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GEBIET DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der Erfindung ist die oligodynamische Iontophorese und insbesondere
eine Struktur für
medizinische Vorrichtungen, die Infektionen durch Abtöten von
Mikroorganismen mit kontrollierter oligodynamischer Iontophorese
reduziert oder eliminiert. Eine iontophoretische Struktur nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus WO-A-97/38648 bekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Oligodynamische
Metalle, wie zum Beispiel Silber, sind in kleinsten Mengen als Bakteriostatika und
Bakterizide wirksam. Die aktivste Form dieser oligodynamischen Metalle
stellt die als Ionen in Lösung
dar. Während
die genaue Beschaffenheit der bakteriziden Wirkung unbekannt ist,
wird angenommen, dass sie die Änderung
der Funktion der Zellmembran oder Verknüpfung mit der DNA der Zelle zur
Unterbrechung der Zellfunktion beinhaltet. Die bakterizide Wirkung
ist wirksam gegen ein breites Spektrum von Bakterien, einschließlich aller
der allgemeinen Stämme,
die Infektionen verursachen. Wenn diese Metalle in den kleinsten
Konzentrationen verwendet werden, die zur Abtötung oder zum Aufhalten des
Wachstums von Bakterien erforderlich sind, weisen sie keine nachteilige
Wirkung auf normale Säugerzellen
auf.
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Silber
wird routinemäßig in antibakteriellen Salben,
wie zum Beispiel Silbersulfadiazin, verwendet und wurde auch in
klinischen Studien zur Beschichtung von Gaze für Verbände bei Verbrennungen verwendet.
Medizinische Vorrichtungen, wie zum Beispiel Katheter, mit Silber
in einem löslichen
Kollagen imprägniert
oder einer Polymerbeschichtung, sind auch bekannt. Nachdem diese
Katheter gelegt sind, löst
sich die Beschichtung langsam auf und das Silber wird im Laufe der
Zeit in die Umgebung freigesetzt. Es wird berichtet, dass die Infektionsraten
mit diesen Produkten zwei- bis viermal niedriger als mit Standardkathetern
sind.
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Ein
Katheter, der Silber als ein antibakterielles Mittel verwendet,
wies nur einen begrenzten Erfolg auf, weil die Vorrichtung, bestehend
aus einer mit Silber imprägnierten
Kollagen-Manschette, die eben unter die Haut insertiert wird, schwer
korrekt zu platzieren ist. Die Manschette ist auch teuer, wobei
sie die Kosten eines zentralvenösen
Katheters fast um das Dreifache erhöht. Andere Katheter zur Reduktion der
Infektionsraten verwenden weithin bekannte Ansätze, wobei die meisten von
ihnen nur hinsichtlich des Typs und der Löslichkeit der Silber- oder
Silberlegierungsbeschichtung variieren.
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Viele
der Katheter im Stand der Technik, die oligodynamische Metalle als
Bakteriostatika verwenden, sind nicht dazu in der Lage, aus einem
oder mehr der folgenden Gründe
eine Infektion adäquat
zu verhindern: 1) Aus löslichen
Beschichtungen freigesetztes Silber befindet sich nicht immer im
gleichen Ladungszustand und ist häufig überhaupt nicht geladen, folglich
ist sein bakterizides Potenzial nicht optimiert; 2) mit löslich-beschichteten
Kathetern besteht, sobald sich die Beschichtung auflöst, gewöhnlich über ca.
zwei Wochen, kein weiterer antibakterieller Schutz; 3) eine Beschichtung
aus nicht löslichem
Silber, einer Silberlegierung oder aus Silberoxid kann die Kolonisierung
des Katheters in einem begrenzten Ausmaß verhindern, das oligodynamische
Metall wird aber nicht in die umgebende Flüssigkeit oder das Gewebe freigesetzt;
4) aufgrund der erheblichen Änderung
des Platzierungsverfahrens des Katheters erfordert die Verwendung
dieser Katheter eine zusätzliche
Schulung des Personals; und 5) obwohl eine Infektion entweder durch
die Innen- oder Außenseite
des Katheters in den Körper
eindringen kann, stellen nicht alle Katheter sowohl einen inneren
als auch äußeren Schutz
bereit. Trotz der Fähigkeit
von mit Silberlegierung beschichteten Vorrichtungen, eine um das
2- bis 4fache Reduktion der bakteriellen Kolonisierung herbeizuführen, schmälern ihre
hohen Kosten weiter weitgehend ihre bescheidenen Fähigkeiten.
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Forschung
ab Beginn der 1970er Jahre hat sich auf die Verbesserung der antibakteriellen
Wirkungen oligodynamischer Metalle durch elektrische Injektion der
Metallionen in Lösung
gerichtet. Dieses Verfahren, das als oligodynamische Iontophorese bekannt
ist, ist zur Reduktion der bakteriellen Kolonisierung um das 15-
bis 100fache fähig.
Iontophorese beschreibt die Bewegung von Ionen in einer leitfähigen Flüssigkeit
unter dem Einfluss von elektrischen Feldern einer geringen Stärke und
bezieht sich in diesem Zusammenhang auf das Forcieren von Ionen
in das Milieu einer leitfähigen
Flüssigkeit
unter Verwendung kleinster elektrischer Ströme. Wenn zum Beispiel zwei
Elektroden, die aus Metall, wie zum Beispiel Silber, hergestellt
werden, in ein leitfähiges
Medium, wie zum Beispiel Kochsalzlösung, Blut oder Urin eingeführt werden,
und ein elektrisches Potenzial über
die Elektroden angelegt wird, werden die Silberionen in die Lösung getrieben,
die eine verstärkte bakterizide
Wirkung herbeiführt.
Der zum sicheren Treiben einer ausreichenden Silberionenmenge in Lösung erforderliche
Strom zur Infektionskontrolle liegt im Bereich von 1 bis 400 Mikroampere.
