DE102017222168B4

DE102017222168B4 - Verfahren zur Herstellung eines Stents und mit dem Verfahren hergestellter Stent

Info

Publication number: DE102017222168B4
Application number: DE102017222168.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Quadbeck; Olaf Andersen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: DE102017222168A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Stents für die Implantation in Blutgefäßen bei dem ein zylinderförmiges oder hohlzylinderförmiges formgebendes Stäbchen oder Filament, das mit einem Polymer als organisches Material gebildet ist, an seiner äußeren Mantelfläche mit einer den Stentwerkstoff bildenden metallischen Beschichtung mit einem Dünnschichtverfahren versehen und im Anschluss daran das organische Material entfernt und nach der Entfernung dem Werkstoff des erhaltenen metallischen Röhrchens weiterer Werkstoff zur Ausbildung der filigranen Stentstruktur mit einem Energiestrahl, durch Drahterodieren oder mechanisch entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stents, insbesondere für die kardiovaskuläre Intervention, und damit hergestellte Stents.
Ausgangsprodukt für die Fertigung, insbesondere koronarer Stents, sind im Stand der Technik dünne Röhrchen, die typischerweise durch Röhrenziehen hergestellt werden. Dabei werden Barren durch schrittweise Kaltverformung über einen Dorn in eine nahtlose Röhrenform gebracht. Zwischen jedem Kaltverformungsschritt ist eine Rekristallisierung in Form einer Wärmebehandlung notwendig. Für koronare Stents werden üblicherweise Röhrchen mit Durchmessern in der Größenordnung von 2 mm und Dicken typischerweise etwa 130 µm (Edelstahlstents) benötigt. Dafür sind zahlreiche Kaltverformungs- und Rekristallisierungsschritte notwendig. Durch die Vielzahl der Prozessschritte ist die Fertigung mit erheblichem Zeit- und Energieaufwand verbunden. Daher ist der Fertigungsprozess von dünnen Röhrchen sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Die filigrane Stentsstruktur wird dann durch Lasertrennen oder Drahterodieren erzeugt, die durch eine plastische Aufweitung infolge radialen Drucks nach außen aufgeweitet werden kann und so dauerhaft verengte Blutgefäße erweitert werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Röhrchen als Vorprodukt für die Stentfertigung vorzuschlagen, mit dem die Herstellung deutlich einfacher, schneller und kostengünstiger möglich ist.
So ist sind US 2011 / 0 253 525 A1 ein Gegenstand aus einer dünnen Formgedächtnislegierung und ein Verfahren zur Herstellung bekannt.
Ein aufblasbarer Gegenstand für medizinische Anwendungen ist in US 2009 / 0 301 643 A1 beschrieben.
US 2009 / 0 035 859 A1 betrifft ein Verfahren und einen Stent zur kardiovaskularen Anwendung.
Ein gefalteter Stent ist in US 2005 / 0 090 888 A1 offenbart.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 10 betrifft einen Stent, der mit dem Verfahren hergestellt worden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung von dünnen Röhrchen durch das Beschichten von zylinderförmigen oder hohlzylinderförmigen formgebenden Stäbchen oder Filamenten an ihrer radial äußeren Mantelfläche mit einer dünnen Metallschicht. Die Stäbchen oder Filamente sind mit einem Polymer gebildet und werden mit dem jeweiligen Metall in Dünnschichttechnik beschichtet. Nachfolgend erfolgt die Entfernung des formgebenden organischen Materials. Dies kann vorteilhaft mit einer thermischen Behandlung erreicht werden, bei der das Polymer des jeweiligen formgebenden Stäbchen oder Filamentes in die gasförmige Phase überführt wird, was insbesondere mittels Pyrolyse erreicht werden kann.
