DE19745294A1 - Verfahren zur Herstellung feinstrukturierter medizintechnischer Implantate - Google Patents

Verfahren zur Herstellung feinstrukturierter medizintechnischer Implantate

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DE19745294A1
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Stefan Nolte
Ferdinant Von Dr I Alvensleben
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feinstrukturierter me­ dizintechnischer Implantate durch Laser-Materialbearbeitung und insbe­ sondere ein Laser-Schneiden von bioresorbierbaren Gefäßwandstützen.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, daß in der Medizintechnik zahlreiche Implantate bekannt sind, die aus medizintechnischen Werkstof­ fen, wie Metall-Legierungen oder Polymeren bestehen und mittels Schneidverfahren strukturiert werden. Als Beispiel sind Gefäßwandstützen etwa zum Einsatz im Herzen zu nennen, die im Fachjargon auch als "Stents" bezeichnet werden. Um das mit dem Implantat in Kontakt kom­ mende Gewebe, wie z. B. die Innenwand einer Herzader bei einem intra­ vaskulären "Stent", nicht unnötig zu irritieren, sollen die Strukturkanten des Implantats möglichst glatt und gratfrei sein.
Im Stand der Technik werden feinstrukturierte medizintechnische Implan­ tate durch aus der herkömmlichen Materialbearbeitungstechnik stammende Laser-Schneidverfahren hergestellt. Grundsätzlich erlaubt die Verwendung von Lasern dabei die Erzeugung kleinster Strukturen mit hoher Präzision bei hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Die angesprochenen herkömmlichen Laser-Schneidverfahren arbeiten in der Regel mit Dauerstrichlasern oder allenfalls gepulsten Lasern mit Puls­ dauern in der Größenordnung von Nanosekunden bis Millisekunden. Damit ist die Einwirkdauer des Lasers auf den Werkstoff an der jeweiligen Bear­ beitungsstelle so groß, daß neben dem eigentlichen Durchschneiden des Werkstoffes eine beträchtliche Wärmeentwicklung in der mikroskopischen Umgebung der Schnittkante hervorgerufen wird. Dadurch werden kleinste Mengen des Werkstoffes geschmolzen, die nach der Einwirkdauer des La­ serstrahles oder zwischen den einzelnen langen Pulsen ungeordnet erstar­ ren. Dies bewirkt die nachteilige Vergratung der Schnittkanten.
Die vorstehend erörterte Vergratung macht Nachbearbeitungsschritte zur Entgratung notwendig. Ein übliches Verfahren ist hierfür das Elektropolie­ ren, was jedoch in der Regel sehr aufwendig ist und nur geringfügige Ver­ besserungen schafft. Ferner ist das Elektropolieren wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit vieler Werkstoffe, wie sie insbesondere bei Po­ lymeren vorliegt, nicht einsetzbar.
Zur Vermeidung der vorstehenden Nachteile kann auch an ein alternatives Schneidverfahren gedacht werden, wie z. B. die Funkenerosion. Diese wie­ derum bringt einen höheren Zeitaufwand bei der Materialbearbeitung sowie eine geringere Präzision mit sich. Auch ist aufgrund der geringeren elektri­ schen Leitfähigkeit von Polymeren der Einsatz der Funkenerosion bei die­ sen Werkstoffen nicht möglich.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß aus der WO 95/27587 A ein Ver­ fahren zur Laser-Materialbearbeitung von Werkstoffen bekannt ist, bei dem mit sehr kurzen Laserpulsen im Femtosekunden-Bereich gearbeitet wird. Dabei werden verschiedene Proben, wie eine Goldprobe, eine dünne Glasplatte und eine Körpergewebe-Probe (Hornhaut des Auges) mit kurzen Laserpulsen im Femtosekunden-Bereich bestrahlt und dadurch mikroskopi­ sche Öffnungen und Ablationsbereiche geschaffen.
Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für feinstrukturierte medizin­ technische Implantate durch Laser-Materialbearbeitung anzugeben, mit dem ohne aufwendige Nachbehandlungsschritte möglichst gratfreie Bear­ beitungskanten erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 an­ gegebenen Merkmale gelöst. Demnach wird bei der Bearbeitung mit einem gepulsten Laserstrahl einer Pulsdauer im Bereich von 10 bis 10 000 Femto­ sekunden und einer so abgestimmten Laser-Einstrahlung gearbeitet, daß eine schmelzfreie, materialschonende Bearbeitung des Werkstoffes stattfin­ den kann. Unter "schmelzfrei" ist dabei zu verstehen, daß unkontrollierte Schmelzprozesse im zu bearbeitenden Werkstoff nicht mehr auftreten, wo­ durch eine Vergratung von Bearbeitungs- und insbesondere Schnittkanten vermieden wird. Die Parameter Pulswiederhol-Frequenz und/oder Laser-Leistung und/oder die Verfahrgeschwindigkeit des Werkstückes relativ zum Laserstrahl sind in ihrer Kombination entsprechend anzupassen. Die Ver­ meidung unkontrollierter Schmelzprozesse wird generell durch die Verkür­ zung der Laserpulsdauer bis in den angegebenen Bereich möglich, was zu einer Verminderung der benötigten Laserpulsenergie führt und die Wärme­ entwicklung so drastisch reduziert, daß die unerwünschten unkontrollierten Schmelzprozesse unterbleiben. Damit werden bei einem Schneiden von medizintechnischen Werkstoffen die Vergratung der Schnittkanten und eine thermische bzw. photochemische Beeinträchtigung des Werkstück- Materials verhindert. Letzteres ist unter den Begriff "materialschonend" zu subsumieren.
Zum Hintergrund der erfindungsgemäß eingesetzten Femtosekunden- Lasertechnik ist kurz festzuhalten, daß derartig kurze Pulsdauern in größe­ rem Maßstab bisher lediglich in der Daten- und Informationstechnik einge­ setzt wurden, wo aufgrund der kurzen Pulsdauern hohe Datenübertragungs­ raten erreicht werden konnten. Entsprechend der dortigen Anwendung sind allerdings nur niedrige Laser-Leistungen erforderlich.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Un­ teransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine Abwicklung der Struktur eines "Stents" und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum ultra-kurz gepulsten Laser-Schneiden des "Stents" gemäß Fig. 1.
Wie aus Fig. 1 deutlich wird, besteht ein an sich bekannter "Stent" 1 aus einem feinstrukturierten Netz von Längsstegen 2 und diese verbindenden Querstegen 3. Die Längsstege 2 verzweigen sich dabei in einander parallele Stränge 4, die jeweils am Ende über einen Bogen 5 paarweise miteinander verbunden sind. Links und rechts bezogen auf Fig. 1 setzen sich die Längs­ stege 2 mit ihren Verzweigungssträngen 4 bis zum Ende des rohrförmigen "Stents" fort. In Richtung der Querstege 3 ist die Struktur zylindrisch gebo­ gen, so daß die oben bezüglich Fig. 1 auslaufenden Querstege 3 in die un­ ten auslaufenden Querstege 3 übergehen. Hinsichtlich der Größenordnung liegen die Breiten b der Stege 2, 3 im Submillimeterbereich.
Der in Fig. 1 gezeigte "Stent" ist bioresorbierbar. Er besteht aus dem Mate­ rial Poly-Hydroxy-Buttersäure (PHB).
Zur Herstellung des "Stents" 1 mit seiner Struktur aus Längs- und Querste­ gen 2, 3 sowie den Strängen 4 und Bögen 5 dient die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung. Dabei wird ein zylindrischer PHB-Stentrohling 6 auf einem Manipulator 7 festgelegt, der für eine Relativverschiebung des Rohlings 6 bezüglich des in seiner Strahlachse 8 ortsfesten Laserstrahls 9 sorgt.
Der Laserstrahl 9 wird von einem gepulsten Titan-Saphir-Laser 10 erzeugt und weist eine durchstimmbare Wellenlänge von 760 bis 810 nm auf. Die Pulsenergie beträgt etwa 1 mJ, kann jedoch herunter bis 10 µJ oder weniger gewählt werden. Die Pulsdauer ist variierbar und beträgt mindestens 120 fs. Der Laser arbeitet mit einer Pulswiederhol-Frequenz im Bereich zwi­ schen 0,1 und maximal 10 kHz. Durch entsprechende Ergänzungen des kommerziell erhältlichen Titan-Saphir-Lasers wurde das Laser­ system auf das erfindungsgemäße Verfahren weiter zugeschnitten. So wird ein sogenanntes Lambda/2-Plättchen zur Energievariation und ein schneller mechanischer Shutter zur rechnergesteuerten Ansteuerung des Lasers inte­ griert.