Dieser Strombereich verursacht keine lokalisierte Zellnekrose und
liegt unter der sensorischen oder Schmerzschwelle. Trotz seines
großen
Potenzials hat das Phänomen
der oligodynamischen Iontophorese nur begrenzte Anwendung zusammen
mit medizinischen Vorrichtungen gefunden, obwohl urologische Katheter
oder Foley-Katheter bis zu den Tierexperimenten weitergeführt wurden.
In Bezug auf Foley-Katheter haben die Forscher mehrere Defizienzen
in Vorrichtungen im Stand der Technik gefunden. An erster Stelle
steht, dass die verwendeten Elektroden, die zur Forcierung von Ionen
in Lösung
verwendet werden, an der Grenzfläche
zwischen Luft und dem leitfähigen
Medium verschleißen
oder korrodieren. Dieses Problem entsteht wahrscheinlich auch in
der Umgebung von Blut oder Kochsalzlösung ebenso wie Urin. Andere
signifikante Nachteile mit iontophoretischen Vorrichtungen im Stand
der Technik schließen sperrige,
stromgesteuerte Energiequellen, die zum Treiben der Elektroden erforderlich
sind; Elektrodenkonfigurationen, die nicht die Außen- und
Innenseite des Katheters gleichermaßen schützen; und Herstellungsverfahren,
die arbeitsintensiv sind, ein.
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Ein
Beispiel eines Infektionskontroll-Katheters, der getrennte Elektroden
am Katheter und eine externe Stromversorgung zum Treiben von Ionen
in Lösung
verwendet, stellt US-Patent Nr. 4,411,648 an Davis dar. Andere oligodynamische
Iontophorese-Vorrichtungen im Stand der Technik verwenden keine
externen Stromversorgungen. Das US-Patent Nr. 4,886,505 an Haynes,
lehrt zum Beispiel das Platzieren zweier Metalle in direkten physikalischen
Kontakt zur Herstellung elektrischer Ströme. Die hergestellten Ströme sind
jedoch wahrscheinlich zu groß, um
sicher verwendet werden zu können
und verändern
möglicherweise
den pH der Umgebung. Im Deutschen Patentdokument
DE 38 30 359 werden zwei unähnliche
Metallpulver nicht in elektrischem Kontakt miteinander in ein nicht
leitfähiges
Kathetermaterial, wie zum Beispiel elektrisch isolierende Polymere,
eingebettet. Aufgrund der Trennung unähnlicher Metalle durch einen
Isolator ist es nicht wahrscheinlich, dass in dieser Vorrichtung
eine Iontophorese-Wirkung aufgrund eines Potenzials vorliegt, das durch
die unähnlichen
Metalle herbeigeführt
wird, außer
der Möglichkeit,
wenn sich auf der Katheteroberfläche
ein Biofilm bildet, den Kreis zu schließen. Sollte auf diese Weise
ein elektrischer Kreis gebildet werden, würde die Stromdichte nicht reguliert
oder wäre nicht
vorhersagbar, und der produzierte Strom könnte deshalb entweder zu hoch
und nicht sicher oder zu niedrig und nicht wirksam sein.
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Ein
oligodynamischer Iontophorese-Katheter, der die Eigenschaften von
Metallen zur Generierung eines Stroms und zur Bildung einer Ionenbarriere
zur Abtötung
von Bakterien an einer lokalisierten Eintrittsstelle in den Körper verwendet,
wird in US-Patent Nr. 4,569,673 an Tesi offenbart. Tesi lehrt das
Platzieren eines Streifens aus einem oligodynamischen Metall auf
ein nicht leitfähiges
Substrat. Das oligodynamische Metall wirkt als eine galvanische Opferanode
und gibt Ionen ab, wenn es in leitfähigen Kontakt mit einem unähnlichen
Metall durch Platzieren des Katheters in eine elektrolytische Lösung platziert
wird. Da die Leitfähigkeit
und der pH des Urins zum Beispiel in der gleichen Person wie auch
von Einzelperson zu Einzelperson im Laufe der Zeit variiert, wäre es extrem
schwierig, zu einem gegebenen Zeitpunkt irgendeine Präzision oder
Vorhersagbarkeit für
eine spezifische Stromdichte zu erreichen. Außerdem stellt die Vorrichtung
von Tesi nur eine lokalisierte Infektionskontrolle bereit.
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Folglich
erfüllen
keine dieser Vorrichtungen das von der oligodynamischen Iontophorese
gebotene Versprechen hinsichtlich einer Infektionsreduktion in langfristig
verweilenden medizinischen Vorrichtungen.
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ZUSAMMENSETZUNG
DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine iontophoretische Struktur für eine medizinische Vorrichtung,
die das mit der verlängerten
Implantation einer medizinischen Vorrichtung in den Körper einhergehende
Risiko reduziert. Gegenstand der Erfindung ist spezifisch die Zufriedenstellung
der Leistungsziele einer allgemeinen antibakteriellen Wirksamkeit;
minimale Elektrodenkorrosion; präzise
Kontrolle des elektrischen Stroms; Tragfähigkeit der Stromquelle; und
Leichtigkeit der Herstellung. Diese Leistungsanforderungen können ohne
weiteres durch eine Anzahl von Ausführungsformen angesprochen werden,
in denen ein kontrollierter elektrischer Strom die oligodynamischen
Metallionen in Lösung
treibt, um Bakterien auf und in der Nähe der iontophoretischen Struktur
abzutöten.
In einer Ausführungsform
schließt
eine iontophoretische Struktur ein iontophoretisches Material und
eine Deckschicht ein, die mindestens einen Anteil des iontophoretischen
Materials abdeckt. Die Deckschicht kann chemisch gebunden, mechanisch
befestigt oder mit dem iontophoretischen Material verschmolzen sein.
