DE102017222168B4 - Method for manufacturing a stent and stent manufactured by the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Stents für die Implantation in Blutgefäßen bei dem ein zylinderförmiges oder hohlzylinderförmiges formgebendes Stäbchen oder Filament, das mit einem Polymer als organisches Material gebildet ist, an seiner äußeren Mantelfläche mit einer den Stentwerkstoff bildenden metallischen Beschichtung mit einem Dünnschichtverfahren versehen und im Anschluss daran das organische Material entfernt und nach der Entfernung dem Werkstoff des erhaltenen metallischen Röhrchens weiterer Werkstoff zur Ausbildung der filigranen Stentstruktur mit einem Energiestrahl, durch Drahterodieren oder mechanisch entfernt wird.Process for the production of stents for implantation in blood vessels in which a cylindrical or hollow cylindrical shaping rod or filament, which is formed with a polymer as an organic material, is provided on its outer surface with a metallic coating that forms the stent material using a thin-film process and then provided the organic material is removed and, after the removal of the material of the metallic tube obtained, further material for forming the filigree stent structure is removed with an energy beam, by wire EDM or mechanically.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stents, insbesondere für die kardiovaskuläre Intervention, und damit hergestellte Stents.The invention relates to a method for producing stents, in particular for cardiovascular intervention, and stents produced therewith.
Ausgangsprodukt für die Fertigung, insbesondere koronarer Stents, sind im Stand der Technik dünne Röhrchen, die typischerweise durch Röhrenziehen hergestellt werden. Dabei werden Barren durch schrittweise Kaltverformung über einen Dorn in eine nahtlose Röhrenform gebracht. Zwischen jedem Kaltverformungsschritt ist eine Rekristallisierung in Form einer Wärmebehandlung notwendig. Für koronare Stents werden üblicherweise Röhrchen mit Durchmessern in der Größenordnung von 2 mm und Dicken typischerweise etwa 130 µm (Edelstahlstents) benötigt. Dafür sind zahlreiche Kaltverformungs- und Rekristallisierungsschritte notwendig. Durch die Vielzahl der Prozessschritte ist die Fertigung mit erheblichem Zeit- und Energieaufwand verbunden. Daher ist der Fertigungsprozess von dünnen Röhrchen sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Die filigrane Stentsstruktur wird dann durch Lasertrennen oder Drahterodieren erzeugt, die durch eine plastische Aufweitung infolge radialen Drucks nach außen aufgeweitet werden kann und so dauerhaft verengte Blutgefäße erweitert werden können.In the prior art, the starting product for the manufacture, in particular of coronary stents, are thin tubes, which are typically manufactured by tube drawing. In this process, bars are gradually cold-formed into a seamless tubular shape using a mandrel. Recrystallization in the form of heat treatment is necessary between each cold forming step. For coronary stents, tubes with diameters in the order of magnitude of 2 mm and thicknesses typically around 130 μm (stainless steel stents) are usually required. Numerous cold forming and recrystallization steps are necessary for this. Due to the large number of process steps, production is associated with considerable expenditure of time and energy. Therefore the manufacturing process of thin tubes is very time consuming and costly. The filigree stent structure is then created by laser cutting or wire erosion, which can be expanded outwards by plastic expansion as a result of radial pressure and thus permanently constricted blood vessels can be expanded.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Röhrchen als Vorprodukt für die Stentfertigung vorzuschlagen, mit dem die Herstellung deutlich einfacher, schneller und kostengünstiger möglich ist.It is therefore the object of the invention to propose a method for the production of thin tubes as a preliminary product for stent production, with which the production is significantly simpler, faster and more cost-effective.
So ist sind US 2011 / 0 253 525 A1 ein Gegenstand aus einer dünnen Formgedächtnislegierung und ein Verfahren zur Herstellung bekannt.For example, US 2011/0 253 525 A1 discloses an object made from a thin shape memory alloy and a method for production.
Ein aufblasbarer Gegenstand für medizinische Anwendungen ist in US 2009 / 0 301 643 A1 beschrieben.An inflatable object for medical applications is described in US 2009/0301 643 A1.
US 2009 / 0 035 859 A1 betrifft ein Verfahren und einen Stent zur kardiovaskularen Anwendung.US 2009/0 035 859 A1 relates to a method and a stent for cardiovascular use.
