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Dokumentenidentifikation DE102005031293A1 11.01.2007
Titel Instrument und Prothese aus Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid
Anmelder Amedo GmbH, 44799 Bochum, DE
Vertreter Schneiders & Behrendt Rechts- und Patentanwälte, 44787 Bochum
DE-Anmeldedatum 05.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005031293
Offenlegungstag 11.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.01.2007
IPC-Hauptklasse A61L 27/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61L 27/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   A61L 31/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft medizinische Vorrichtungen aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft medizinische Vorrichtungen aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid, insbesondere aus Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärktem Siliciumcarbid.

Die zu erfüllenden Grundanforderungen an medizinische Vorrichtungen, insbesondere an medizinische Instrumente und Prothesen sind Biokompatibilität, Biostabilität und je nach Anwendungsgebiet kann sich auch die Frage einer sicheren Anwendbarkeit beispielsweise bei MRT-gestützten minimalinvasiven Therapieverfahren stellen. Medizinische Vorrichtungen müssen zudem meist vollständig sterilisierbar sein. Das Gesamtanforderungsprofil an medizinische Vorrichtungen umfasst weiterhin die Punkte der Gewichtsreduktion, möglichst keinen Materialverlust bei Gebrauch, d. h. kein Verschleiß, gute Wärmeleitfähigkeit, geringe thermische Ausdehnung, einstellbare Steifigkeit, regulierbare Oberflächenbeschaffenheit, geringe Herstellungskosten sowie möglichst keine Limitierung hinsichtlich der Geometrie- und Formenvielfalt.

Gerade bei medizinischen Vorrichtungen, insbesondere bei medizinischen Instrumenten stellt sich jedoch häufig das Problem, dass diese nicht ausreichend sterilisierbar sind, da sich in kleinen Rissen oder Spalten Rückstände und Keime dauerhaft ablagern. Andererseits spielt gerade bei Prothesen, wie beispielsweise Gelenkprothesen das spezifische Gewicht, der Verschleiß, die innere Geometrie, d. h. Bildung von Hohlräumen zur Gewichtsreduktion, als auch die Oberfläche der Prothese eine wichtige Rolle.

Ausgehend von den genannten Anforderungen, die zugleich an medizinische Instrumente und an Prothesen gestellt werden, stellte sich die Aufgabe medizinische Vorrichtungen bereit zu stellen, die dem genannten Anforderungskatalog gerecht werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer medizinischen Vorrichtung gelöst, die ganz oder teilweise aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid besteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die medizinische Vorrichtung ganz oder teilweise mit mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid beschichtet sein.

Als Kohlenstoff gelten alle Modifikationen des Kohlenstoffs, sowie Kohlenstoffverbindungen, insbesondere die, die sich bei einer Pyrolyse bilden können. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Kohlenstofffasern, die als Kohlenstofflangfasern, Kohlenstoffkurzfasern sowie Kohlenstofffasern mit einem Lumen, insbesondere röhrenförmige Kohlenstofffasern vorliegen können. Als Kohlenstoffpartikel kommen Partikel in jeglicher Geometrie in Betracht, insbesondere mit sphärischer Geometrie. Denkbare Kohlenstoffpartikel sind Fullerene, insbesondere die sogennaten Buckminster-Fullerene. Um die Leitfähigkeit obiger Kohlenstoffe zu erhöhen kann eine Dotierung mit Metallen, erfolgen.

Kohlenstofffaser verstärkte Siliciumcarbide werden üblicherweise nach dem Flüssigsilicierverfahren (Liquid Si Infiltration, LSI) hergestellt. Dieses Verfahren besteht im Wesentlichen darin, dass ein ausgehärtetes Komposit, meist ein Kohlenstofffaser verstärktes Polymer, wobei die Fasern üblicherweise in Form eines Gewebes vorliegen, pyrolisiert wird. Dabei bildet sich ein mit einem starken Risskanalnetz durchzogener Kohlenstofffaser verstärkter Kohlenstoff (C/C) aus. Die Kapillaren dieser porösen Matrix werden mit flüssigem Silicium infiltriert, das größtenteils mit dieser zu Siliciumcarbid abreagiert. Die Materialeigenschaften der, mit diesem Verfahren herstellbaren Kohlenstofffaser verstärkten Siciliumcarbide (SiC) können anwendungsbezogen variabel eingestellt werden. Bevorzugt sind Kohlenstofffaser verstärkte Siciliumcarbide, bei denen nach der Silicierung Kohlenstofffasern erhalten bleiben, die dem Material das für den medizintechnischen Anwendungsbereich benötigte Elastizitätsmodul geben.