Die iontophoretische Struktur kann ein ionotophoretisches Verbundmaterial,
geschichtete ionotophoretische Strukturen oder Körper, die mit ausgewählten Materialien
zur Herbeiführung
einer iontophoretischen Wirkung überzogen
sind, einschließen.
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Die
Deckschicht, die permeabel sein kann, kann eine hydrophile Substanz,
ein Blutverdünnungsmittel
oder ein nicht iontophoretisches Polymer einschließen oder
umfassen. In anderen Ausführungsformen
schließt
die iontophoretische Struktur weiter eine Beschichtungsabdeckung
an mindestens einem Anteil der permeablen Deckschicht ein. Die Beschichtung
kann ein biologisch abbaubares Material oder ein lösliches
Material und ein chemisches oder ein biologisches Mittel, das aus
der Beschichtung freigesetzt wird, wenn das biologisch abbaubare Material
abgebaut wird oder sich auflöst,
einschließen.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
schließt
eine iontophoretische Struktur ein permeables Basismaterial für eine medizinische Vorrichtung
ein, das mit iontophoretischen Körpern oder
Strukturen integriert ist.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen
mit den beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden, worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Iontophorese-Katheters darstellt,
der ein Verbindmaterial, umfassend Metallpulver in einer leitfähigen elastomeren
Matrix, inkorporiert;
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2 eine
partielle Schnittansicht des Iontophorese-Katheters von 1 darstellt;
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3 eine
Veranschaulichung der durch das Verbundmaterial im Katheter von 1 herbeigeführten Iontophorese-Wirkung
darstellt;
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4 eine
perspektivische Ansicht des mit dem Verbundmaterial von 1 beschichteten Schrittmacherkabels
darstellt;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines teilweise mit dem Verbundmaterial
von 1 beschichteten künstlichen Hüftgelenks darstellt;
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6A eine
perspektivische Ansicht einer mit dem Verbundmaterial von 1 beschichteten Infusionspumpe
darstellt;
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6B eine
perspektivische Ansicht eines mit dem Verbundmaterial von 1 beschichteten Zahns
darstellt;
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7 eine
perspektivische Ansicht eines Katheters mit einer Iontophorese-Schleuse
zur Infektionskontrolle darstellt;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines Katheters mit einer Iontophorese-Einführschleuse zur
Infektionskontrolle darstellt;
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9 eine
perspektivische Ansicht eines Iontophorese-Katheters mit einer Vielzahl
geschichteter Elektroden darstellt;
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Iontophorese-Katheters mit einer Vielzahl
in Streifen angeordneten geschichteten Elektroden darstellt;
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11 eine
partielle Schnittansicht des Iontophorese-Katheters von 10 darstellt;
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12 eine
Schnittansicht einer iontophoretischen Struktur auf einer Vorrichtungsoberfläche darstellt,
die eine oder mehr Deckschicht(en) einschließt;
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13 eine
Schnittansicht einer iontophoretischen Struktur darstellt, die eine
Vorrichtung umhüllt und
selbst durch eine oder mehr Deckschicht(en) umhüllt ist;
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14 eine
Schnittansicht von einer noch anderen iontophoretischen Struktur
auf einer Vorrichtungsoberfläche
darstellt, die eine Deckschicht einschließt; und
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15 eine
medizinische Vorrichtung erläutert,
die erfindungsgemäße iontophoretische
Strukturen einschließt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Iontophoretische
Strukturen können
in zwei Kategorien aufgeteilt werden: ein Verbundmaterial, das zum
Beschichten einer medizinischen Vorrichtung verwendet wird, oder
eine Vielzahl diskreter geschichteter Elektroden, die auf die medizinische
Vorrichtung platziert werden, wobei beide dieser Kategorien hierin
nachstehend offenbart sind. Bei der medizinischen Vorrichtung kann
es sich um ein kurzfristiges, langfristiges oder permanentes Implantat
handeln und schließt
die folgenden Vorrichtungen ein: Blasenkatheter, Katheter für den Gefäßzugang
und Einführschleusen,
Flüssigkeitszufuhrschläuche und Zubehör, wie zum
Beispiel intravenöse
Schläuche, Urinauffangbeutel
und -schläuche,
Thorax-Drainagerohre, Infusionspumpen, Schrittmacherkabel, Tracheotomierohre,
Beatmungsschläuche,
Gelenkprothesen, Herzventile, Wundverbände, orthopädische Pins oder Platten oder
jedwede andere medizinische Vorrichtung, die in einer Umgebung oder
für Applikationen
verwendet wird, bei denen antibakterielle Eigenschaften in Erwägung gezogen
werden. Da es sich bei den Blasenkathetern jedoch um eine besonders
attraktive Applikation für
die iontophoretischen Strukturen handelt, ist die anschließende ausführliche
Beschreibung auf sie gerichtet.
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Unter
Bezugnahme auf die erste Kategorie iontophoretischer Strukturen
für eine
medizinische Vorrichtung erläutert 1 einen
beispielhaften Iontophorese-Katheter 10, der zum Abtöten von
Bakterien den Verbundmaterialansatz wählt. Der Iontophorese-Katheter 10 ist
weitgehend identisch mit einem normalen Katheter oder einem der
Infektionen nicht kontrolliert, indem er ein hohles flexibles Rohr darstellt, umfassend
eine elastomere Wand 12 mit einer Innenfläche 14 und
einer Außenfläche 16,
ein proximales Ende 18 und ein distales Ende 20.
Die im Allgemeinen zylindrische Innenfläche 14 definiert ein Lumen 22 für die Passage
von Flüssigkeit.