Die Entfernung des Polymers kann auch allein oder zusätzlich zu der thermischen Behandlung durch Ätzen oder Lösen in einem geeigneten Ätz- oder Lösungsmittel für das jeweilige Polymer erreicht werden. Insbesondere für geeignete Polymere sind geeignete Ätz- oder Lösungsmittel bekannt. Ein Ätz- oder Lösungsmittel sollte lediglich das das Halbzeug bildende Metall nicht bzw. nur unwesentlich angreifen oder beeinflussen. Durch Ätzen oder Lösen kann beispielsweise ein Teil des organischen Materials und anschließend daran der Rest mit einer thermischen Behandlung entfernt werden.
Auf diese Weise entstehen metallische Röhrchen, die anschließend bei Bedarf nochmals final umgeformt oder rekristallisiert werden können. Im Weiteren kann mit den so entstehenden Röhrchen wie im Stand der Technik verfahren werden und dabei die filigrane Stentsstruktur durch Lasertrennen oder Drahterodieren ausgebildet und durch eine plastische Aufweitung infolge radialen Drucks nach außen der Stent aufgeweitet werden.
Bei entsprechend langen so erhaltenen Röhrchen können durch Trennen auch mehrere einzelne Stents erhalten werden. Dabei kann das Trennen mit einem Energiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl oder durch Drahterodieren erreicht werden. Es ist auch ein mechanisches Brechen an Sollbruchstellen, die bei der Ausbildung der Metallschicht ausgebildet worden sind, möglich.
Als Ausgangsmaterial bei dieser Vorgehensweise sind zylinderförmige oder hohlzylinderförmige Template aus einem Polymerwerkstoff, die die innere Form des metallischen Röhrchens mit ihrer radial äußeren Mantelfläche wiedergeben, eingesetzt werden. Diese stäbchen- oder filamentförmige Form soll mit Polymeren gefertigt werden, die sich durch eine Wärmebehandlung ohne weiteres thermisch zersetzen lassen. Beispiele gut geeigneter Polymere sind Polyethylen (PE) oder Polyoxymethylen (POM), die bekanntermaßen auch als Feedstock für das Metallpulverspritzgießen eingesetzt werden. Ein nachgewiesenermaßen günstiges thermisches Zersetzungsverhalten hat auch Polymethylmethacrylat (PMMA).
Die Beschichtung der formgebenden Stäbchen oder Filamente mit der Metallschicht kann mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder galvanischer Abscheidung erfolgen. Besonders geeignet für die Fertigung von Stentröhrchen ist das zuerst genannte Verfahren, da dieses Verfahren auch die Beschichtung mit Legierungen zulässt. Dabei kann ein sogenanntes Target mit einem Elektronen- oder Laserstrahl beschossen und so Targetwerkstoff verdampft werden. Der Metalldampf kondensiert an der Oberfläche eines formgebenden Stäbchens oder Filaments und bildet nach dem Übergang von der flüssigen in die feste Phase die Metallschicht auf der radial äußeren Mantelfläche des jeweiligen Stäbchens oder Filaments aus.
Die Beschichtung kann in einer Kammer bei Arbeitsdrücken im Bereich 10^-4 Pa bis 10 Pa erfolgen. Dabei breiten sich die Metalldampfteilchen vom Target geradlinig aus. Das zu beschichtende Stäbchen oder Filament kann dabei um seine Längsachse rotierend in den gebildeten Metalldampfstrom eingebracht werden, um eine gleichmäßige Beschichtung auf der gesamten zu beschichtenden Oberfläche, was insbesondere die Schichtdicke und die Werkstoffzusammensetzung betrifft, auszubilden. Die benötigten Schichtdicken von 75 µm bis 175 µm, insbesondere von 100 µm - 150 µm sind vergleichsweise hoch, hier können plasmaaktivierte Hochratenbedampfungen genutzt werden. Damit sind Abscheideraten von bis zu 3000 nm/s möglich.