Ein anderes Verfahren sieht vor, dass ausgehend von Kohlenstofffaserfilzen oder Kohlenstoffkurzfasern mit carbonisierten C/C-Strukturen, deren Verteilung bevorzugt isotrop ist, mit Silicium in einem Hochtemperatur-Vakuumprozess zu infiltrieren und zu Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbid (C/SiC) umzusetzen. Der Vorteil des nach diesem Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffes mit beispielsweise Kohlenstoffkurzfasern liegt darin, dass sehr komplexe, Leichtgewichtstrukturen mit hoher Steifigkeit, geringem Gewicht, hoher Oberflächengüte, endformnah (Formgebung im Grünzustand) hergestellt werden können. Das spezifische Gewicht der Kohlenstoffkurzfaser verstärkten Siliciumcarbide liegt bei 2,4 bis 2,6 g/cm3. Des Weiteren sind Oberflächen mit einer Rautiefe < 10 Angström erreichbar. Die Steifigkeit ist einstellbar und liegt im Bereich von 150 bis 240 Gpa. Auch die Festigkeit ist im Bereich von 150 bis 200 MPa einstellbar. Besonders hervorzuheben ist die geringe Thermalausdehnung des Kohlenstofffaser verstärkten Siliciumcarbids. Sie liegt im Bereich von 1,8 × 10–6 K–1. Zur Herstellung der Kohlenstofffasern, Kohlenstofffaserfilze oder Kohlenstoffkurzfasern kommen beispielsweise Aramidfasern, die carbonisiert werden und eine C/C-Struktur ausbilden in Frage. Bevorzugt sind Kohlenstofffaser verstärkte Siliciumcarbide, in denen die Kohlenstofffasern hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder ihrer Länge in der Siliciumcarbidmatrix erhalten bleiben. Einige typische Wärmeleitfähigkeiten von Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbiden reichen von 10,1 bis 20,0 W/(mK) bei 200°C und 8,3 bis 13,2 W/(mK) bei 1800°C, gemessen senkrecht zur Faserebene und von 18,9 bis 42,6 W/(mK) bei 200°C und 19,1 bis 35,9 W/(mK) bei paralleler Ausrichtung der Faserebene. Typische spezifische Wärmekapazitäten reichen von 1,064 bzw. 1,033 J/(g K) bei 200°C bis zu 1,637 bzw. 1,794 J/g K) bei 1800°C.

Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass der Reaktionspartner Silicium schon zu Beginn im Inneren des Materials vorhanden ist (innere Silicierung). Dabei werden Siliciumpartikel homogen in einer Kohlenstoffmatrix verteilt. Ein Vorteil dieser Reaktionsführung liegt darin, dass es hinsichtlich der Bauteilgeometrie nahezu keine Beschränkungen mehr gibt. Gleichfalls wird die Ausbildung einer gleichförmigen Matrix gewährleistet. Der Erhalt der Faserintegrität ist ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens. Die Faserintegrität ist gerade für den Anwendungsbereich der medizinischen Vorrichtungen, insbesondere für medizinische Instrumente und Prothesen von großer Bedeutung, weil auf diese Weise eine Rissbildung durch die Sprödheit des Materials unterbunden wird. Denn das erhaltene Faserverbundmaterial verfügt über eine ausreichende Elastizität, um einer Rissbildung entgegenzuwirken.

Zur Beschichtung mit mit Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbid kann ein Bauteil mit dem sogennanten Dip-coating Verfahren beschichtet werden. Dieses Bauteil kann aus einer Vielzahl von Partikeln, die eine gleiche oder unterschiedliche Geometrie aufweisen, gebildet sein. Beispielsweise können direkt C/C, Si/SiC oder auf Titan basierende Partikel oder Mischungen dieser thermisch behandelt und in flüssiges Silicium eingetaucht werden.