Bezüglich des Strahlengangs des Laserstrahls 9 ist in Fig. 2 angedeutet, daß der Laserstrahl 9 durch eine Blende 11 geführt und unter Zwischenschal­ tung eines Umlenkspiegels 12 mittels der Linse 13 auf den "Stent"-Rohling 6 abgebildet wird.
Der bereits erwähnte Manipulator 7 ist in einer Vakuumkammer 14 unter­ gebracht. Die Laserbearbeitung fand dabei mit einem Druck von weniger als 10-4 mbar statt. Im übrigen ist ein Arbeiten unter einem Prozeßgas oder unter Luft ebenfalls möglich.
Der Manipulator 7 weist bezüglich des Werkstückes 6 zwei Achsen auf, nämlich eine lineare Achse 15 in Form eines entsprechend verstellbaren Supports 16. Auf dem Support ist eine Dreheinrichtung 17 mit der Rotati­ onsachse 18 angeordnet, zu der konzentrisch der "Stent"-Rohling 6 in ei­ nem nicht näher dargestellten Spannfutter gehalten ist. Durch eine überla­ gerte Bewegung des Rohlings 6 entlang der linearen Achse 15 und Drehung um die Rotationsachse 18 bei gleichzeitiger Bestrahlung mit ultrakurzen Hochleistungs-Laserimpulsen kann ein "Stent" mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur aus dem Rohling 6 exakt und ohne Gratbildung an den Kanten geschnitten werden. Dabei wird aufgrund der Bestrahlungsverhältnisse auch eine thermische oder photochemische Beeinträchtigung des PHB-Materials vermieden, wodurch dessen Materialeigenschaften, wie Resor­ bierbarkeit und mechanische Elastizität, unverändert bleiben.
Im übrigen ist darauf hinzuweisen, daß der Laserstrahl statt der Abbildung der Blende 11 auch fokussierend auf das Werkstück abgebildet werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Laserstrahl mittels einer diffraktiven Optik - was im Fachjargon häufig auch als "Hologramm" be­ zeichnet wird - auf das Werkstück zu richten. Ferner kann nicht nur mit einer ortsfesten Strahlachse 8 des Laserstrahls 9 gearbeitet werden, sondern dieser - ggf. in Überlagerung mit einer Werkstück-Bewegung -mittels eines Laser-Scanners über das Werkstück geführt werden. Die jeweilige Ar­ beitsweise wird sich dabei nach der zu erzielenden Struktur und dem Mate­ rial des Werkstückes richten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung feinstrukturierter medizintechnischer Implan­ tate durch Laser-Materialbearbeitung, insbesondere Laser-Schneiden von bioresorbierbaren Gefäßwandstützen (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mit einem gepulsten Laserstahl (9) einer Pulsdauer im Bereich von 10 bis 10 000 Femtosekunden und einer angepaßten Kombi­ nation der Parameter Pulswiederhol-Frequenz, Puls-Energie und Ver­ fahrgeschwindigkeit des Werkstückes (6) relativ zum Laserstrahl derart erfolgt, daß eine schmelzfreie, materialschonende Bearbeitung des Werkstoffes stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdau­ er zwischen 100 und 1000 Femtosekunden beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsenergie etwa 10 µJ bis 1 mJ beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulswiederhol-Frequenz zwischen 0,1 und 10 kHz beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Laserstrahls ein Titan-Saphir-Laser mit einer durchstimmbaren Wellenlänge von 760 bis 810 nm verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (9) durch eine Blendeneinrichtung (11) geführt und auf das Werkstück (6) abgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (9) auf das Werkstück (6) fokussiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (9) mittels einer diffraktiven Optik auf das Werk­ stück (6) gerichtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlbearbeitung in Vakuum (14) oder unter einem Pro­ zeßgas oder in Luft stattfindet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine bioresorbierbare Gefäßwandstütze (1) insbesondere aus Poly- Hydroxy-Buttersäure durch die schneidende Laserbearbeitung mit einer Struktur aus miteinander vernetzten Stegen (2, 3) versehen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkstück (6) zur Laserbearbeitung auf einem Manipulator (7) zur Relativverschiebung bezüglich des in seiner Strahlachse (8) vor­ zugsweise ortsfesten Laserstrahles (9) geführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Laser-Scanner zur Führung des Laserstrahles über das Werkstück (6) eingesetzt wird.
DE19745294A 1997-10-14 1997-10-14 Verfahren zur Herstellung feinstrukturierter medizintechnischer Implantate Withdrawn DE19745294A1 (de)

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