Reduktion der Inkrustation von urologischen Kathetern durch Beschichtung mit amorphen Kohlenstoff

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1 Reduktion der Inkrustation von urologischen Kathetern durch Beschichtung mit amorphen Kohlenstoff N. Laube 1, H. Wegner 1, A. Hesse 1, L. Kleinen 2, K. Jung 2, B. Hillebrands 2, U. Grabowy 3, H. Busch 3, K. Schenk 3 1 Experimentelle Urologie, Klinik und Poliklinik für Urologie, Universitätsklinikum Bonn, Sigmund- Freud-Str. 25, D Bonn 2 Institut für Dünnschichttechnologie, Technische Universität Kaiserslautern, Maarweg 32, D Rheinbreitbach 3 NTTF GmbH, Maarweg 32, D Rheinbreitbach

2 Firmengründung 1997 Gründer: Dr. Heinz Busch + Dr. Udo Grabowy Technologiezentrum für Oberflächentechnik (TZO) in Rheinbreitbach, 15 km südlich von Bonn

3 Geschäftsführer: Heinz Busch, Udo Grabowy 7 Festangestellte, 2 Teilzeitkräfte F&E: 4 Administration: 2 Produktion, Technik: 2 Marketing: 1

4 Herstellung von radioaktiven medizinischen Produkten: Low- cost und just in time Produktion für die Klinik Beta emittierende Implantate für die Brachytherapie X-ray emittierende Seeds, Stents und Implante für die Brachytherapie Produktion von Strahlern mit Neutronenaktivierung (FRMII), Start Anfang 2005

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6 Entwicklung und Produktion von Beschichtungen mit PVD und PECVD- Verfahren (NTTFfÅrge ) Biokompatible Beschichtung von Instrumenten und Implantaten für die Medizin (Cardient ) Beschichtungen von Werkzeugen und Maschinenteilen

7 Forschungszentrum Karlsruhe Grönemeyer Institute für Mikrotherapie Bochum Klinikum Wuppertal LMU + TU München Zentral Institut für Medizintechnik München Universität Bonn Pharmazeutisches Institut Marburg

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9 Biomineralisation Die Bildung von anorganischen kristallinen Strukturen in Verbindung mit biologischen Makromolekülen.

10 Urolithiasis Die Bildung von Steinen im Harntrakt.

11 Harnwegsinfektbedingte Mineralisation Struvit MgNH 4 PO 4 6H 2 O Carbonatapatit Ca 10 PO 4 (CO 3 OH) 6 (OH) 10

12 Reaktionsschema urea O urease H 2 O H 2 N C NH 2 2NH 3 + CO 2 Ca 10 PO 4 (CO 3 OH) 6 (OH) 2 carbonate apatite (ph>6.5, 6.8) - CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 + H + 2NH 3 + H 2 O 2NH OH - struvite (ph>7.25) Mg 2 NH 4 PO 4 6H 2 O

13 nosokomiale Infektionen: 40 % der Infektionen im Harntrakt 60 % durch Katheterisierung Urease-produzierende Bakterien Anstieg des Urin-pH Katheterinkrustation

14 Aktivierung der Oberfläche im Sauerstoffplasma Aufbringen einer elastischen amorphen Kohlenstoffschicht ca.50 nm

15 (COPRA source von CCR) Depositionsparameter Arbeitsdruck ~ 8 x 10-4 mbar C 2 H 2 Fluß 15 sccm RF-power 300 W Ionenenergie 20 ev Ionenstromdichte 0,1 ma/cm 2 Substrattemperatur ~ 25 C

16 Variation deer Oberflächenenergie dotieren mit N 2, B, F, Si, Me Reduktion deer Oberflächenspannung hydrophob (Si, F) hydrophil (N,O, B) Oberflächenstruktuierung

17 Variation der Oberflächenenergie:

18 beschichteter Katheterballon nach der Expansion:

19 Entwurf VDI 2840 : Kohlenstoffschichten Bezeichnung Dünnschicht/ Dickschicht Dotierung, Zusatzstoffe 1 Plasmapolymerschichten Dünnschicht wasserstofffrei wasserstoffhaltig modifiziert modifiziert mit Metall mit Metall mit Nichtmetall sp 2 oder sp 3, sp 2 sp 3 sp 2 sp 2 oder sp 3 sp 2 sp 2 lineare Bindung sp 3 empfohlene Abkürzung 2 Amorphe Kohlenstoffschichten (DLC) Dünnschicht - a-c ta-c a-c:me a-c:h ta-c:h a-c:h:me (Me = W, Ti,...) Kohlenstoffschichten a-c:h:x (X = Si, O, N, F, B,...) 1 bis 500 nm, nanokristallin 3 Kristalline Kohlenstoffschichten Kristallgröße auf der Wachstumsseite überwiegende C-C- Bindungsart Schicht-Nr Bezeichnung Plasmapolymerschicht wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht Diamantschichten Graphitschichten Dünnschicht Dickschicht (freitragend) Dünnschicht undotiert dotiert undotiert dotiert undotiert 0,1 bis 5 µm (5 µm bis) 80 bis 500 µm 80 bis 500 µm sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 sp 2 0,5 bis 10 µm, mikrokristallin nanokristalline CVD- Diamantschicht mikrokristalline CVD- Diamantschicht dotierte CVD- Diamantschicht CVD- Diamant dotierter CVD- Diamant Graphitschicht

20 Schichtdicke d = 36 nm Dichte ρ = 2.5 g/cm 3 Reibkoeffizient µ = 0.05 Härte (Vickers) HV = 1100 SEM Bild eines Bruches auf einer Kunststoffoberfläche (Ingo Gestmann: Inst. Für Zellbiologie Univ. Bonn)

21 1.Pilotserien ohne Bakterien in synthetischen Harnen Zugabe von Urease

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24 Mittlere Mineralisatmenge auf der Katheteroberfläche nach 12h Inkubation mean amount of salt crystallized on catheter [mg] 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Total amount Carbonate apatite Brushite Struvite silicone N DLC DLC F DLC surface

25 bessere Statistik Variationen der Oberflächeneigenschaften verbessertes In-Vitro Modell Nativharn klinischer Einsatz