenk.

Bild 1_Hüftgelenk

Hüftgelenk mit verschiedenen Hartstoffschichten

Die TiN-Beschichtung des Hüftkopfes verbessert das Verschleißverhalten im Gelenkimplantat!

reduktion_vrschleiß

Verschleißverhalten eines CoCr-Hüftkopfes (32 mm) gegen UHMWPE
w (Gesamtverschleiß) = w (unbeschichtet) / -w (beschichtet)

Durch die TiN-Schicht wird der Abrieb in der Polymerpfanne (UHMWPE) deutlich reduziert.

Literatur zur Biokompatibilität der TiN-Schichten:

  • R. A. Poggie, A. K. Mishra, J. A. Davidson, Three-body abrasive wear behaviour of orthopaedic implant bearing surfaces from titanium debris, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 5 (1994) 387-392
  • J. J. A. M. van Raay, P. M. Rozing, C. A. van Blitterswijk, R. M. van Haastert, H. K. Koerten, Biocompatibility of wear-resistant coatings in orthopaedic surgery in vitro testing with human fibroplast cell cultures, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6 (1995) 80-84

Stents-Beschichtung

Bei koronare wie periphere Stents kann die Restenosegefahr durch eine entsprechende Oberflächentechnik wesentlich verringert werden.

Abb. 1 zeigt eine Auswahl verschiedener Hersteller.

Neben der passiven Oberflächentechnik gibt es aktive Schichten, dieunter „Drug eluting“ beschrieben werden.
Bei der passiven Oberflächentechnologie werden z.B. Beschichtungen und die Ionenimplantation eingesetzt, um die Hemokomtaibilität zu verbessern und dieRestenosegefahr zu verringern.
Bei der Ionenimplantation werden Kohlenstoffionen in die Oberfläche geschossen.
Dadurch entsteht eine Sperrschicht unmittelbar unter der Metalloberfläche.

Abb. 2 zeigt diesen Effekt in einem schematischen Tiefenprofil.

Bei Beschichtungen wie z.B. DLC, Iridiumoxid ua. kann die Schicht die Ausdiffusion von allerisch wirkenden Elemente wie zB. Nickel unterdrücken, wenn die Oberfläche innen und außen dicht abgeschlossen wird.

Abb. 1: periphere und koronare Stents

Abb. 1: periphere und koronare Stents

Abb. 2: schematisches Tiefenprofil nach Ionenimplantation von Kohenstoff in einen Metallstent

Abb. 2: schematisches Tiefenprofil nach Ionenimplantation von Kohenstoff in einen Metallstent

Katheter-Beschichtung

Die Beschichtung von Kathetern verfolgt zwei Ziele: zum einen soll das Gleitverhalten im menschlichen Körper verbessert werden, zum andern soll bei Langzeit-Kathern das Infektionsrisiko am Übergang zum Körper verringert werden.

Zur Verbesserung des Gleitverhalten setzen wir Beschichtungen mit Hydrogele ein. Um eine antibakterielle Wirkung zu erreichen, werden die Katheter mit Silber oder Wirkstoffen beschichtet.

Die Abbildung unten zeigt Katheter mit einer partiellen Silberbeschichtung.

Katheter-Beschichtung

Katheter mit partieller Silberbeschichtung

Chirurgische Instrumenten-Beschichtung

Viele Instrumente in der Medizintechnik unterliegen einem erhöhten Verscheiß. Davon betroffen sind fast alle Schneidinstrumente.
Hartstoffbeschichtungen wie TiN, TiAlN, TiCN können die Lebensdauer und damit die Verwendbarkeit teilweise um den Faktor 3 bis 5 erhöhen.
Die Abbildung unten zeigt OP-Scheren mit einer TiN-Beschichtung.

MATMed-Chirurgische Istrumente

OP-Scheren mit einer TiN-Beschichtung

Mit schwarzen Beschichtungen können auch die störenden Reflexe bei intesiver Beleuchtung vermieden werden.

Dentalmedizin-Beschichtung

Die in der Zahntechnik eingesetzten Metalle haben einen deutlichen Nickelanteil, der bei vielen Patienten zu allergischen Reaktion führt. Eine Abhilfe kann hier die Beschichtung mit TiN bringen. Diese Hartstoffschicht wirkt als Sperrschicht für die Ausdiffusion von Ni.

Die Abbildung unten zeigt verschiedene Gußstücke nach der TiN-Beschichtung.

Dentalmedizin-Beschichtung

Gußstücke mit TiN-Beschichtung

Medikamentendosier-Beschichtung – Drug eluting

Für ein Drug-eluting-System (DES) bei Stents wurde ein variables Medikamenten-Abgabe-System entwickelt, das auch für viele andere Anwendungen einsetzbar ist.

Es besteht aus einer Passivierungsschicht und einem Resomer (Milchsäure). Im Resomer befindet sich der Wirkstoff, der durch den Abbau des Resomers freigesetzt wird.
Die Passivierungsschicht hat die Aufgabe, nach Abbau des Resomers die Abgabe von Metall-Ionen zu verhindern und den thrombogenen Schutz zu sichern.