Welches Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser verstärkten Siliciumcarbide herangezogen wird, bestimmt sich nach dem Anforderungsprofil im Einzelfall. Um in alle Richtungen eine annähernd gleiche Steifigkeit und Festigkeit zu besitzen ist es bevorzugt, wenn die Kohlenstofffasern, Kohlenstoffkurzfasern oder Kohlenstoffpartikel eine isotrope Verteilung im keramischen Hybridwerkstoff besitzen. Zweckmäßig kann auch eine auf Teilbereiche beschränkte isotrope oder anisotrope Ausrichtung sein, um die Materialeigenschaften optimal auf die Anforderungen abzustimmen. Aufgrund der unterschiedlichsten Herstellverfahren können die vielfältigen Materialeigenschaften dieser Kohlenstofffaser verstärkten Siliciumcarbide variabel eingestellt werden. Sie zeichnen sich insbesondere durch einen integrierten Oxidationsschutz, auch bei sehr hohen Temperaturen aus. Hervorzuheben ist auch die ausgesprochen hohe chemische Beständigkeit des Werkstoffes. Wegen dieser Eigenschaften können beispielsweise medizinische Vorrichtungen aus mit Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbid thermisch sterilisiert werden, indem anhaftende Verunreinigungen einfach pyrolisiert werden. Wegen der einstellbaren Steifigkeit und der einstellbaren Festigkeit eignen sich diese Siliciumcarbide insbesondere zur Herstellung von medizinischen Instrumenten, wie Schneidinstrumenten (Skalpelle, Scheren, Mikroscheren), Trokare, Nadeln, Kanülen (Dialysekanülen, Trachealkanülen, etc.), Elektroden, Shaver, Instrumente zur Bandscheibenabtragung, Bohrer bzw. Bohrköpfe (Bohrer in der Zahnmedizin, Trepanbohrer, Bohrköpfe für die Vertebroplastie), Sägen (z. B. Mikrosägen, Mikro-Stichsägen, oszillierende Mikrosägen), Fräsen (z. B. Knochenfräsen), Befestigungsmittel (z. B. Mikroschrauben, Mikromuttern, Nägel), Scalern in der Zahnmedizin und/oder weitere Dentalinstrumenten, wie beispielsweise Excavatoren oder Modellierinstrumente. Die vorstehende Auflistung ist nicht abschließend zu verstehen, sie soll lediglich auf die breite Anwendbarkeit des Hybridwerstoffes für medizinische Vorrichtungen hinweisen. Die vorgenannten medizinischen Instrumente zeichnen sich dadurch aus, dass sie vollständig oder teilweise aus mit Kohlenstoff, insbesondere aus mit Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärktem Siliciumcarbid bestehen oder ganz oder teilweise mit mit Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärktem Siliciumcarbid beschichtet sind. Beispielsweise besteht nur die Spitze eines Intrumentes, insbesondere einer Nadel aus dem Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die medizintechnische Vorrichtung eine Prothese sein. Das mit Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärkte Siliciumcarbid ist wegen seiner Verschleißfreiheit und Biokompatibilität als Material zur Herstellung von Prothesen besonders geeignet. Dabei kann die Prothese vollständig oder teilweise aus mit Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärktem Siliciumcarbid bestehen oder mit mit Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikel verstärktem Siliciumcarbid beschichtet sein. Die Prothese umfaßt alle denkbaren Auführungsarten und- formen von Endoprothesen, Gelenkprothesen, Knochenersatz (z. B. im Bereich des Kopfes in der plastischen Chirurgie) oder Beschichtungen dieser Prothesen, implantierbaren Medizintechnik (z. B. das Gehäuse von implantierbaren Insulinpumpen), Herzklappen (z. B. zur Herstellung des Gitters bzw. Käfigs, welcher den Weg der Kugel der künstlichen Herzklappe begrenzt), Zähnen (z. B. Zahnersatz, Kronen, Brücken, Inlays), Befestigungsmitteln für Zahnersatz, chirurgischen Instrumenten (wie beispielsweise Knochenmühlen, chirurgische Meißel, mikrochirurgische Nadelhalter), Mikrogitter zur Abdeckung größerer Knochendefekte und/oder Uretherschienen. Übliche Endoprothesen sind beispielsweise die Kugelköpfe und -pfannen von künstlichen Kniegelenken, Hüftgelenken und Schultergelenken. Beispielsweise sind nur die besonders beanspruchten Teile, wie die Gelenkköpfe/-pfannen einer Prothese aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid gefertigt.