Sowohl das proximale Ende 18 als auch das distale Ende 20 sind
mit einer oder mehr Öffnung(en) 26 vorgesehen, um
der Flüssigkeit
zu erlauben, in das Lumen 22 eingeführt oder aus ihm evakuiert
zu werden. Das distale Ende 20 ist zur Erleichterung der
Einführung
oder der Platzierung des Iontophorese-Katheters 10 in den
Körper
geformt. Der Iontophorese-Katheter 10 kann auch mit einer
Retentionsvorrichtung 28, wie zum Beispiel einem Ballonanschlussstück ausgerüstet werden,
um das unbeabsichtigte Zurückziehen des
Iontophorese-Katheters 10 aus dem Körper zu verhindern.
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2 stellt
eine partielle Schnittansicht des Iontophorese-Katheters 10 von 1 dar,
die entlang der Linie A-A1 genommen wurde, die Einzelheiten eines
Verbundmaterials, umfassend galvanische Materialien, wie zum Beispiel
Metallpulver, in einer leitfähigen
elastomeren Matrix 30, erläutert, das den Iontophorese-Katheter 10 von
Kathetern im Stand der Technik unterscheidet. Die Wand 12 des
Katheters umfasst das leitfähige
Basismaterial 30 und ein erstes und ein zweites unähnliches
Metallpulver 32 bzw. 34. Das Basismaterial 30 ist
ein leitfähiges
Polymer ähnlich
dem, das in antistatischen Beuteln zur Verpackung ladungsempfindlicher
Elektronik verwendet wird, worin die Leitfähigkeit (Resistivität) durch
seine Zusammensetzung auf einen prädeterminierten Wert kontrolliert
wird. Beispielhafte leitfähige
Polymere können
aus Polymeren einschließlich Polyvinyl,
Polyester, Polyethylen oder eines natürlich leitfähigen Polyvinylidenfluorids
hergestellt werden. Bei Beladung mit Kohlenstoff oder anderen leitfähigen Füllstoffen,
können
diese Polymere zum Beispiel leitfähig gemacht werden und dadurch
als das Basismaterial 30 für einen Iontophorese-Katheter 10 verwendet
werden. Beispielhafte erste und zweite Metallpulver-Kombinationen
mit einem elektrochemischen Halbzellenpotenzialunterschied schließen Silber
und Gold, Silber und Kupfer oder Silber und Platin bei sehr niedrigen
Volumenkonzentrationen vor der Extrusionsanfertigung des Katheters 10 aus
Verbundmaterial in das Polymer gemischt ein. Obwohl diese beispielhaften
Pulver relativ teuer sind, werden sie in solch kleinen Mengen verwendet,
dass ihre Verwendung keine ungünstige
Auswirkung auf die Gesamtkosten des Iontophorese-Katheters 10 besitzt.
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Für Katheter-Applikationen,
bei denen die elastomere Wand 12 extrudiert wird, ist es
möglich, die
gesamte Wand 12 aus dem Verbundmaterial 30, 32, 34 herzustellen.
Foley-Katheter, die typischerweise aus Latex- und/oder Silikongummi
hergestellt sind, werden jedoch nicht extrudiert, sondern werden im
Allgemeinen tauchgegossen und die Fertigbeschichtung in einem endgültigen Tauchvorgang
stellt einen natürlichen
Verarbeitungsschritt bei ihrer Herstellung dar. Deshalb kann der
Iontophorese-Katheter 10 durch seine Fertigbeschichtung
mit dem Verbundmaterial 30, 32, 34 hergestellt
werden. Da Gummi im Allgemeinen hinsichtlich der Infektionsraten dem
Kunststoff unterlegen ist, ist der Überzug mit einem gießbaren Kunststoff
in und an sich vorteilhaft.
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Wenn
der Katheter 10 aus Verbundmaterial mit einer Flüssigkeit
in Kontakt gebracht oder in eine eingetaucht wird, die elektrolytisch
ist, wie zum Beispiel Kochsalzlösung,
Blut, Arzneimittelpräparate oder
Urin, werden die ersten und zweiten Metallpulver 32, 34 zu
einer Anordnung kleiner Batterien. Jedes pulverisierte Metallkörnchen,
das in das Basismaterial 30 eingebettet ist, das mit der
elektrolytischen Flüssigkeit 24 in
Kontakt kommt, wird entweder eine Anode oder eine Kathode, abhängig von
den als die ersten und zweiten Metallpulver 32, 34 gewählten speziellen
Metalle.
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Unter
Bezugnahme auf
3 wird eine Erläuterung
der durch das Verbundmaterial
30,
32,
34 im
Katheter von
2 herbeigeführten iontophoretischen Wirkung
gezeigt. Die ersten und zweiten Metallpulver
32,
34 wirken
als Elektroden und führen
ein Spannungspotenzial dort dazwischen herbei, wobei Elektronen
36 durch
das Basismaterial
30 migrieren und einen elektrischen Strom
erzeugen. Metallionen
38 werden folglich durch Iontophorese
in die leitfähige
Flüssigkeit
24 getrieben.
Der elektrische Strom wird durch die Menge und Beschaffenheit des
Metallpulvers
32,
34, das in das Basismaterial
30 eingebettet
ist und durch die Leitfähigkeit
des Basismaterials
30 reguliert. Diese Faktoren werden
dergestalt angepasst, dass sich der Strom und die letztendlichen
Metallionendichten durch Verwendung der folgenden Formel in einem
wirksamen und sicheren Bereich befinden:
worin:
„I" den gesamten durchschnittlichen
Strom pro Oberflächeneinheit
(Ampere pro cm
2) darstellt;
„p" der spezifische
Durchgangswiderstand des leitfähigen
Basismaterials
30 (Ohm-cm) darstellt;
„r" den Radius der durchschnittlichen
Metallpulverkörnchen
(cm) darstellt;
„V" die durch die beiden
unähnlichen
Metallpulver
32,
34 in der elektrolytischen Flüssigkeit
herbeigeführte Spannung
darstellt; und
„L" die Volumenbeladung
des Basismaterials mit Metallpulver als eine Fraktion (d. h. 0–1) darstellt.