Als Passivierungsschicht werden größtenteils die bei Stents bereits eingesetzten DLC-Schichten (diamond like coating) genutzt. Das sind diamantähnliche Schichten in einem amorphen Zustand, die aufgrund der hohen chemischen Beständigkeit auch eine sehr gute Biokompatibilität aufweisen.
Die Abscheidung der diamantähnlichen Schichten erfolgt mit modernsten, umwelt-freundlichen Vakuumbeschichtungsverfahren unter Einsatz von Ionenstrahl- und Plasma¬technologien.
Es wurden aber auch andere Möglichkeiten getestet.

Das Resomer kann mit verschiedenen Wirkstoffen in unterschiedlichen Konzentrationen gemischt werden.
Diese Mischung wird unter Vakuumbedingungen aufgebracht und getrocknet. Dieser Prozess wird mehrfach wiederholt, so dass auch durch die Schichtdicke die Abgabezeit bestimmt werden kann (Tage bis Monate).

Es entsteht eine weitgehend transparente Schicht mit hoher Haftfestigkeit.

Welche Wirkstoffe können eingesetzt werden?

Dem Resomer können verschiedene Wirkstoffe begegeben werden:

Rapamyzin, Gentamicin, Teicoplanin, Taxol, Hirudin, Iloprost

Einsatzmöglichkeiten

  • Stents
  • Katheter
  • Herzklappen
  • Gelenkimplantate
  • Führungsdrähte
  • Wirbelsäulenimplantate
  • Instrumente
  • Sonderanwendungen

Eigenschaften

  • temperaturstabil
  • gute Gleiteigenschaften
  • hohe Haftfestigkeit
  • gute Dosierbarkeit
  • umweltfreundliche Verfahrenstechnik
  • ausreichend elastisch

Verschleiß- & Korrosionsschutz

In der Medizintechnik werden verschiedene Hartstoffschichten eingesetzt, die industriell zur Verbesserung des Verschleißschutzes von Werkzeugen genutzt werden.
Die Biokompatibilität dieser Schichten wurde in vielfältigen Untersuchungen nachgewiesen. Werkstoffseitig zählen diese Schichten zu den Keramiken. Die Eigenschaft der Biokompatibilität ergibt sich aus dem keramischen Charakter der chemischen Bindung bzw. aus den starken Bindungskräften. Sie sind zumeist hart und können chemisch nur schwer angelöst werden..
Für die Medizintechnik sind aber die Haftung und Dichtheit der Schicht um so entscheidender für Anwendungen in der Medizintechnik. Nur eine dichte Schicht kann den Korrosionsschutz des Untergrundes gewährleisten oder als Sperrschicht wirken.

Verbesserte Oberflächenhärte



TiN-Schichten-Oberflächenhärte

Bestimmung der Schichthärte durch registrierende Härtemessung unter Last

Die TiN-Beschichtung erhöht die Oberflächennhärte der Implantate und verbessert dadurch das Verschleißverhalten und die Handhabungssicherheit (Kratzfestigkeit).

Verbesserte tribologische Eigenschaften



TiN-Schichten-tribologische Eigenschaften

trockene Reibung einer starren Kugel aus Wolframkarbid gegen TiN

Der verbesserte Reibungskoeffizient auf Gelenkimplantaten führt zu geringeren Grenzkräften und wesentlich geringeren Abrieben.

Verbessertes Verschleißverhalten im Gelenkimplantat



TiN-Schichten-Verschleißverhalten

Verschleißverhalten eines CoCr-Hüftkopfes (32 mm) gegen UHMWPE

Durch die TiN-Beschichtung von Gelenkimplantaten wird der Abrieb deutlich reduziert.

Zellspezifische Beschichtung

Hinweis

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Biokompatibele Beschichtung

Werkstoffe wie z. B. Titan, die bioverträglich sind, lassen sich als dünne Schichten abscheiden. Diese Schichten können auf weniger verträgliche Materialien u.a. als Sperrschicht aufgebracht werden. So kann u.a. auch in beschichteten Zellkulturschalen das Anwachsverhalten von Implantaten außerhalb des Körpers sehr leicht untersucht werden.

Antibakterielle Beschichtung

Hinweis

Beschreibungstext einfügen!

Antithrombogene Beschichtung

Harte Kohlenstoff-Beschichtungen (DLC) können die Thrombosegefahr bei Implantaten wie absolut minimieren, da diese Schichten chemisch inert sind und sehr glatt abgeschieden werden können.

Hemokompatibel Beschichtung

Die Blutverträglichkeit ist für viele medizinische Geräte, Implantate und Instrumente von größter Wichtigkeit. Mit Hilfe der biomat-Technologie kann die Oberfläche medizinischer Produkte so eingestellt werden, dass die Thrombosegefahr und die Anhaftung von Ablagerungen vermieden bzw. verringert wird.

Antiplaque-Beschichtung

Bei Zahnersatz können Beschichtungen die Ablage von Plaque sehr lange verhindern.