Das metallische Grundmaterial ist bei Stents häufig ein Edelstahl (zum Beispiel der Ni-Cr-Stahl 1.4404), aber auch CoCr, PtCr und in jüngster Zeit werden auch biodegradierbare Magnesiumlegierungen eingesetzt. Möglich ist aber auch die Fertigung von Röhrchen aus Molybdän oder Molybdän-Rhenium-Legierungen. Diese Legierungen können mittels PVD-Verfahren verarbeitet werden.
Das Entfernen des Polymers kann dann anschließend durch eine thermische Entbinderung erreicht werden. Dabei wird in einer Wärmebehandlung unter Schutzgasfluss das jeweilige Polymer thermisch zersetzt. Der Prozess ist auch beim Metallpulverspritzgießen gebräuchlich und erfolgt üblicherweise in einer Stickstoff-, Argon-, Wasserstoffatmosphäre oder Mischungen dieser Gase. Typischerweise erfolgen solche Entbinderungen in verschiedenen Temperaturstufen. So wird bei etwa 450 °C das Polymer-Rückgrat zerlegt. Für manche Polymere werden weitere Schritte bei höherer Temperatur benötigt, so besitzt PE beispielsweise typische Zersetzungstemperaturen von etwa 650 °C. Um in den Temperaturbereichen hoher Zersetzungsaktivität keine Schäden an den metallischen Beschichtungsstrukturen durch einen zu hohen Innendruck zu erzeugen, müssen diese Bereiche mit geringen Heizraten im Bereich 0,1 K/min bis 1 K/min, bevorzugt mit 0,5 K/min angefahren werden. Die Dauer der Haltezeiten hängt vom Werkstoffvolumen der Stäbchen oder Filamente ab. Bei zylinderförmigen oder hohlzylinderförmigen formgebenden Stäbchen oder Filamenten hängt dies von der jeweiligen Länge, dem Außendurchmesser und ggf. dem Innendurchmesser ab und liegt in der Größenordnung von 60 min - 120 min. Der Außendurchmesser eines Stäbchens oder Filaments sollte im Bereich 0,5 mm bis 5 mm liegen.
Um kohlenwasserstoffhaltige Rückstände der Templatstrukturen in dem metallischen Material zu vermeiden, sollte die thermische Behandlung je nach Metall bis zu 1100 °C erfolgen. Diese Reduktion geschieht durch thermochemische Reaktionen, zum Beispiel bei Edelstahl durch carbothermische Reduktion bei 1050 °C. Auf diese Weise verbleiben die metallischen Röhrchen als Halbzeug für einen Stent oder mehrere Stents mit Dicken in der geforderten Größenordnung.
Typischerweise kann mit Hochratebedampfungsverfahren eine Genauigkeit von ± 3 % - 20 % der Metallschichtdicke erreicht werden. Bei zu großen Abweichungen vom Sollwert kann sich an die thermische Entfernung der organischen Komponenten ein weiterer Kaltverformungsschritt mit anschließender Rekristallisierung anschließen. Dies kann durch Ziehen oder Drücken des Hohlkörpers über einen Dorn, der konisch und/oder dessen Durchmesser größer als der kleinste Innendurchmesser des Hohlkörpers ist, und/oder durch eine Matrize mit einem Lochdurchmesser, der kleiner als der größte Außendurchmesser des Hohlkörpers ist, erreicht werden. Dieser Schritt ist im Vergleich zum Stand der Technik aber lediglich ein Kalibrierungsschritt.
Bei der Ausbildung der Metallschicht kann auch mindestens eine Maske eingesetzt werden, die gebildeten Metalldampf lokal definiert von der Oberfläche der radial äußeren Mantelfläche des jeweiligen Stäbchens oder Filaments fern hält und an der Oberfläche der radial äußeren Mantelfläche die vorgegebene filigrane Stentstruktur nachgebildet wird.
Eine filigrane Stentstruktur kann auch dadurch nachgebildet werden, dass Stäbchen eingesetzt werden, die an ihrer radial äußeren Mantelfläche auf der die Metallschicht ausgebildet wird, eine entsprechende Strukturierung mit entsprechenden Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen.