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Unter
Bezugnahme auf die vorstehende Formel wird angenommen, dass die
Metallpulver von der gleichen Korngröße und der gleichen Volumenbeladung
sind. Bei der praktischen Ausführung
brauchen sie nicht die gleiche Größe und Volumenbeladung aufzuweisen.
Zum Erreichen einer Stromdichte zwischen 10–8 bis
10–6 Ampere
pro mm2, bei der es sich um den gewünschten
Bereich handelt, der bakteriostatisch oder bakterizid und trotzdem
nicht so hoch ist, um pH-Änderungen
oder andere nachteilige Säugerzellreaktionen
zu verursachen, können
in der vorstehenden Gleichung die folgenden beispielhaften Werte
zur Definition der Spezifikationen des Verbundmaterials verwendet
werden:
V = 0,12 Volt (für
Silber und Gold in einem NaCl-Elektrolyt);
r = 10–3 cm;
p
= 1,5 × 106 bis 1,5 × 104 Ohm-cm;
und
L = 0,01.
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Ein
Iontophorese-Katheter 10, der das vorstehend beschriebene
Verbundmaterial inkorporiert, weist im Vergleich zum Stand der Technik
in Bezug auf die Wirksamkeit, Kontrollierbarkeit und Leichtigkeit
der Verwendung zahlreiche Vorteile auf. Vor allem wird die bakterielle
Potenz maximiert, weil Metall garantiert als Ionen in Lösung geht,
wobei folglich eine mindestens zehnfache Reduktion der bakteriellen
Kolonisierungsrate herbeigeführt
wird. Der Iontophorese-Katheter 10 benötigt auch keine externe Stromquelle
oder einen Regler, weil der Iontophoresestrom selbstgenerierend
und selbstregulierend ist. Da die Metallpulver 32, 34 (Elektroden)
weiter durch das Basismaterial 30 dispergiert werden, und
weil der Strompegel sehr niedrig ist, sind die Elektroden über Monate
der Verwendung funktionell. Es gibt im Kreis auch keine Stelle,
die eine Korrosion der Elektroden an der Luft-/Elektrolytgrenzfläche veranlassen
kann, so dass der gesamte Katheter in Bezug auf seine Infektionsresistenz
nicht funktionell wird. Schließlich tritt
keine Änderung
des Verfahrens zum Platzieren oder zur Aufrechterhaltung des Iontophorese-Katheters 10 auf,
weil er in vieler Hinsicht bezüglich
der Größe und Form
nahezu identisch zu den existierenden Vorrichtungen ohne Infektionskontrolle
ist. Wie zuvor diskutiert wurde, findet der Verbundmaterialansatz
ohne weiteres in zahlreichen anderen medizinischen Vorrichtungen
Anwendung, in denen antibakterielle Eigenschaften erwünscht sind. 4 ist
eine Erläuterung
des Verbundmaterials 30, 32, 34, das zum
Schutz eines Schrittmacherkabels 40 verwendet wird. Das
Schrittmacherkabel 40 verbindet das Herzgewebe mit dem
Kontroll- und Überwachungsgerät eines
Herzschrittmachers (nicht gezeigt) über einen Draht 42 und
eine Elektrode 44 im Gewebe. Der Draht 42 wird
mit dem Verbundmaterial 30, 32, 34 abgedeckt
gezeigt. 5 stellt eine Veranschaulichung des
Verbundmaterials 30, 32, 34 dar, das
mit einer prothetischen Vorrichtung, wie zum Beispiel einem künstlichen
Hüftgelenk 46,
verwendet wird. Der Schaft 48 wird mit dem Verbundmaterial 30, 32, 34 beschichtet
und in einen Femur 50 implantiert gezeigt. 6A zeigt
eine Infusionspumpe 52, die mit dem Verbundmaterial 30, 32, 34 beschichtet
und mit dem Schlauch 54 verbunden ist, der auch beschichtet
sein kann.
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Das
Verbundmaterial 30, 32, 34 kann wie in 6B erläutert, auch
auf eine natürliche
Körperstruktur 55,
wie zum Beispiel einen Zahn, aufgetragen werden. Dies wird durch
Aufpinseln des Verbundmaterials 30, 32, 34 auf
die zu schützende Oberfläche erreicht,
während
das Basismaterial 30 in einem verflüssigten oder erweichten Zustand
vorliegt und dann das Härtenlassen
des Basismaterials 30 erreicht. In einer alternativen Ausführungsform
ist das Basismaterial 30, wie zum Beispiel eine katalytische,
aus zwei Teilen bestehende, leitfähige Epoxidmischung, binär adhäsiv. Unter
weiterer Bezugnahme auf Katheter wird in 7 eine Zusatzvorrichtung für den Gefäßzugang,
die von dem Verbundmaterialansatz für eine iontophoretische Struktur
profitiert, gezeigt, worin ein gewöhnlicher Katheter 56 gezeigt wird,
der mit einem Infektionskontrollkit 58 ausgerüstet ist,
das das Verbundmaterial 30, 32, 34 inkorporiert.
Das Infektionskontrollkit 58 ist eine Anschlussmarkt-Vorrichtung,
die eine auswechselbare iontophoretische Infektionskontrollhülse 60 und
einen iontophoretischen Luer-Adapter 62 zum Anschluss des
proximalen Endes 18 des Katheters 56 an den intravenösen (i.
v.) Schlauch 64 einschließt. Die Hülse 60, die aus dem
Verbundmaterial 30, 32, 34 hergestellt
oder mit ihm beschichtet ist, gleitet über die Außenfläche 16 des Katheters 56,
der in den Körper
insertiert werden soll. Die Hülse 60 bedeckt
nur einen kurzen Abschnitt des Katheters 56 in der Nähe seines
proximalen Endes 18, ist aber lang genug, um in den Körper einzutreten,
worin die Feuchtigkeit den Iontophoresevorgang aktiviert. Die Hülse 60 schützt folglich
die Katheteroberfläche 16 vor
einer Infektion. Der Luer-Adapter 62 kann auch aus dem
Verbundmaterial 30, 32, 34 hergestellt
oder mit ihm auf der Innenfläche
beschichtet werden, um die Innenfläche 14 des Katheters 56 davor
zu schützen,
dass die bakterielle Kolonisierung von der Innenseite des i. v.-Schlauchs 64 bis
hinunter zum Katheter 56 fortschreitet. Die Hülse 60 wird
aus einem der vorstehend erwähnten
leitfähigen
Basismaterialien 30 gefertigt; und der Luer-Adapter 62 wird
aus einem härteren
Kunststoff, wie zum Beispiel Acryl oder Polycarbonat hergestellt.
