DE19950386A1

DE19950386A1 - Biokompatibler Gegenstand

Info

Publication number: DE19950386A1
Application number: DE19950386A
Authority: DE
Inventors: Miladin Lazarov; Isabella Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Tinox Entwicklungs und Produktion Solar Energ GmbH
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2001-05-10
Also published as: CA2388153A1; WO2001028605A1; PL357497A1; CN1379689A; EP1223993A1; BR0014883A; AU1273201A; US20030044596A1; JP2003512098A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand, insbesondere ein Implantat, umfassend ein Substrat, das wenigstens teilweise mit mindestens einer Schicht überzogen ist und darauf wenigstens teilweise eine Protein, Peptid- und/oder Saccharid-haltige Substanz abgelagert ist, wobei die an die Substanz direkt angrenzende Schicht wenigstens ein Metall, ausgewählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium, oder eine Verbindung davon mit einem oder mehreren Nichtmetallen und/oder Halbleitern oder eine Legierung davon mit einem oder mehreren anderen Metallen enthält und mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens aufgebracht worden ist. Daneben ist ein Verfahren zur Herstellung des Gegenstands, bei dem unter Vakuum die Schicht auf das Substrat aufgebracht wird, sowie die Verwendung des Gegenstands vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen, insbesondere biokompatiblen, Gegenstand, insbe sondere ein Implantat, wie einen Stent, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.

Die moderne biomedizinische Wissenschaft zeichnet sich dadurch aus, daß natür liche organische Flüssigkeiten und Gewebe mit künstlichen Gegenständen in Kontakt gebracht werden, um definierte physiologische Abläufe zu imitieren oder zu beeinflussen. Beispiele sind u. a. der Einsatz von Implantaten, extrakorporal genutzten medizinischen Geräten oder die in vitro Züchtung bestimmter Zellkul turen in einer künstlichen Umgebung.

Dabei gilt der Grundsatz, je höher die Verträglichkeit zwischen der natürlichen und der künstlichen Substanz ist, desto besser ist das Ergebnis. Biokompatibilität bezieht sich somit auf den spezifischen Einsatz eines technisch definierten Mate rials in einer physiologisch definierten Umgebung mit dem Ziel, spezifische phy siologische Funktionen zu unterstützen oder zu ersetzen. So wäre z. B. die ideale Oberfläche einer orthopädischen Prothese so zu gestalten, daß ein möglichst ra sches Einwachsen im Knochen möglich ist, dabei soll jedoch gleichzeitig ein niedriges Infektionsrisiko bestehen. Die biologische Verträglichkeit eines Stents für Koronararterien wäre dann optimal, wenn er keine oder nur eine geringe Thrombogenität hat und die Funktion der Zellen in der direkten Umgebung, z. B. der Endothelialzellen gar nicht oder geringst möglich beeinflußt wird, insbesonde re sollte die Proliferation der Zellen der sogenannten Intimaschicht der Ge fäßwand vermieden werden.

Eine weitere Errungenschaft in der modernen Medizin ist die zeitweise Substituti on von Organen oder deren Funktionen durch medizinische Geräte z. B. Hämo dialyse, Herzbypass oder extrakorporale Membranoxygenation (ECMO). Auch hier besteht eine direkte Beziehung zwischen Biokompatibilität und der Inzidenz von zum Teil lebensbedrohlichen Komplikationen, wie Hämolyse oder hämorrha gische Komplikationen als Folge einer iatrogen induzierten Gerinnungshemmung.

In den vergangenen Jahren gab es viele Ansätze, um die beschriebenen Probleme, zumindest teilweise, zu lösen. So versuchte die Arbeitsgruppe um Dunn et al. 1994 (Ciprofloxacin Attachment to Porous-Coated Titanium Surfaces, D. S. Dunn, S. Raghavan, R. G. Volz, Journal of applied Biomaterials, Vol. 5, 325-331, 1994) eine Titanoberfläche zu modifizieren, um darauf das Antibiotikum Ciprofloxacin abzuscheiden.

Insbesondere Engstellen von Herzkranzgefäßen werden heute in zunehmendem Maße durch die Implantation von Stents behandelt. Diese Stents bestehen aus me dizinischem Edelstahl, Tantal, Nitinol oder Titan (siehe DE-A-195 33 682, DE-A- 196 53 708, Characteristics of metals used in implants, I. Gotman, J. Endourol., 11(6): 383-389; und US-A-5,356,433). Bei ihrer Verwendung können jedoch zwei gravierende Komplikationen auftreten. Zum einen wird durch das Metall die Blutgerinnung aktiviert. Das kann besonders innerhalb der ersten vier Tage nach Implantation zum Verschluß des Stents durch eine Thrombose führen. Das zweite Problem beim Einsatz von Koronarstents ist die Restenose durch Intimahyperpla sie. Das Herzkranzgefäß ist aus den drei Gewebsschichten Intima, Media und Ad ventitia aufgebaut. Die Intima besteht aus Endothelzellen, die das Gefäßlumen auskleiden und direkt mit dem Blutstrom in Kontakt stehen. Sie wird von der sog. Lamina fibrosa interna von der Media abgegrenzt, welche aus glatten Muskelzel len besteht. Die Außenschicht, Adventitia, bildet dann die Verbindung zwischen Gefäß und umgebendem Gewebe. Histologische Untersuchungen zeigen, daß es beim Einbringen von Stents zu einer Läsion der Endothelschicht der Intima und insbesondere der Lamina fibrosa interna kommt. Der Körper reagiert auf diese Irritation mit einer Wucherung von Intimazellen, der sogenannten Intimahyper plasie, die so stark sein kann, daß es zum erneuten Verschluß des Gefäßlumens innerhalb des Stents kommt.

