Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7073
Entwicklung und Qualifizierung oberflächenaktivierter Gefäßstützen
in der Medizintechnik
A. Przykutta
Zusammenfassung
Das Hauptproblem bei
der Behandlung von Herzkranzgefäßverengungen mit Stents ist die spätere
Wiederverengung der Gefäße. Die se tritt bei etwa 20-30 % aller Fälle auf. In
früheren Versuchen zeigten kurzreichweitig-radioaktive, Elektronen emittierende
Stents innerhalb der Gefäßstütze ein hervorragendes Verhalten gegen die
Ausbildung von Wiederverengungen (Restenosen), jedoch an ihren äußeren Enden
eine erhöhte Entstehungswahrscheinlichkeit von Verengungen wegen der geringen
Reichweite der Strahlung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und
Charakterisierung einer neuartigen röntgenstrahlenden Beschichtung für Stents,
mit deren Hilfe die Wiederverengungen im und an den Stentenden durch
Reichweitenvergrößerung der Strahlung verhindert werden soll. Es konnte zum
ersten Mal auf AISI 316L Stahlstents das röntgenstrahlende Isotop 103Pd
haftfest und abwaschsicher mittels eines bis zu 400 nm dicken
Multilagenschichtaufbaus aus Gold und Palladium galvanisch aufgebracht werden.
Es wurde hierzu eine neuartige Abscheidevorrichtung entwickelt, die es
ermöglichte, die Proben zu kontaktieren, ohne dass sich eine dauerhafte
Kontaktfl äche ausbildete, die Fehler in der Beschichtung erzeugte. Sie machte
die Penetration des elektrischen Feldes in den Stentinnenraum möglich und
verhalf so zu einer homogenen Beschichtung auch der Probeninnenseiten. Die
Schichten wurden durch Abscheidestromdichtevariation im Hinblick auf den
Abwasch von Radioaktivität, die Homogenität der Beschichtung, die
Abscheideeffizienz, das Korrosionsverhalten und die Biegewechselfestigkeit
optimiert. Die Messung des radioaktiven Abwasches wurde durch eine
Ultraschallbehandlung in isotonischer Kochsalzlösung simuliert. Die
freigesetzten Aktivitäten lagen wesentlich unterhalb des Inhalations- und
Ingestionsgrenzwertes der Strahlenschutzverordnung und übertrafen damit
deutlich die an die Proben gestellten Anforderungen. Die Homogenität der
Beschichtung konnte durch gezielte Veränderungen der Abscheidegeometrie
optimiert werden. Dazu kam erstmalig ein Finite Elemente Programm zur
Berechnung der elektrischen Feldverteilung im galvanischen Bad zum Einsatz, das
durch die vorherige Simulation der Feldlinienverteilung eine gezielte
Optimierung ermöglichte. Die Implantate zeigten ein mit Stahlstents
vergleichbares Korrosionsverhalten. Die Beschichtung erwies sich als haftfest
und äußerst duktil und blieb unter Biegewechselbeanspruchung bei
Substratversagen noch integer. Tiefenprofilanalysen der Beschichtung zeigten
eine Ausbildung von Palladiuminseln innerhalb einer Goldmatrix und erklären das
hervorragende Abwaschverhalten. Die je Stent aufgebrachte Aktivität konnte
innerhalb eines Jahres von 10 μCi auf 10 mCi gesteigert und so die
geforderte Einsatzaktivität von 4 mCi erreicht werden. Dabei konnte eine
bislang unerreichte Radionuklidreinheit (> 99,9995 %) gewährleistet werden.
In extern durchgeführten Tests zeigten die Stents ihre Biokompatibilität und
erfüllten zusätzliche Forderungen der amerikanischen Gesundheitsbehörde (FDA)
an medizinische Implantate. Der entwickelte Prozess ist in der Lage zuverlässig
und in großen Mengen Produkte zu erzeugen, die alle Anforderungen für die
erfolgreiche und sichere Behandlung von Patienten erfüllen. Die Ergebnisse
lassen sich auch auf andere Bereiche (z.B. Onkologie) anwenden.
Development and
characterization of surface-activated stents for medical purposes
Abstract
The main problem of the
treatment of stenoses in cardiovascular arterias using stents is the subsequent
restenosis of the arterias. That occurs in 20-30 % of the cases. In previous
tests, short-range radioactive, electron-emitting stents demonstrated
outstanding efficacy against restenosis within the implant, however, on the
stent edges there was an increased probability of the re-occurance of stenoses
due to the shortrange radiation used. This thesis describes the development and
the characterization of a novel x-ray-emitting coating for stents with the aim
to inhibit the formation of restenosis within the stent and at the stent edges
by increasing the range of the radiation. For that, the x-ray-emitting isotope
103Pd was attached securely and washoff-proof using a multilayer coating with a
thickness of up to 400 nm which was put on top of an AISI 316L stainless steel
stent using galvanic deposition of gold and palladium for the first time. To do
that, a novel deposition device was developed that made it possible to
establish a non-permanent electrical contact with the samples in order to
prevent defects within the coatings. This device enabled an electrical field to
penetrate the inside of the stent to ensure the homogeneous coating of the
inner surface of the implant. The coating was optimized with regard to the
wash-off of radioactivity, the homogeneity of the coating, the coating
efficiency, the corrosion stability and the fatigue strength under reversed
bending stresses through the variation of the deposition current density. The
measurement of the radioactive wash-off was simulated using ultrasonic
treatment with an isotonic saline solution. The released activities measured
were well below the official inhalation and ingestion limits of the German
Radiation Safety Act and surpassed the specifications regarding the quality
assurance of radioactive stents. The optimization of the homogeneity of the
coating was accomplished by changing the deposition geometry. For that a finite
element method software was used for the first time to calculate and to
optimize the electrical field distribution inside the galvanic bath. The
implants showed a level of corrosion stability comparable to non-coated stainless
steel stents. The coating adhered well to the substrate surface and was highly
ductile. Even after the substrate had failed due to reversed bending stresses
the coating was still intact. Depths profile analyses of the coating showed a
formation of palladium islands within a gold matrix and explain the
satisfyingly low wash-off. Within a year, the deposite activity per implant
rose from 10 μCi up to 10 mCi, so that the implantation activity of 4 mCi
could be achieved. A t the same time, an all-time radiopurity of the
radioactive coating (> 99,9995 %) could be guaranteed. External tests showed
the biocompatibility of the stents and additional specifications for medical
implants by the American Food and Drug Administration were fulfilled. The
process developed is suitable for the production of large-size and reliable
products, that fullfil all specifications for a successful and safe treatment
of patients. The results are also applicable to other fields (e.g. oncology).
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