Auch Nadelelektroden für die Elektrotherapie, insbesondere für die perkutane Galvanotherapie bei Tumoren, können bevorzugt ganz oder teilweise aus mit Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbid bestehen oder mit diesem beschichtet sein. Gleichfalls können die sogenannten ECT-Nadeln (ECT, elektrochemische Tumortherapie) oder auch bipolare Nadeln aus mit Kohlenstofffaser verstärktem Siliciumcarbid bestehen. Denkbar ist auch eine Beschichtung der Nadelelektroden mit einem biokompatiblem, korrosionsbeständigem Metall, wie Platin. Um eine gute Leitfähigkeit, insbesondere eine anisotrope Leitfähigkeit in eine Vorzugsrichtung zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn die Kohlenstofffasern, Kohlenstoffkurzfasern oder Kohlenstoffpartikel eine anisotrope Verteilung im keramischen Hybridwerkstoff besitzen. Unter dem Gesichtpunkt einer guten Leitfähigkeit ist eine annähernd parallele Ausrichtung der Fasern gewünscht. Allein für Kohlenstofffasern mit den folgenden Kenndaten – spezifischer Widerstand 1,50E – 5 [&OHgr;m]; Radius 1,00E – 05 [m]; Fläche 3,14E – 10 [m2] und Widerstand 4,77E + 03 [&OHgr;] – ergibt sich für eine Faser mit einem Durchmesser von 20 &mgr;m und einer Länge von 10 cm ein abgeschätzter Widerstand von etwa 5 k&OHgr;. Wird eine Nadel mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm zugrunde gelegt, dann ergibt sich für sie etwa eine Fläche von 785,4E – 9 m2. Unter der Annahme, dass nur etwa 10 % der Fläche durch Kohlenstofffasern verstärkt werden, ändert sich ihre Leitfähigkeit auf 1,500E – 4 [&OHgr;m] bzw. der Widerstand einer 0,1 m langen Nadel beträgt dann 19,10 [&OHgr;]. Im Verhältnis zum Widerstand des Körpers von etwa 1 k&OHgr;, ist der Widerstand der Kohlenstofffaser haltigen Nadeln vernachlässigbar. Der Wert von 1 k&OHgr; ergibt sich auf der Abschätzung des Widerstandes zwischen zwei Elektroden eines Tumexgerätes mit den Kenndaten 20 V max. Spannung und 20 mA max. Strom. Zugrundegelegt wurden die spezifischen Widerstände von Fett (20 [&OHgr;m]), Muskel (10 [&OHgr;m]), innere Organe (9 – 11 [&OHgr;m]) und Blut (2 [&OHgr;m]). Des weiteren ist reines Siliciumcarbid ein Halbleiter mit einer relativ großen Bandlücke von 2,4 bis 3,3 eV, wobei die Größe der Bandlücke wesentlich vom Polytyp abhängt. Die Größe der Bandlücke erlaubt eine Anwendung von erhöhten Temperaturen und höheren Spannungen als beispielsweise bei Silicium. Gleichfalls weist Siliciumcarbid eine große Elektronenbeweglichkeit auf, die insbesondere im Bereich hoher Frequenzen ausgenutzt werden kann. In Abhängigkeit von der Teilchenform, der Teilchengröße sowie der Ausrichtung der Kohlenstofffasern und/oder -partikel im Siliciumcarbid kann die, für die jeweilige medizinische Anwendung, gewünschte elektrische Leitfähigkeit eingestellt werden. Es kann von Vorteil sein, insbesondere zur Senkung des elektrischen Widerstandes, wenn nur die Spitze dieser Nadelelektroden aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid gebildet sind

Je nach Anforderung an die medizintechnische Vorrichtung kann es von Vorteil sein, wenn diese vollständig aus mit Kohlenstoff, insbesondere einem Kohlenstofffaser und/oder Kohlenstoffpartikeln verstärktem Siliciumcarbid besteht. Gleichfalls kann es zweckmäßig sein, wenn nur Teilbereiche der medizintechnischen Vorrichtung aus mit Kohlenstoff, insbesondere einem Kohlenstofffaser/-partikel verstärktem Siliciumcarbid besteht oder auch nur Teile der medizintechnischen Vorrichtung mit mit Kohlenstoff, Kohlenstofffaser/-partikel verstärktem Siliciumcarbid beschichtet sind.


Anspruch[de]
Medizinische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ganz oder teilweise aus mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid besteht. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit mit Kohlenstoff verstärktem Siliciumcarbid beschichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Kohlenstoff verstärkte Siliciumcarbid Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffpartikel enthält. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern und/oder Partikel eine anisotrope Verteilung aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern und/oder Partikel eine im wesentlichen parallele Ausrichtung aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern und/oder Partikel eine isotrope Verteilung aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern in Form von Kurzfasern vorliegen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffpartikel in Form sphärischer Partikel vorliegen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein medizinisches Instrument oder eine Prothese ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinisches Instrument ein Schneidinstrument, Trokar, Kanüle, Shaver, Instrument zur Bandscheibenabtragung, Bohrer, Säge, Fräse, Befestigungsmittel, Knochenmühle, Scaler, Elektrode, Nadel und/oder Dentalinstrument ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prothese eine Endoprothese, Zahnersatz, Knochenersatz und/oder implantierbare Medizintechnik ist.






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