Technisch wurde versucht durch verschiedene Stentbeschichtungen die Thrombo seneigung und/oder die Intimahyperplasie zu vermindern. So offenbart EP-A- 0 836 839 eine Goldschicht auf einem Stent. In Antithrombogenic Coating of Stents Using a Biodegradable Drug Delivery Technology, R. Herrmann, G. Schmid maier, B. Märkl, A. Resch, I. Hähnel, A. Stemerger, E. Alt; Thromb Haemost, 82, 51-57, 1999 werden Stents mit Stahl- oder Goldoberflächen offenbart, die mit biodegradierbarer Polymilchsäure überzogen werden. Der Artikel Local drug de livery of argatroban from a polymeric-metallic composite stent reduces platelet deposition in a swine coronary model, K. R. Kruse, J. J. Crowley, J. F. Tanguay, R. M. Santos, D. S. Millare, H. R. Phillips, J. P. Zidar, R. S. Stack, Catheter Cardio vasc Interv., 46(4), 503-7, 1999 betrifft einen Polymer-Metall-Stent, der mit Ar gatroban versehen ist. Neben dem gerinnungshemmenden Medikament Heparin (DE-A-195 33 682) wurden das antiproliferative Mittel Taxol und die antiinflam matorische Substanz Dexamethason auf Stents aufgebracht, vgl. Antiproliferative stent coatings: Taxol and related compounds, C. Herdeg, M. Oberhoff, K. R. Karsch, Semin Interv. Cadiol., 3 (3-4), 179-9, 1998; und Anti-inflammatory Stent Coatings. Dexamethasone und Related Compounds, S. H. Park, A. M. Lincoff, Semin. Interv. Cardiol., 3 (3-4): 191-5, 1998. Auch ein Stent, der mit einer Schicht aus Silizium-Carbid versehen ist, wurde in klinischen Studien bezüglich der Re duktion von Endothelproliferation und Plättchenaktivierung untersucht, vgl. Sili con carbide-coated stents: clinical experience in coronary lesions with increased thrombotic risk, B. Heublein, C. Ozbek, K. Pethig, J. Endobasc. Surg., 5(1), 32-6, 1998; und Silicon-carbide coated coronary stents have low platelet and leukocyte adhesion during platelet activation, S. H. Monnink, A. J. von Boven, H. O. Peels, I. Tigchelaar, P. J. deKam, H. J. Crijns, W. von Oeveren, J. Investig. Med., 47(6), 304-10, 1999).

Beschichtete Stents sind auch beschrieben in Coated stents: local pharmacology, V. K. Raman, Edelman E. R., Semin. Interv. Cardol., 3(3-4), 133-7, 1998; In vivo evaluation of a fluorine-acryl-stylene-uretahne-silicone aniithrombogenic coating material copolymer for intravascular stents, T. Matsuhashi, H. Miyachi, T. Ishi bashi, K. Sakamoto, A. Yamadera, Acad. Radiol., 3(7), 581-8, 1996; und Anti thrombogenic coating of stents using a biodegradable drug delivery technology, R. Herrmann, G. Schmidmaier, B. Markl, A. Resch, I. Hahnel, A. Stemberger, E. Alt, Thromb. Haemost., 82(1), 51-7, 1999.

Neben diesen Ansätzen wurde auch versucht, Oberflächen mit kovalent modifi ziertem Albumin zu überziehen, vgl. The Protent Platelet Inhibitory Effects of S- Nitrosated Albumin Coating of Artificial Surfaces, N. Maalej, R. Albrecht, J. Loscalzo, J. D. Folts, J. A. C. C., 33(5), 1408-1414, 1999; und Adherence and Pro liferation of Endothelial Cells on Surface-Immobilized Albumin-Heparin Conju gate, G. W. Bos, N. M. Scharenborg, A. A. Poot, G. H. M Engbers, J. G. A. Terlingen, T. Beugeling, W. G. Van Aken, J. Feijen, Tissue Engineering, 4(3), 267-279, 1998. In Hydration and preferential molecular adsorption on titanium in vitro, K. E. Healy und P. Ducheyne, Biomaterials 1992, Vol. 13, Nr. 8, 553-561, wurde das Verhalten von Titan gegenüber Humanserum mittels Oberflächenspektrosko pie untersucht.