Die Hülse 60 kann
so konfiguriert werden, um vielen verschiedenen Kathetergrößen Rechnung
zu tragen.
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Eine
Anpassung der Verbundmaterialhülse 60 kann
auch als eine in 8 gezeigte Kathetereinführschleuse 66 konfiguriert
zur Insertion von Kathetern in die Pulmonalarterie (Swan-Ganz oder
Thermodilution), temporäre
Schrittmacherkabel usw. konfiguriert werden, die mehrere Wochen
lang in situ bleiben können.
Unter normalen Umständen
wird eine Einführschleuse
mit dem Katheter, den sie für
einen Anteil seiner Länge,
einschließlich
der Region umgibt, in der die Vorrichtung die Haut penetriert, in situ
gelassen. Iontophoretische Einführschleusen 66 sind
mit dem Verbundmaterialansatz leicht herzustellen, weil sie vorwiegend
aus Polytetrafluorethylen (Teflon®),
Vinyl (PVC), oder Polyethylen (PE) hergestellt werden, aus Materialien
die mit Kohlenstoff oder anderen leitfähigen Füllstoffen beladen oder durch andere
im Stand der Technik bekannte Mittel leitfähig gemacht werden können und
dann genau wie die ersten und zweiten Metallpulver 32, 34 beladen
werden können.
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8 zeigt
die zusammen mit einem Thermodilutionskatheter 68 verwendete
Einführschleuse 66.
Ballon- und Temperaturfühlerelemente 74 bzw. 75,
die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, werden am distalen Ende 20 gezeigt.
Da sich die Innenseite der Einführschleuse 66 in
innigem Kontakt mit der Außenfläche 16 der
elastomeren Wand 12 befindet, schützt das Verbundmaterial 30, 32, 34 der Einführschleuse 66 sowohl
die Schleuse 66 als auch die Außenwand 12 des Thermodilutionskatheters 68. Wie
der Iontophorese-Katheter 10 und der Katheter 56,
der ein Iontophorese-Infektionskontrollkit 58 aufweist,
ist die Einführschleuse 66 von
nahezu identischer Größe, Form
und Verwendung wie Vorrichtungen im Stand der Technik.
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Wie
in Bezug auf 1–8 beschrieben, wurden
verschiedene Ausführungsformen
der Verbundmaterialkategorie der iontophoretischen Struktur für eine medizinische
Vorrichtung erläutert.
In Ausführungsformen
des Verbundmaterials stellt die integrale Stromquelle zum Treiben
oligodynamischer Metallionen in Lösung die elektromotorische
Kraft dar, die durch unähnliche
Metallpulver 32, 34, eingebettet in das und getrennt
voneinander durch das leitfähige
Basismaterial 30 aus spezifisch geschaffener Resistivität, herbeigeführt.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 9–11 werden
viele verschiedene Ausführungsformen
der anderen Kategorie von iontophoretischer Struktur für eine medizinische
Vorrichtung gezeigt, die die Vielzahl diskreter geschichteter Strukturen
inkorporieren. In diesen Ausführungsformen
umfassen eine Vielzahl von geschichteten Strukturen unähnliche
galvanische Materialien, die durch eine Widerstandsschicht getrennt
sind. Diese Strukturen können
während
der Herstellung in die vorstehend angeführten medizinischen Vorrichtungen
inkorporiert werden oder an der Oberfläche der Vorrichtungen als ein
Anschlussmarkt-Artikel fixiert werden.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
eines Iontophorese-Katheters 70 gezeigt, worin die oligodynamische
Iontophorese-Wirkung unter Verwendung einer Vielzahl geschichteter
Strukturen 72 auf entweder der Innenfläche 14, der Außenfläche 16 oder
beiden einer nicht leitfähigen
Wand 12 erreicht werden. Die geschichteten Strukturen 72,
während sie
in einer kreisförmigen
Konfiguration veranschaulicht sind, können von jedweder Form, wie
zum Beispiel oval oder viereckig sein.
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10 veranschaulicht
eine alternative Konfiguration des Iontophorese-Katheters 70,
worin die Vielzahl der geschichteten Strukturen 72 Banden darstellen,
die die Wand 12 umgeben. Die geschichteten Strukturen 72 können als
Alternative eine Vielzahl longitudinaler Streifen darstellen. Die
Ausführungsformen
von 9 und 10 erlauben eine selektive Platzierung
einer geschichteten Struktur 72 auf eine isolierte Region
der Wand 12, oder Verteilung der geschichteten Strukturen 72 auf
der gesamten Wand 12.