Es besteht dabei auch die Möglichkeit die radial äußere Mantelfläche lokal definiert zu beschichten, um diesen Effekt zu erreichen. Dadurch lassen sich lokal definiert Bereiche der Metallschicht ausbilden die dicker, dünner oder ohne Metallbeschichtung ausgebildet sind. Solche Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, wenn die Metallschicht galvanisch ausgebildet wird.
Mit den hier o.g. Möglichkeiten lassen sich auch Sollbruchstellen ausbilden, die bei der Vereinzelung von mehreren Stents aus einem Röhrchen oder der Ausbildung der filigranen Stentstruktur vorteilhaft genutzt werden können, da dort ein mechanisches Brechen des Metallwerkstoffs lokal definiert erreicht werden kann.
Ein als Halbzeug hergestelltes Röhrchen kann nun weiter wie im Stand der Technik bekannt mittels Lasertrennen oder Drahterodieren in die gewünschte Stentform gebracht werden. Im Stand der Technik wird üblicherweise noch eine Oberflächennachbehandlung (z.B. Elektropolieren) nachgeschaltet, dies kann hier in gleicher Weise erfolgen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Stents für die Implantation in Blutgefäßen bei dem ein zylinderförmiges oder hohlzylinderförmiges formgebendes Stäbchen oder Filament, das mit einem Polymer als organisches Material gebildet ist, an seiner äußeren Mantelfläche mit einer den Stentwerkstoff bildenden metallischen Beschichtung mit einem Dünnschichtverfahren versehen und im Anschluss daran das organische Material entfernt und nach der Entfernung dem Werkstoff des erhaltenen metallischen Röhrchens weiterer Werkstoff zur Ausbildung der filigranen Stentstruktur mit einem Energiestrahl, durch Drahterodieren oder mechanisch entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des organischen Materials mit einer thermischen Behandlung, bei der die organischen Komponenten des jeweiligen formgebenden Stäbchens oder Filaments in die Gasphase überführt werden, durch Ätzen und/oder Lösen in einem Lösungsmittel erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Metallschicht auf der radial äußeren Mantelfläche des formgebenden Stäbchens oder Filaments mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaaktivierter Hochratenbedampfung oder galvanischer Abscheidung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallschicht mit einer Stahllegierung, insbesondere ein Ni-Cr-, CoCr- oder PtCr-Stahl, oder einer biodegradierbaren Magnesiumlegierung, mit Molybdän oder einer Molybdän-Rhenium-Legierung ausgebildet wird und/oder als Polymer für ein formgebendes Stäbchen oder Filament Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht mit einer Dicke im Bereich 75 µm bis 175 µm, insbesondere 100 µm bis 150 µm ausgebildet und/oder ein formgebendes Stäbchen oder Filament mit einem Außendurchmesser im Bereich 0,5 mm bis 5 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein formgebendes Stäbchen oder Filament eingesetzt wird, das an seiner äußeren Mantelfläche Strukturelemente aufweist, die der auszubildenden filigranen Stentstruktur entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der Metallschicht mittels mindestens einer Maske oder durch den Auftrag eines weiteren Werkstoffs auf der radial äußeren Mantelfläche des formgebenden Stäbchens oder Filaments die filigrane Stentstruktur vorgegeben oder berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer thermischen Behandlung zur Entfernung der organischen Komponenten des organischen Materials eine Heizrate im Bereich 0,1 K/min bis 1 K/min, bevorzugt von 0,5 K/min eingehalten und/oder nach der thermischen Behandlung zur Entfernung der organischen Komponenten eine Temperaturerhöhung bis auf maximal 1100 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausbildung der Metallschicht mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder plasmaaktivierter Hochratenbedampfung das formgebende Stäbchen oder Filament um seine Längsachse gedreht wird.
Stent hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.