Keine der entwickelten Methoden hat bisher im Markt zu einem überzeugenden Produkt geführt. Während das Auftreten von Stentthrombosen durch systemisch verabreichte Medikamente, sogenannte Thrombozytenaggregationshemmer der zeit ausreichend gut behandelt werden kann, gibt es für die Restenose durch Inti mahyperplasie noch keine zufriedenstellende Therapie.

Die oben beschriebenen Probleme werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Gegenstand, umfassend ein Substrat, das wenigstens teilweise mit mindestens einer Schicht überzogen ist und sich darauf wenigstens teilweise eine Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltige Substanz befindet, wobei die an die Substanz direkt angrenzende Schicht wenigstens ein Metall ausgewählt aus Titan, Zirkoni um und Hafnium, oder eine Verbindung davon mit einem oder mehreren Nicht metallen und/oder Halbleitern, oder eine Legierung davon mit einem oder mehre ren anderen Metallen enthält und mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens aufgebracht worden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung des Gegenstands, bei dem ein Substrat wenigstens teilweise mit minde stens einer Schicht überzogen wird und anschließend auf das beschichtete Substrat wenigstens teilweise eine Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltige Substanz aufgebracht wird, wobei die an die Substanz direkt angrenzende Schicht mit we nigstens einem Metall ausgewählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium, oder einer Verbindung davon mit einem oder mehreren Nichtmetallen und/oder Halbleitern, oder einer Legierung davon mit einem oder mehreren anderen Metallen bei einer Temperatur von 20 bis 500°C unter Vakuum aufgebracht wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Gegenstands zur Implantation, Ein führung oder Anbringung in bzw. an den tierischen oder menschlichen Körper oder zum In-Kontakt-Bringen mit tierischem oder menschlichem Blut oder Ge webe oder tierischen oder menschlichen Zellen. Weiterhin umfaßt die Erfindung die Verwendung einer Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltigen Substanz zum Aufbringen auf eine Schicht wie sie oben definiert wurde. Bevorzugte Aus führungsformen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den Figu ren, den Beispielen und den Unteransprüchen beschrieben.

Bei den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Gegenstandes;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der in dem nachfolgend beschriebenen Bei spiel 1 erhaltenen Ergebnisse; und

Fig. 3 eine grafische Darstellung der in dem nachfolgend beschriebenen Bei spiel 2 erhaltenen Ergebnisse.

Als Gegenstand im Sinne der Erfindung soll jedes Gerät oder jede Vorrichtung verstanden werden, die mit menschlichem oder tierischem Blut oder Gewebe oder mit menschlichen oder tierischen Zellen auch für kurze Zeit in Berührung kommt oder die in den menschlichen oder tierischen Körper implantiert oder länger- oder kurzfristig eingeführt oder angebracht werden kann. Als Beispiele sind zu nennen: Katheder, Sonden, Sensoren, Stents, künstliche Herzklappen, endotracheale Tu ben oder Herzschrittmacher.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Metall der Schicht um Titan. Daneben ist auch eine Verbindung oder Legierung von Titan bevorzugt. Bevorzugte Verbin dungen, insbesondere keramische Verbindungen, haben die Formel MC_xN_yO_z, wobei M = Ti, Zr und/oder Hf; x, y, z = 0 bis 2,1; x + y + z = 0,01 bis 4, insbesonde re x + y + z = 0,01 bis 2, besonders bevorzugt x + y + z = 0,05 bis 1,5. Dabei liegt ein Verhältnis von Metall zu Stickstoff zu Sauerstoff zu Kohlenstoff von 1 : (0 bis 2,1) : (0 bis 2,1) : (0 bis 2,1), bevorzugt von 1 : (0 bis 1,0) : (0 bis 2,0) : (0 bis 1,0), be sonders bevorzugt von 1 : (0 bis 0,8) : (0 bis 1,5) : (0 bis 0,3) vor. Die obigen Ver hältnisse beziehen sich auf die Teilchenanzahl bzw. Molverhältnisse. Bevorzugt ist M Titan oder eine Zirkonium-Titan-Legierung. Als zusätzliche Metalle kann die Schicht neben Titan, Zirkonium und/oder Hafnium auch Niob, Tantal, Wolf ram, Molybdän oder deren Legierungen enthalten, was sich vorteilhaft auf die Korrosionsbeständigkeit der Schicht auswirkt. Ferner können solche Legierungen günstige mechanische Eigenschaften aufweisen. Bevorzugte Legierungen sind eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, Titan-Aluminium-Niob-Legierung, Titan-Aluminium-Eisen-Legierung und eine Titan-Niob-Zirkonium-Legierung. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Schicht Wasserstoff enthält (gelöst oder bevorzugt gebunden). Als Material für die Schicht eignen sich auch Materialien wie sie in DE-C-43 44 258 und DE-A-196 06 188 beschrieben sind. Es besteht auch die Möglichkeit, ein Schichtsystem zu verwenden, bei dem auf eine elek trisch leitfähige Zwischenschicht aus Titansuboxid, insbesondere der Zusammensetzung TiO_1,7, eine, vorzugsweise etwa 0,5 µm dicke, TiN-Schicht aufgebracht wird. Dieses Schichtsystem ist besonders korrosionsfest.