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Unter
Bezugnahme auf 11 wird ein teilweiser Querschnitt
des Iontophorese-Katheters 70 von 10 entlang
der Linie B-BI gezeigt, worin die geschichteten Strukturen 72 Banden
sind, die an der Innenfläche 14 und
der Außenfläche 16 der
Wand 12 haften. Jede geschichtete Elektrode 72 umfasst
eine erste Metallelektrode 76, eine Widerstandsschicht 78 und
eine zweite Metallelektrode 80. Wie mit dem Iontophorese-Katheter 10 von 1 sind
die Metalle biokompatibel und bilden in einer elektrolytischen Flüssigkeit
einen elektrischen Potenzialunterschied zwischen ihnen. Wohingegen
im Iontoporese-Katheter 10 von 1 das leitfähige (resistive)
Basismaterial 30 den Stromfluss zwischen den ersten und
zweiten Metallen 32, 34 reguliert, reguliert die
(leitfähige) Widerstandsschicht 78 in
dieser Ausführungsform den
Stromfluss zwischen den unähnlichen
Metallen der ersten und zweiten Elektroden 76, 80.
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Für den Iontophorese-Katheter 70 von 9 und 10,
worin die ersten und zweiten Metallelektroden 76, 80 der
geschichteten Strukturen 72 ein Potenzial von 1 Volt zwischen
ihnen aufweisen, resultiert eine Stromdichte von 10–8 Ampere
pro mm2, wenn die Dicke der Widerstandsschicht 78 ca.
10 Mikrometer beträgt
und eine Bulkleitfähigkeit
von 1011 Ohm-cm aufweist und die exponierte
Fläche
von jeder der Elektroden 76, 80 in den geschichteten
Strukturen 72 die gleiche ist. Typische Kombinationen von für die ersten
und zweiten Metallelektroden 76, 80 verwendeten
Metalle erzeugen zwischen 0,1 bis 2 Volt. Deshalb kann die Dicke
der vorstehend beschriebenen Widerstandsschicht 78 zwischen
1 und 20 Mikrometer liegen. Viele andere Kombinationen der Leitfähigkeit
und Dicke für
die Widerstandsschicht 78 sind zum Erhalt der Zielstromdichte
möglich.
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Obwohl
die vorstehend beschriebenen iontophoretischen Strukturen und Materialien,
die antibakteriellen und antifungalen Schutz bereitstellen, können bestimmte
Konfigurationen für
spezielle Vorrichtungen physikalisch instabil oder ungeeignet sein und/oder
sie können
eine unerwünschte
Oberflächentextur
oder Oberflächenbearbeitung
für spezifische
Applikationen darstellen. Die physikalischen Merkmale von Vorrichtungen,
die solche Strukturen oder Materialien inkorporieren oder aus ihnen
hergestellt sind, können
durch Bereitstellung einer Deckschicht für sie, die die Struktur stabilisiert
und/oder die eine gewünschte
Oberflächentextur,
Oberflächenbearbeitung
oder andere mechanische Eigenschaften bereitstellen, verbessert
werden. Selbst wenn die Struktur und Eigenschaften einer iontophoretischen
Struktur oder eines Materials akzeptierbar sind, ist es manchmal
wünschenswert,
ergänzende Vorteile
bereitzustellen. Wie in 12, 13 und 14 gezeigt,
können
diese Ziele in erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erreicht werden, worin entweder alle oder ein Teil einer iontophoretischen Struktur
oder eines Verbundmaterials mit einem permeablen Deckmaterial bereitgestellt
ist, das verschiedene chemische, biologische, mechanische oder physikalische
Eigenschaften von der darunter liegenden iontophoretischen Oberfläche aufweist.
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12 veranschaulicht
zum Beispiel ein Substrat 82, das für einen Oberflächenanteil
von 4 medizinischer Vorrichtung repräsentativ ist. Das Substrat 82 ist
mit einem Material 84 abgedeckt, das iontophoretische Eigenschaften
aufweist. Obwohl angenommen wird, dass wenn das Material 84 eine iontophoretische
Struktur, wie zum Beispiel das Verbundmaterial einschließt oder
die hierin vorstehend beschriebenen geschichteten Elektroden einschließt, eine überlegene
antibakterielle Wirkung erreicht wird, kann das Material 84 auch
jedwede andere Substanz oder Struktur einschließen, von der bekannt ist, dass sie
eine iontophoretische Wirkung herbeiführt. Chemisch gebunden an eine,
mechanisch befestigt an einer, physikalisch verschmolzen oder lediglich
Abdeckung mit einer Außenschicht
des Materials 84 ist eine Deckschicht 86. Die
Deckschicht 86 ist permeabel oder semipermeabel (kollektiv „permeabel") für alle die
Ionenspezies, die notwendig sind, um das darunter liegende iontophoretische
Material 84 zur Funktion zu veranlassen. Ein nicht permeables
Deckschichtmaterial, das entweder permanent oder abbaubar ist, kann
auf das ionotophoretische Material 84 appliziert werden,
um die iontophoretische Wirksamkeit der Vorrichtung über ihre
Gesamtheit hinweg oder an einer oder mehr lokalisierten Region(en)
permanent oder temporär
zu verändern.
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Die
Deckschicht 86 kann eine hydrophile Substanz einschließen, die
die Lubrizität
oder Antithrombogenität
verbessert. Die Deckschicht 86 kann auch Heparin zur Antithrombogenität einschließen. Zur
Verbesserung der Oberflächenbearbeitung
oder zur Reduktion der iontophoretischen Rate kann die Deckschicht 86 ein
reines Polymer umfassen. Die Deckschicht kann auch ein von den iontophoretischen
Materialien unterschiedliches Polymer zur verbesserten Biokompatibilität oder zu
verbesserten Verschleiß-
und Ermüdungseigenschaften
umfassen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein auf Polyurethan
basierendes iontophoretisches Material mit Silikon beschichtet.
In einer anderen Ausführungsform
wird ein auf Silikon basierendes iontophoretisches Material mit
Polyurethan beschichtet.
