DE2613052B2

DE2613052B2 - Implantierbare Kohlenstoffelektrode

Info

Publication number: DE2613052B2
Application number: DE19762613052
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 8901 Biberbach Böder; Gerhard Dr. 8520 Erlangen Richter
Original assignee: Siemens AG; Sigri Elektrograhit GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1981-07-23
Also published as: SE7702777L; JPS5946614B2; IT1074367B; FR2345169B1; SE430467B; DE2613052A1; FR2345169A1; JPS52118989A; DE2613052C3

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Kohlenstoffelektrode, bei der wenigstens die Oberfläche des Elektrodenkopfes aus pyrolytischem Kohlenstoff besteht Eine derartige Elektrode ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 04 165.6.

Implantierbare Kohlenstoffelektroden dienen beispielsweise als Reizelektroden für Herzschrittmacher. Die Reizelektroden bestehen dabei im allgemeinen aus einer isolierten Kabelzuleitung und einem Elektrodenkopf zur Übertragung der Stimulationsimpulse. Die elektrische Stimulation des Herzens bei Reizleitungsstörungen setzt die Erzeugung einer bestimmten elektrischen Feldstärke an einer erregbaren Zellmembran voraus. Nach Auslösung des Reizes breitet sich dieser selbsttätig über den ganzen Herzmuskel aus und führt zu dessen Kontraktion.

Zur Reizauslösung dient ein elektronischer Schrittmacher, der aus einem implantierbaren Elektronikteil mit einer Energieversorgungseinheit und einem Reizstromkreis mit einer Stimulationselektrode (Reizelektrode) und einer indifferenten Elektrode besteht Während des Reizimpulses wird innerhalb von 0,5 bis 2 ms ein kleiner Kondensator über den Reizstromkreis teilweise entladen. In den Pausen zwischen den Impulsen wird der Kondensator aus der Energieversorgungseinheit, d.h. einer Batterie, wieder aufgeladen. Während des Impulses besteht im reizbaren Gewebe in der Nähe der Reizelektrode die zur Auslösung des Reizes erforderliche Feldstärke. Reizelektroden, die aus Metallen, wie beispielsweise Platin, bestehen, bewirken innerhalb eines Zeitraums von etwa 2 bis 4 Wochen eine Degenerierung des an die Elektrode angrenzenden Gewebes, die sich in der Ausbildung einer nicht reizbaren Bindegewebsschicht manifestiert. Die Folge ist ein stetiger Anstieg der Reizschwelle, zu deren Überwindung ein größerer Strom benötigt wird. Damit steigt auch — auf Grund ohmscher Verluste und vorwiegend an der Elektrode entstehender Polarisationsverluste — die Reizspannung an, wobei der Polarisationsanteil über der Zersetzungsspannung des Wassers liegen kann; dadurch wiederum kann vor allem die sichere Fixierung der Reizelektrode im Körper erschwert werden.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist es bekannt, aus Kohlenstoff oder Graphit bestehende Reizelektroden zu verwenden, an deren Oberfläche sich nur eine dünne Bindegewebskapsel ausbildet. Diese Werkstoffe haben für den genannten Zweck wegen der mechanischen Eigenschaften jedoch keinen Eingang in die Praxis gefunden, da besonders der Abrieb und die verhältnismäßig hohe Bruchwahrscheinlichkeit eine Verwendung für Humanimplantate erschweren und weil auch die verhältnismäßig große Polarisationsspannung nicht befriedigt

Die eingangs genannte implantierbare Kohlenstoffelektrode soll die Entwicklung von fibrösem Gewebe vermeiden, so daß die Reizschwelle niedrig gehalten werden kann. Diese Elektrode kann dazu aus nichtthrombogenem hartem pyrolytischem Kohlenstoff

ίο bestehen oder aus einem leitenden Werkstoff, der mit einem entsprechenden Kohlenstoff überzogen ist Bei einer derartigen Elektrode sind jedoch die durch Elektrodenpolarisation bedingten Energieverluste relativ hoch.

is Aufgabe der Erfindung ist es, eine implantierbare Kohlenstoffelektrode, bei der wenigstens die Oberfläche des Elektrodenkopfes aus pyrolytischem Kohlenstoff besteht, derart auszugestalten, daß sie eine hohe mechanische Stabilität aufweist und im Langzeitbetrieb — sowohl wegen einer geringen Reizschwellenerhöhung als auch wegen geringer Polarisationsverluste — möglichst wenig Energie verbraucht

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der pyrolytische Kohlenstoff an seiner Außenseite eine mikroporöse Struktur aufweist

Pyrokohlenstoff wird aus kohlenwasserstoffhaltigen Gasen gebildet, die an der Oberfläche eines erhitzten Substrats zersetzt werden. Durch Steuerung der Abscheidungsbedingungen, wie Abscheidungstemperatur und Druck, Zusammensetzung und Verweilzeit des Reaktionsgases, ist es möglich, Dichte und Mikrostruktur des pyrolytischen Kohlenstoffs in weiten Grenzen zu verändern. Die mechanische Stabilität von Pyrokohlenstoff ist innerhalb dieser Grenzen jedoch größer als die Stabilität normaler, für Reizelektroden vorgeschlagener Kohlenstoff- und Graphitkörper. Die Bruchfestigkeit des pyrolytischen Kohlenstoffs kann zudem durch gleichzeitige Abscheidung stabile Carbide bildender Elemente in einfacher Weise weiter gesteigert werden.