Die Dicke der Schicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0 und 5 µm, weiter bevorzugt von 50 bis 3000 nm, ganz bevorzugt von 100 bis 1000 nm. Eine solche Schichtdicke sorgt dafür, daß auch Biegungen des jeweiligen Gegenstands ohne Beschädigung toleriert werden können.

Die Schicht hat vorzugsweise einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10 bis 10⁷ µΩcm, bevorzugt von 50 bis 100 000 µΩcm, besonders bevorzugt von 50 bis 10000 µΩcm. Der spezifische Widerstand kann durch Variation des Anteils an Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff vom Fachmann im Rahmen fachübli cher Versuche leicht eingestellt werden. Es wurde gemessen, daß die Blutplätt chenadhäsion bei 1000-10000 µΩcm ein Maximum aufweist. Durch Variation der elektrischen Leitfähigkeit kann der Gegenstand an die elektrophysiologischen Bedingungen angepaßt werden. Durch Ergänzen der Schicht mit den erfindungs gemäß vorgesehenen Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltigen Substanzen, die ggf. noch durch antibiotisch oder pharmakologisch wirkende Mittel unterstützt werden, kann der Gegenstand an die chemophysikalischen Bedingungen angepaßt werden.

Die Schicht befindet sich als dünne Schicht auf einem Substrat. Geeignete Sub strate sind aus einem Metall, wie Molydän, Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, Wolfram, Nickel, Chrom, Zirkonium, Titan, Hafnium, Tantal, Niob, Vanadium, Eisen oder deren Mischungen oder Legierungen, insbesondere Edelstahl oder Ni tinol, oder aus einem Polymer, wie Polyester, Polyamid, Polyurethan (PU), Po lyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder DACRON®. Bevorzugt besteht das Substrat aus Edelstahl, insbesondere medizinischem Edelstahl, Tantal, Nitinol, Titan, Gold oder Polymer. Die Schicht ist vorzugsweise auf eine rauhe Substrato berfläche aufgebracht, deren Rauhigkeit durch eine statistische Verteilung der Abweichungen vom mittleren Niveau gekennzeichnet ist und die Standardabweichung dieser Verteilung liegt im Bereich von 0,5-50000 nm, vorzugsweise von 40-1200 nm.

Das Substrat ist wenigstens zum Teil, vorzugsweise vollständig, mit der Schicht überzogen.

Als die an die Substanz direkt angrenzende, mittels eines Vakuumbeschichtungs verfahrens aufgebrachte Schicht soll im Sinne der Erfindung auch eine Schicht verstanden werden, die nach ihrem Aufbringen mittels des Vakuumbeschich tungsverfahrens durch Brechen des Vakuums einem natürlichen Alterungsprozeß, vorzugsweise an Luft bzw. Lagern bei Normalbedingungen, unterworden worden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Zwischenschicht zwischen Sub strat und Schicht vorgesehen, die eine höhere Haftfestigkeit bewirkt. Diese Zwi schenschicht besteht aus einem Metall, vorzugsweise aus Chrom, Kupfer, Nickel, Molydän, Tantal, Niob, Silber oder Legierungen dieser Metalle oder einem Halb leiter, z. B. Silicium.

Geeignete Protein-, Peptid- und Saccharid-haltige Substanzen sind Albumin; Fi brinogen; Heparine; Collagen; Blutproteine, z. B. alpha-2-Globulin; Immunoglo buline, wie IgG, IgM, IgE, IgA sowie Proteine des Komplementsystems, Zytoki ne, Interleukine und Interferone; Glykoproteine, wie Ferritin und Lactoferritin; Speichelproteine, wie Lysozym, IgA2, Mucin und Glandulin; und/oder alpha-1- Proteinase-Inhibitoren. Diese Substanzen können sowohl allein als auch im Ge misch davon vorliegen. Die bevorzugten Substanzen sind Albumin, Fibrinogen, Heparin oder ein Gemisch davon. Am meisten bevorzugt ist Albumin, insbeson dere ein Gemisch von Albumin mit Fibrinogen, Heparin und/oder einer oder meh rerer der anderen oben genannten Substanzen, insbesondere Albumin mit Fibrino gen. Albumin ist ein gut wasserlöslicher, stark hydratisierter, schwer aussalzbarer Eiweißkörper von elliptischer Gestalt mit einem Molekulargewicht von etwa 660.000, mit einem Anteil an schwefelhaltigen Aminosäuren, einem isoelektrischen Punkt von 4,6 und ampholytischem Verhalten. Besonders geeignete Albu mine sind Humanalbumin, Rinderalbumin, Schweinealbumin, Hühneralbumin, Hundealbumin, Albumin von Katze, Affe, Meerschweinchen, Maus, Truthahn, Hamster, Rhesusaffen, oder Schaf. Am meisten bevorzugt ist Humanalbumin.