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Wie
auch in 12 gezeigt ist, kann die Deckschicht 86 mit
einer Beschichtung 88 bereitgestellt werden, die sich in
ihrer Zielumgebung auflöst oder
die biologisch abbaubar ist, um den Eintritt der iontophoretischen
Wirkung zu verzögern
und/oder die iontophoretische Wirkung zu reduzieren. Die Beschichtung 88 kann
Chemikalien oder Biologika einschließen, die andere Wirkungen von
Interesse bereitstellen und die freigesetzt werden, wenn sich die Beschichtung
auflöst
oder abbaut. In Bezug auf jedwede der Materialien, die für die Deckschicht 86 oder die
Beschichtung 88 ausgewählt
sind, kann aus ästhetischen
Gründen
und zur Identifikation der Vorrichtungsfunktion oder Materialeigenschaften
ein Farbstoff oder eine Pigmentierung zugefügt werden.
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Die
Beschichtung 88 kann, wie in 12 gezeigt,
als eine von der permeablen Deckschicht 86 getrennte und
distinkte Schicht bereitgestellt werden. Als Alternative können die
Materialien der Beschichtung 88 und der Deckschicht 86 zur
Bereitstellung einer einzelnen Schicht miteinander vermischt werden. In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist eine Vorrichtung mit einer permeablen biologisch abbaubaren Schicht
oder Abdeckung bereitgestellt, die eine gleitfähige Oberfläche zur Leichtigkeit der Platzierung
der Vorrichtung aufweist.
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13 erläutert eine
noch andere Ausführungsform
einer iontophoretischen medizinischen Vorrichtung, worin ein Substrat 90 vollkommen
von einem Material 92 eingehüllt ist, das iontophoretische Eigenschaften
wie vorstehend in Bezug auf 12 beschrieben
aufweist. Chemisch gebunden an, mechanisch befestigt an oder physikalisch
verschmolzen mit einer Außenschicht
des Materials 92 ist eine Deckschicht 94, wie
vorstehend in Bezug auf 12 beschrieben,
die das Material 92 vollständig einhüllt. Die Deckschicht 94 kann
mit einer Beschichtung 96 bereitgestellt werden, die sich
in ihrer Zielumgebung auflöst
oder die biologisch abbaubar ist, wie vorstehend in Bezug auf die
Beschichtung 88 von 12 dargelegt
ist. Wie vorstehend dargelegt, können
die Deckschicht 94 und die Beschichtung 96 ein
und dieselbe Schicht sein.
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14 erläutert, wie
die Oberflächeneigenschaften
einer medizinischen Vorrichtung, einschließlich einer iontophoretischen
Struktur oder eines Verbundmaterials, verbessert werden können, wenn
die medizinische Vorrichtung oder die iontophoretische Struktur
oder das Material eine unregelmäßige, nicht
gleichmäßige oder
rauhe Oberfläche aufweist
oder eine Anzahl diskreter Strukturen auf der Oberfläche einer
medizinischen Vorrichtung umfasst. 14 veranschaulicht
spezifischer ein Substrat 98, das für die Oberfläche einer
medizinischen Vorrichtung repräsentativ
ist, das mit geschichteten Strukturen 100, wie in Bezug
auf 9–11 gezeigt,
abgedeckt ist. Die Höhe
der geschichteten Strukturen 100 ist in 14 zu
Erläuterungszwecken übertrieben.
Eine Deckschicht 102 ist über dem Substrat 98 und
den geschichteten Strukturen 100 bereitgestellt.
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Außer dass
sie von iontophoretischem Material oder Strukturen teilweise beschichtet
oder vollkommen eingehüllt
sein kann, kann die gesamte medizinische Vorrichtung oder ein Anteil
davon mit einem iontophoretischen Material integriert, imprägniert oder
aus ihm gefertigt sein. In einigen Fällen ist es wünschenswert,
das Basismaterial einer medizinischen Vorrichtung in einem unveränderten
Zustand zu lassen. In diesen Fällen
können
diskrete iontophoretische Strukturen als ein Verbundmaterial in
das Basismaterial inkorporiert werden, wie in 15 veranschaulicht
wird. 15 erläutert insbesondere einen Anteil
einer medizinischen Vorrichtung 104, umfassend ein Basismaterial,
worin diskrete iontophoretische Strukturen 106 oder Materialkörper mit
dem Basismaterial der medizinischen Vorrichtung gemischt werden,
durch es hindurch dispergiert oder anderweitig mit ihm integriert
werden. Die medizinische Vorrichtung 104, die von jedweder
Form oder Größe sein
kann, schließt
ein Basismaterial ein, das für
die Ionenspezies, die zur Veranlassung der wie vorstehend beschriebenen
Funktion der integralen iontophoretischen Struktur oder des Materials
permeabel oder semipermeabel sein muss. Obwohl eine medizinische
Vorrichtung vollkommen aus dem iontophoretischen Verbundmaterial
hergestellt werden kann, ist die in 15 erläuterte Konfiguration für Applikationen
beabsichtigt, worin das Basismaterial bestimmte wünschenswerte
Eigenschaften besitzt, die man gerne erhalten möchte. Es sollte erkannt werden,
dass das Basismaterial nicht leitfähig zu sein braucht.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform, sind
partikuläre
Stoffe eines iontophoretischen Verbundmaterials oder multipel geschichteter
Strukturen, wie vorstehend beschrieben, in ein Basispolymer eingebettet.
In einer anderen Ausführungsform schließt das iontophoretische
Material Körper
ein, die mit einem der unähnlichen
Metalle hergestellt oder beschichtet sind, die teilweise oder vollkommen
mit dem zweiten unähnlichen
Metall überzogen
sind, und die Körper
in ein Basismaterial eingebettet sind. In einer noch anderen Ausführungsform
schließt
das iontophoretische Material Platinkörper oder mit Platin beschichtete
Körper
ein, die teilweise oder vollkommen mit Silber überzogen und in ein Basismaterial eingebettet
sind. Als Alternative sind mit Silberkörpern oder mit Silber beschichtete
Körper,
die teilweise oder vollkommen mit Platin überschichtet sind, in ein Basismaterial
eingebettet. Das Basismaterial kann optisch klar sein.