DLC-Schichten für medizinische Implantate

1. DLC-Schichten für medizinische Implantate

2. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Übersicht - Was ist DLC? - Synthetisierung von DLC - Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC - DLC-Beschichtungen für künstliche Hüftgelenke - Erzeugung und Untersuchung der Abriebpartikel - Zusammenfassung und Ausblick

3. DLC-Schichten für medizinische Implantate Was ist DLC? Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - DLC steht für „diamond-like carbon“ (diamantähnlicher Kohlenstoff) - DLC ist eine amorphe Modifikation des Kohlenstoffes - DLC läßt sich sehr einfach dotieren und ist daher eine ganze Klasse von Materialien (Kennzeichnung wird in VDI-Norm 2840 beschrieben) • herausragende Eigenschaft: außerordentlich hart - daher der • Namensbezug zu Diamant

4. DLC-Schichten für medizinische Implantate kleiner Exkurs in die Atomphysik: Hybridisierung von Orbitalen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick Kohlenstoff ist Nr. 6 im PDE - 2 Elektronen auf der K-Schale (1s2-Orbital - in der Chemie und auch für unsere Betrachtungen unwichtig) - die 4 anderen Elektronen verteilen sich im Grundzustand auf das 2s2- und 2p2-Orbital der L-Schale - die Elektronen der L-Schale können durch Anregung Hybridorbitale bilden, z.B. 3 sp2- oder 4 sp3-Orbitale

5. Kristallstruktur des Graphits Orbitale liegen in der Ebene DLC-Schichten für medizinische Implantate sp2-Hybridisierung: Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - die beiden 2s-Orbitale und ein 2p-Orbital hybridisieren zu 3 sp2-Orbitalen - Schreibweise: 2p1[sp2]3

6. tetraedische Anordnung der Orbitale Diamantgitter DLC-Schichten für medizinische Implantate sp3-Hybridisierung: - die beiden 2s-Orbitale und die beiden 2p-Orbitale hybridisieren zu 4 sp3-Orbitalen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - Schreibweise: 2[sp3]4

7. DLC-Schichten für medizinische Implantate DLC enthält beide Hybridisierungstypen: - sp2-hybridisierten und sp3-hybridisierten Kohlenstoff in unterschiedlichen Anteilen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - sp2 / sp3-Verhältnis ist wichtiges Charakterisierungsmerkmal von DLC - sp3-Anteil über 50%: ta-C (tetraedische amorphe Kohlenstoffschicht) - sp3-Anteil unter 50%: a-C (amorphe Kohlenstoffschicht) - DLC vereint die typischen Eigenschaften von Graphit und Diamant, z.B. den geringen Gleitreibungskoeffizienten von Graphit mit der hohen Härte des Diamanten (diamantähnlich ...) - welche der Eigenschaften überwiegt hängt vom sp2 / sp3-Verhältnis ab

8. Vakuumlichtbogen (anodischer- und kathodischer Modus) • - verschiedene Durchmesserverhältnisse Anode / Kathode realisierbar DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Synthetisierung von DLC • - PECVD-Verfahren • Laser- und Ionenstrahlgestützte Verfahren • - Kathodenzerstäubung Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick

9. DLC-Schichten für medizinische Implantate Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - grundsätzliche Unterscheidung: wasserstoffhaltig oder - “frei“ - Kennzeichnung: a-C:H bzw. ta-C:H - DLC ist auch mit Metallen und Nichtmetallen dotierbar - Kennzeichnung (2 Beispiele): a-C:Au und a-C:H:Si

10. - Härte - Elastizität - Transparenz - elektrische Leitfähigkeit - Benetzbarkeit - chemische Inertheit - Korrosionsbeständigkeit - niedriger Gleitreibungskoeffizient - Biokompatibilität DLC-Schichten in medizinischen Implantaten • Palette der Eigenschaften ist via Dotierung vielfältig einstellbar, z.B.: Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - gemeinsame Eigenschaften:

11. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Biokompatibilität von DLC hat bereits zur einer Reihe von Anwendungen geführt, z.B.: Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - Beschichtung auf Stents  gute Elastizität bei gleichzeitiger Barrierewirkung für Metallionen - Beschichtung auf Kontaktlinsen  erhöhte Benetzbarkeit bei gleichzeitiger Transparenz

12. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Unser Interessensgebiet: - Erhöhung der Lebensdauer künstlicher Hüftgelenke Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick

13. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten DLC-Beschichtungen für künstliche Hüftgelenke Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - Anzahl jährlich implantierter künstlicher Hüftgelenke: - 1.000.000 weltweit, davon 150.000 allein in Deutschland • Operation an sich ist ein Routineeingriff • - die Lebenserwartung (Standzeit) von 10 bis 15 Jahre ist jedoch • unbefriedigend - Ursache (u.a.): Lockerung des Implantates durch nicht-bekämpfbare Abriebpartikel

14. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - in der Gleitpaarung Gelenkkopf / Pfanne entstehen Abriebpartikel Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - Abriebpartikel < 0,3 µm werden von den Freßzellen des Immunsystems „entsorgt“ und stellen kein Problem dar - Abriebpartikel > 10 µm können eingekapselt und im Gewebe eingelagert werden - auch dies stellt kein Problem dar. Einzige Beschränkung: 1010 Partikel pro Gramm Gewebe - Abriebpartikel im Größenbereich dazwischen können vom Immunsystem nicht bekämpft werden  das Immunsystem bekämpft den Knochen als vermeintlichen Verursacher des Problems - dies führt zu Knochenabbau (Osteolyse), Lockerung und letztlich zum Verlust des Implantates - Problematisch: Häufig kann wegen des Knochenabbaus keine Folgeoperation durchgeführt werden - für den Patient bedeutet dies ein Leben im Rollstuhl

15. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - erhöhte Lebenserwartung und aktiverer Lebensstil werden das Problem weiter verschärfen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick • Lebensdauer von künstlichen Hüftgelenken muß dem angepaßt, sprich • erhöht werden - konkret heißt dies: Die Größe der Abriebpartikel soll 0,3 µm nicht übersteigen - hier kommt DLC zum Zuge: - DLC ist über Dotierung und Abscheideparameter designbar • unser Ziel ist es daher, eine DLC-Schicht zu entwickeln, deren Abriebpartikel die Größe von 0,3 µm nicht überschreiten

16. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Zunächst muß grundsätzlich gezeigt werden, daß sich die Abriebpartikelgröße beeinflussen läßt Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick • grundsätzliche Idee, dies zu erreichen: • - Abscheidung unter verschiedenen Parametern korreliert mit • unterschiedlichen Abriebpartikelgrößen - beeinflußbare Parameter bei der Abscheidung: 1. Biasspannung (beeinflußt die Ionenenergie und somit Haftung) 2. A/K-Verhältnis (beeinflußt den Ionisierungsgrad des Plasma und Ionenenergie) ( 3. Dotiersubstanzen, insbesondere Wasserstoff ) ( 4. Multilayerschichten ) • Abscheidung erfolgt auf sog. P2000-Stahl (sehr gut für Knochenimplan- • tate geeignet) in Form von je einer Scheibe und eines Stiftes

17. - Erzeugung der Abriebpartikel erfolgt in einem kommerziell erhältlichem Tribometer (Scheibe-auf-Stift Aufbau) - Scheibe reibt mit definierter Kraft (5N) über den Stift DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Erzeugung und Untersuchung der Abriebpartikel Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - die entstehenden Abriebpartikel werden in einem Gefäß mit VE-Wasser aufgefangen • anschließend Untersuchung der Größenverteilung der Abriebpartikel in • einem kommerziellen Nanopartikelanalysator

18. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Partikelgrößenverteilung zweier Proben im Vergleich Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick

19. DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Zusammenfassung und Ausblick Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen-schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb-partikel Zusammen-fassung und Ausblick - DLC ist eine Materialklasse basierend auf amorphem Kohlenstoff • DLC ist biokompatibel und kann leicht dotiert werden, seine Eigen- • schaften sind somit und über die Parameter bei der Abscheidung in • einem weitem Bereich einstellbar - in dieser Eigenschaftenkombination kommt DLC als Beschichtung für künstliche Hüftgelenke in Frage  Voraussetzung hierfür: Es muß eine Beschichtung entwickelt werden, deren entstehende Abriebpartikel < 0,3 µm sind • Korrelation von Parametern bei der Abscheidung mit Abriebpartikel- • größenverteilung wurde bereits gezeigt • Versuche mit Multilayerschichtung und dem Einbau von Wasserstoff in • die Schicht werden folgen