Auf der Schicht befindet sich wenigstens zum Teil, vorzugsweise vollständig, die Substanz.

Der erfindungsgemäße Gegenstand reduziert die Fremdkörperreaktion und erlaubt die Erzeugung einer Vielfalt von gewünschten Eigenschaften. So wird zum Bei spiel durch Kombination von Albumin, vorzugsweise Humanalbumin, mit einer TiN_xO_y-Schicht eines Stent-Substrates aus medizinischem Edelstahl, wobei x und y wie oben definiert sind, die Restenoserate auf 53% reduziert (vgl. nachfolgendes Beispiel 3). Andere Proteine, wie Fibrinogen, reduzieren die Adhäsion von be stimmten Bakterienstämmen (vgl. nachfolgendes Beispiel 2). Dies ist besonders relevant z. B. Ihr diverse Katheder im Bereich des Urogenitaltraktes oder Blutsy stems oder für Implantate im Bereich des Respirationstraktes.

Zur Herstellung des Gegenstands wird die Schicht mittels eines Vakuum- Beschichtungsverfahrens auf das Substrat aufgebracht. Zweckmäßigerweise er folgt dies mittels PVD (physical vapour deposition), CVD (chemical vapour de position), PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) oder Ionenpla tieren, insbesondere mittels PVD-Verfahren, wie reaktives Aufdampfen, Sputtern, reaktive Plasmaprozesse oder das in DE-A-195 06 188 beschriebene Verfahren. Insbesondere eignet sich zur Aufbringung der Schicht auf das Substrat das fol gende Verfahren: Das Substrat wird in einer Vakuumkammer positioniert und auf 20 bis 500°C, bevorzugt auf 100 bis 400°C, besonders bevorzugt 200 bis 350°C erwärmt. Zur Beschichtung wird in der Kammer mittels Verdampfung, vorzugs weise Elektronenstrahlverdampfung, bei einem Vakuum von 10^-5 bis 10^-2 mbar, bevorzugt von 10^-4 bis 10^-2 mbar, besonders bevorzugt von 10^-4 bis 5 . 10^- ³.mbar das Metall oder die Legierung, wie oben definiert, verdampft. Sollen Verbindungen aufgebracht werden, werden die entsprechenden Gase, Sauerstoff, Stickstoff und/oder kohlenstoffhaltige Gase wie z. B. Ethin oder Kohlendioxid, in die Vakuumkammer eingeführt. Zur Erzeugung der gewünschten chemischen Zu sammensetzung der Verbindung wird hierbei vorzugsweise wie folgt verfahren:

Die chemische Zusammensetzung wird allgemein durch die Parameter bestimmt:
r_M - Verdampfungsrate an Metall M
a_GM - Affinität der Gassorte G zum Metall M
U_piI_p - Spannung und Strom eines eventuell gezündeten Plasmas
T_s - Substrattemperatur
I - Abstand Verdampfer-Substrat
P_tot - totaler Gasdruck
und
P_G - Partialdruck der Gassorte G,
wobei letztere Größe durch
f_G - Massenfluß der Gassorte G
L_G - Pumpleistung der Vakuumpumpe für die Gassorte G
bestimmt wird. Daraus kann der Fachmann für jede Anwendung die Funktion "Prozeß-Zusammensetzung" für jede Vakuumkammer experimentell bestimmen. Hat man es mit einem Metall M und einem Gas G zu tun (z. B. Titan und Sauer stoff), kann der oben beschriebene vieldimensionale Parameterraum zu einem linearen zweidimensionalen Problem reduziert werden. Zum Beispiel gilt für das System Titan-Sauerstoff im Parameterbereich
r_Titan = 0,1-10 mm/s
T_s = 20°C-500°C
I = 20-120 cm
P_tot = 10^-5-10^-2 mbar
daß die chemische Zusammensetzung eine lineare Funktion des Sauerstoffflusses f₀₂ geregelt durch eine Durchfluß-Steuervorrichtung ist. Dieser Zusammenhang kann durch eine parameterisierte Kurvenschar beschrieben werden

ν = 0,0245 × (f₀₂ + t) - 0,879

wobei ν das Teilchenverhältnis von Sauerstoff zu Titan in der Schicht beschreibt, f₀₂ den entdimensionierten Sauerstofffluß (Sauerstofffluß ohne Dimension) und t einen Kurvenscharparameter, der die Pumpleistung der Kammer und Geometrie beschreibt. In diesem System läßt sich auch der spezifische Widerstand p (ohne Dimension) der Schicht als Funktion der chemischen Zusammensetzung beschrei ben:

ν = 0,357 In(p) - 2,1987.