Die Biegebruchfestigkeiten betragen vergleichsweise:

Normaler Graphit
Pyrolytischer Kohlenstoff
Pyrolytischer Kohlenstoff
mit ca. 10% Silicium

bis zu 50 kN/mm²
ca. 150 kN/mrn*

ca. 500 kN/mm*

Pyrolytischer Kohlenstoff ist weiterhin außerordentlich abriebbeständig und reagiert nicht mit Blut und anderen körpereigenen Stoffen.
Der Elektrodenkopf der Reizelektrode kann in seiner Gesamtheit aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehen oder einen Kern aus einem anderen Werkstoff enthalten, dessen Oberfläche mit einer Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff überzogen ist. Die Dicke dieser Schicht beträgt wenigstens 0,05 mm. Zur Erzeugung einer mikroporösen Struktur an der Außenseite kann der pyrolytische Kohlenstoff vorteilhaft durch eine partielle Oxidation oberflächlich aktiviert werden, worunter die Bildung einer mit zahlreichen sackartigen Mikroporen versehenen Ober-

M) fläche zu verstehen ist, d. h. einer Oberfläche mit Poren, deren Durchmesser kleiner als 0,002 μηι ist.

Die Aktivierung des Pyrokohlenstoffes erfolgt durch oxidierende Gase und Dämpfe, oxidierende Säuren oder auch elektrochemisch. Der Elektrodenkopf wird dazu

b5 beispielsweise für weniger als 1 Stunde in einer Sauerstoff, Luft, Wasserdampf oder Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 400 und 800⁰C erhitzt, wobei die günstigsten

Bedingungen durch einfache Vorversuche ermittelt werden können.

Durch die mikroporöse Oberflächenstruktur des pyrolytischen Kohlenstoffs können die Polarisationsverluste, die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Gewebe auftreten und die zu einer Verminderung der Feldstärke im angrenzenden reizbaren Gewebe führen, sehr niedrig gehalten werden. Auf diese Weise ist bei der implantierbaren Elektrode nach der Erfindung ein durch eine geringe Abkapselung durch Bindegewebsbildung bedingter geringer Energieverbrauch und damn verbunden ein gutes Dauerbetriebsverhalten gewährleistet

Die Erfindung soll im folgenden durch Beispiele noch näher erläutert werden.

Eine aus einem feinkörnigen Graphitkörper gearbeitete Elektrode wird bei einer Temperatur von 1200° C in

einer Propanaonosphäre, deren Partialdruck ca. 0,2 bar beträgt, mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet Der Kohlenstoff wird bis zur Ausbildung einer geschlossenen Oberflächenschicht ebenfalls in den Poren des Graphitkörpers abgelagert wodurch sich die Festigkeit des Kömers etwa verdoppelt Die Dicke der Oberflächenschicht beträgt 60 bis βΟμίη. Eine zweite Elektrode wird aus einem bei einer Temperatur von etwa 1300° C ebenfalls aus Propangas erzeugten pyrolytischen Kohlenstoffkörper mit weitgehend isotroper MikroStruktur herausgearbeitet und zur Aktivierung, d. h. zur Erzeugung einer mikroporösen Struktur, 1 h bei 850° C in einem Wasserdampf strom getempert Diese Elektroden und — zu Vergleichszwecken — eine Platin-Iridium-Reizelektrode wurden im Oberschenkel von Katzen implantiert Die Betnebsergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt

Elektrode	Pyrokohlenstoff	PyrokohlenstofT aktiviert	Platin-
			Iridium
Zu Versuchsbeginn
Strom	0,18 mA	0,16 mA	0,15 mA
Spannung	0,44 V	0,12 V	0,16 V
Nach 20 Tagen
Strom	0,17 mA	0,18 mA	0,42 mA
Spannung	0,48 V	0,11 V	0,45 V

Implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus an der Außenseite aktiviertem pyrolytischen Kohlenstoff zeigen nach den Untersuchungsergebnisseri eine geringe Polarisation und eignen sich deshalb in besonders hohem Maße zur Verwendung als Reizelektroden für Herzschrittmacher. Da für den Reizvorgang infolge des geringen Reizschwellenanstiegs wenig Energie verbraucht wird, ist die Lebensdauer der Stromquelle hoch und diese kann deshalb auch klein ausgebildet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Implantierbare Kohlenstoff elektrode, bei der wenigstens die Oberfläche des Elektrcdenkopfes aus pyrolytischem Kohlenstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrolytische Kohlenstoff an seiner Außenseite eine mikroporöse Struktur aufweist

2. Implantierbare Kohlenstoffelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur durch eine partielle Oxidation des pyrolytischen Kohlenstoffs erzeugt ist