Fügt man ein zweites Gas hinzu, werden die unterschiedlichen Affinitäten (a_GM1, a_GM2) zwischen dem Metall M und den beiden Gassorten G1 und G2 berücksich tigt. Das Verhältnis a_GM1 zu a_GM2 bestimmt den Parameterraum, in dem ein linea rer Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung in der Schicht und den Gasflüssen beider Gassorten gilt. Verwendet man mehr als zwei Gassorten und/oder mehr als eine Metallsorte, kann mittels stochastischer Optimierungsalgo rithmen z. B. genetischer Algorithmen, der Parameterraum experimentell unter sucht werden, um Parameterraumbereiche zu finden, die zu den gewünschten Ei genschaften führen. Hierbei erfolgt die Einstellung des gewünschten Mengenver hältnisses der Gase vorzugsweise mittels Durchfluß-Steuervorrichtungen, z. B. sog. Massflowcontrolern. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, ein Plasma zu zünden. Die Abscheidung der Schicht auf dem Substrat erfolgt in einer üblichen Vakuum-Abscheidungsapparatur wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet geläu fig ist.

Die auf das Substrat aufgebrachten Schichten können kurz nach dem Aufbringen und der Entnahme aus der Vakuumkammer noch chemisch instabil sein und einen Alterungsprozeß aufweisen. So passiviert z. B. Titan zu Titanoxid bzw. TiO₂, wo bei dieser Prozeß Stunden oder gar Tage dauern kann.

Auf das beschichtete Substrat wird dann die Protein-, Peptid- und/oder Saccharid- haltige Substanz aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Substanz gleich oder bald nach dem Aufbringen der Schicht aufgebracht. Vor zugsweise erfolgt dies 1 Minute bis 1 Woche, besonders bevorzugt 1 Minute bis 5 Stunden, nach dem Aufbringen der Schicht bzw. der Entnahme des beschichte ten Substrats aus der Vakuumkammer. Geeignete Verfahren zum Aufbringen der Substanz in Lösung sind Eintauchen und Besprühen. Die Substanz wird zweck mäßigerweise durch Einbringen des beschichteten Substrats in eine die Substanz enthaltene Lösung aufgebracht. Geeignete Lösungen enthalten 1-70 Gew.-%, vor zugsweise 1 bis 40 Gew.-%, insbesondere 1 bis 35 Gew.-%, der Substanz, bezo gen auf 100 Gew.-% Lösung. Bevorzugt wird eine Lösung mit 1-30 Gew.-% Hu manalbumin, insbesondere 1 bis 15 Gew.-% Humanalbumin, bezogen auf 100 Gew.-% Lösung, verwendet. Neben der oben beschriebenen Substanz enthält die Lösung Wasser und gegebenenfalls Salze, Elektrolyten und/oder Puffer. Das Al bumin kann neben einer Lösung zum Aufbringen auch als Pulver vorliegen, das z. B. durch Hitzeschock oder (Salz-)Kristallisation erzeugt wurde. In diesem Fall wird das Pulver auf der Schicht verteilt und dann der Gegenstand in einer Feucht kammer gelagert. Es besteht auch die Möglichkeit, daß Teile der Substanz denatu riert sind, was das Anwendungsspektrum erweitert. So kann denaturiertes Fibri nogen die Oberfläche für Blutplättchen-Aggregation inhibieren. Die Substanz kann auch aufgebracht werden, indem man das beschichtete Substrat mit einem Gasgemisch der gewünschten Substanz in Kontakt bringt. Es besteht auch die Möglichkeit, daß der Substanz Depotstoffe, z. B. gerinnungshemmende Substan zen oder Antibiotika beigefügt werden, die dann kontinuierlich freigesetzt wer den.

Beim Aufbringen der Substanz durch Eintauchen in eine Lösung wird der Gegen stand dort einige Sekunden bis mehrere Tage bei Temperaturen von -12 bis +20°C, vorzugsweise von 0 bis +7°C, aufbewahrt. Der Gegenstand kann mit der Lösung in den Handel kommen. In dieser Form ist er mindestens 1 Monat haltbar. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gegenstand als Im plantat, insbesondere als Stent, ausgebildet.

Der erfindungsgemäße Gegenstand kann zur Implantation, Einführung oder An bringung in bzw. an den tierischen oder menschlichen Körper oder zum In- Kontakt-Bringen mit menschlichem oder tierischem Blut oder Gewebe oder menschlichen oder tierischen Zellen verwendet werden. Insbesondere wird er zur Implantation, Einführung oder Anbringung in bzw. an den tierischen oder menschlichen Körper verwendet.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Protein-, Peptid- und/oder Sac charid-haltigen Substanz zum Aufbringen, insbesondere Anlagern oder Ablagern, auf eine Schicht, die wie oben beschrieben definiert ist. Die Substanz ist hierbei wie oben beschrieben definiert. Vorzugsweise ist sie aus Albumin, Fibrinogen und Heparin ausgewählt, wobei Albumin am meisten bevorzugt ist.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäß bevorzugten Ge genstands mit dem Substrat (3), das mit der PVD-Schicht (2) überzogen ist und auf der sich die Substanz (1) befindet.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele, die bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung darstellen, näher erläutert.

Beispiel 1

Medizinischer Stahl 1440 wurde auf einem speziell hergestellten Substrathalter montiert und in eine Vakuumkammer gebracht. Nach Evakuieren der Kammer auf 10^-5 mbar wurde das Substrat auf 400°C erhitzt. Mittels einer Elektronenstrahlka none wurde Titan mit einer Rate von 0,5 nm/s verdampft. Mittels Massflowcon trolern wurde ein Stickstofffluß von 150 sccm (Standard-cm³) und ein Sauerstoff fluß von 35 sccm zugeführt. Der erreichte Prozeßdruck betrug 10^-3 mbar. Somit wurde eine TiN_0,95O_0,15-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 1000 µΩcm aufgebracht. Die Schicht wies eine Dicke von 1 µm auf.

Anschließend wurde die Probe 1 Stunde lang mit 1% Humanalbuminlösung (Gew-%) bei Raumtemperatur inkubiert und anschließend getrocknet. Nach der Inkubation mit Albumin wurde die Probe mit Phosphatpuffer (PBS) gespült und dabei überschüssiges, nicht gebundenes Albumin abgespült.

Danach wurde die Probe in 5 Rechtecke (l × b × h = 76 × 38 × 0,2 [mm]) ge schnitten, von denen 4 Proben 1, 2, 3 bzw. 4 Tage mit filtriertem Humanplasma inkubiert wurden. Die Plättchenadhäsion wurde auf diesen 4 Proben sowie der 5. Probe, die nur mit dem Albumin (und nicht mit dem Humanplasma) inkubiert worden war, gemessen. Hierzu wurde in einer Flußkammer (0,6 mm × 38 mm Größe) citrat-anticoaguliertes menschliches Blut über die jeweilige Probe gespült. Die Strömungsgeschwindigkeit betrug 39,67 ml/min. Die Perfusion dauerte je weils 5 Minuten und erfolgte bei 37°C Temperatur. Nach der Perfusion wurde die jeweilige Probe mit Hepes-NaCl gespült. Als Vergleichsproben dienten unbehan delte Substrate, d. h. medizinischer Stahl, gleicher Größe, die in gleicher Weise wie die Probe mit Humanplasma inkubiert und vermessen wurde.

Die so behandelten Proben und Vergleichsproben wurden anschließend fixiert und die Menge an Blutplättchen, die an den Proben haftete, wurde mittels Fluores zenzmikroskopie quantifiziert und in % der bedeckten Fläche, bezogen auf die Gesamtfläche, angegeben.

Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt, wobei die Plättchenadhäsion in [%] gegen die Zeit in [Tagen] aufgetragen ist. Aus Fig. 2 geht hervor, daß bereits nach 1 Tag die Plättchenadhäsion auf dem erfindungsgemäßen Gegenstand redu ziert ist.

Beispiel 2

Die Oberfläche von medizinischem Stahl 1440 wurde wie in Beispiel 1 in einer Vakuumkammer beschichtet, wobei jedoch Stickstoff und Sauerstoff u. a. in der Menge zugeführt wurden, wie sie in der untenstehenden Tabelle angegeben ist. Der so erreichte Prozeßdruck betrug 10^-3 mbar. Durch Variation der Prozeßpara meter gemäß DE-A-195 06 188 konnten Schichten mit verschiedener Leitfähig keit hergestellt werden. Die Schichtdicke betrug 10^-6 m. Auf diese Weise wurden beschichtete Substrate mit den in der folgenden Tabelle angegebenen Widerstän den erhalten.

Darüberhinaus wurden noch 5 beschichtete Substrate mit den weiterhin in Fig. 3 dargestellten Widerständen hergestellt. Auf 5 Proben wurde erfindungsgemäß Substanz abgelagert, wobei die Proben 30 min lang in einer Lösung mit gereinig tem Humanfibrinogen (Grad L, KabiVitrum, 33 g Humanfibrinogen/100 ml Ka liumphosphat) inkubiert wurden. Die weiteren 5 Proben wurden nicht mit der Substanz (Fibrinogen) behandelt und dienten als Vergleichsproben.

Danach wurden die Proben und Vergleichsproben in einer Flußkammer (Abmes sungen: l × b × h = 76 × 38 × 0.6 mm) bezüglich der Adhäsion des Bakterienstammes Staphylococcus epidermidis 11047 untersucht. Dabei wurde die Bakteri enlösung über 5 Stunden mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 ml/min über die Proben und Vergleichsproben gespült und quantifiziert.

Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt, wobei die totale Adhäsion in [Bakteri en/cm²] gegen den spezifischen Widerstand in [µΩcm] der Probe aufgetragen ist. Wie daraus ersichtlich ist, zeigen die erfindungsgemäßen Proben eine deutlich verringerte Adhäsion.

Beispiel 3

Handelsübliche Coronarstents wurden wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet, so daß der gleiche spezifische Widerstand und die gleiche Schichtdicke erhalten wurden. Nach Belüften der Vakuumkammer mit Stickstoff wurden die Stents in eine Lösung mit 5 Gew.-% Humanalbumin gebracht und versiegelt.

Die Stents wurden in die Herzkranzgefäße von 20 Schweinen implantiert. Gleich zeitig wurden in die Schweinen unbehandelte Kontrollstents, d. h. Stents ohne Be schichtung und ohne Substanz, implantiert. Nach sechs Wochen wurde die Inti mahyperplasie, die durch die Stents bzw. Kontrollstents ausgelöst wurde, gemes sen. Dazu wurden aus der Gefäßwand unmittelbar vor den implantierten Stents und innerhalb der implantierten Stents Proben entnommen und histologische Prä parate angefertigt. Die Dicke der Intimaschicht wurde in den histologischen Prä paraten gemessen. Der Vergleich zwischen den erfindungsgemäßen Stents und den Kontrollstents zeigte eine Verminderung der Intimahyperplasie um 53% bei den erfindungsgemäßen Stents. Das Ergebnis war mit p < 0,04 signifikant.

Claims

1. Gegenstand, umfassend ein Substrat, das wenigstens teilweise mit minde stens einer Schicht überzogen ist und sich darauf wenigstens teilweise eine Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltige Substanz befindet, wobei die an die Substanz direkt angrenzende Schicht wenigstens ein Metall ausgewählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium, oder eine Verbindung davon mit einem oder mehreren Nichtmetallen und/oder Halbleitern, oder eine Legierung da von mit einem oder mehreren anderen Metallen enthält und mittels eines Vakuum-Beschichtungsverfahrens aufgebracht worden ist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metall um Titan handelt.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Verbindungen aus wenigstens einem Metall ausgewählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium mit wenigstens einem Element ausgewählt aus Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthält, wobei die Verbindungen die Formel MC_xN_yO_z haben, wobei M = Ti, Zr und/oder Hf; x, y, z = 0,0 bis 2,1; und x + y + z = 0,01 bis 4.

4. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mittels PVD, PECVD oder CVD aufgebracht worden ist.

5. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dicke der Schicht zwischen 0 und 5 µm liegt.

6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der spezifische Widerstand der Schicht zwischen 10 und 10⁷ µ Ωcm liegt.

7. Gegenstand nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die an die Substanz direkt angrenzende, mittels des Vakuum beschichtungsverfahrens aufgebrachte Schicht einer Alterung an Luft unter zogen worden ist.

8. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die wenigstens eine Substanz aus Albumin, Fibrinogen und Heparin ausgewählt ist.

9. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Substanz wenigstens Albumin umfaßt.

10. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat aus Edelstahl, Tantal, Nitinol, Titan, Gold und/oder Polymer besteht.

11. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß er als Stent ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat wenigstens teilweise mit mindestens einer Schicht überzogen wird und anschließend auf das beschichtete Substrat wenigstens teilweise eine Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltige Substanz aufgebracht wird, wobei die an die Substanz direkt angrenzende Schicht mit wenigstens einem Metall ausge wählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium, oder einer Verbindung davon mit einem oder mehreren Nichtmetallen und/oder Halbleitern, oder einer Legierung davon mit einem oder mehreren anderen Metallen bei einer Tempera tur von 20 bis 500°C unter Vakuum aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz durch Einbringen des beschichteten Substrats in eine die Substanz enthal tende Lösung aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung 0,5 bis 40 Gew.-% der Substanz, bezogen auf 100 Gew.-% Lösung, enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat bei einem Druck von 10^-5 bis 10^-2 mbar beschichtet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch ein Substrat, eine Schicht und eine Substanz wie in einem der Ansprüche 2 bis 10 definiert.

17. Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Implantation, Einführung oder Anbringung in bzw. an den tierischen oder menschlichen Körper, oder zum In-Kontakt-Bringen mit menschlichem oder tierischem Blut oder Gewebe oder menschlichen oder tierischen Zellen.

18. Verwendung einer Protein-, Peptid- und/oder Saccharid-haltigen Substanz zum Aufbringen auf eine Schicht, die wenigstens ein Metall ausgewählt aus Titan, Zirkonium und Hafnium, oder eine Verbindung davon mit einem oder mehreren Nichtmetallen und/oder Halbleitern, oder eine Legierung davon mit einem oder mehreren anderen Metallen enthält und mittels eines Vaku um-Beschichtungsverfahrens aufgebracht worden ist.

19. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substanz wie in Anspruch 8 oder 9 definiert verwendet wird.