Ein gefalteter Stent ist in US 2005 / 0 090 888 A1 offenbart.A folded stent is disclosed in US 2005/0 090 888 A1.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 10 betrifft einen Stent, der mit dem Verfahren hergestellt worden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a method which has the features of claim 1. Claim 10 relates to a stent which has been produced using the method. Advantageous refinements and developments of the invention can be implemented with features identified in the subordinate claims.
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung von dünnen Röhrchen durch das Beschichten von zylinderförmigen oder hohlzylinderförmigen formgebenden Stäbchen oder Filamenten an ihrer radial äußeren Mantelfläche mit einer dünnen Metallschicht. Die Stäbchen oder Filamente sind mit einem Polymer gebildet und werden mit dem jeweiligen Metall in Dünnschichttechnik beschichtet. Nachfolgend erfolgt die Entfernung des formgebenden organischen Materials. Dies kann vorteilhaft mit einer thermischen Behandlung erreicht werden, bei der das Polymer des jeweiligen formgebenden Stäbchen oder Filamentes in die gasförmige Phase überführt wird, was insbesondere mittels Pyrolyse erreicht werden kann.The core of the present invention is the production of thin tubes by coating cylindrical or hollow cylindrical shaping rods or filaments on their radially outer surface with a thin metal layer. The rods or filaments are made of a polymer and are coated with the respective metal using thin-film technology. The organic material that gives the shape is then removed. This can advantageously be achieved with a thermal treatment in which the polymer of the respective shaping rod or filament is converted into the gaseous phase, which can be achieved in particular by means of pyrolysis.
Die Entfernung des Polymers kann auch allein oder zusätzlich zu der thermischen Behandlung durch Ätzen oder Lösen in einem geeigneten Ätz- oder Lösungsmittel für das jeweilige Polymer erreicht werden. Insbesondere für geeignete Polymere sind geeignete Ätz- oder Lösungsmittel bekannt. Ein Ätz- oder Lösungsmittel sollte lediglich das das Halbzeug bildende Metall nicht bzw. nur unwesentlich angreifen oder beeinflussen. Durch Ätzen oder Lösen kann beispielsweise ein Teil des organischen Materials und anschließend daran der Rest mit einer thermischen Behandlung entfernt werden.The polymer can also be removed alone or in addition to the thermal treatment by etching or dissolving in a suitable etchant or solvent for the respective polymer. Suitable etchants or solvents are known, in particular for suitable polymers. An etchant or solvent should only not attack or influence the metal forming the semifinished product, or only to a minor extent. By etching or dissolving, for example, part of the organic material and then the remainder can be removed with a thermal treatment.
Auf diese Weise entstehen metallische Röhrchen, die anschließend bei Bedarf nochmals final umgeformt oder rekristallisiert werden können. Im Weiteren kann mit den so entstehenden Röhrchen wie im Stand der Technik verfahren werden und dabei die filigrane Stentsstruktur durch Lasertrennen oder Drahterodieren ausgebildet und durch eine plastische Aufweitung infolge radialen Drucks nach außen der Stent aufgeweitet werden.In this way, metallic tubes are created that can then be finally reshaped or recrystallized again if necessary. Furthermore, the resulting tubes can be used as in the prior art and the filigree stent structure is formed by laser cutting or wire erosion and the stent is expanded by plastic expansion due to radial pressure outward.
Bei entsprechend langen so erhaltenen Röhrchen können durch Trennen auch mehrere einzelne Stents erhalten werden. Dabei kann das Trennen mit einem Energiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl oder durch Drahterodieren erreicht werden. Es ist auch ein mechanisches Brechen an Sollbruchstellen, die bei der Ausbildung der Metallschicht ausgebildet worden sind, möglich.If the tubes obtained in this way are of appropriate length, several individual stents can also be obtained by cutting. The cutting can be achieved with an energy beam, in particular a laser beam, or by wire EDM. Mechanical breaking at predetermined breaking points that have been formed during the formation of the metal layer is also possible.
Als Ausgangsmaterial bei dieser Vorgehensweise sind zylinderförmige oder hohlzylinderförmige Template aus einem Polymerwerkstoff, die die innere Form des metallischen Röhrchens mit ihrer radial äußeren Mantelfläche wiedergeben, eingesetzt werden. Diese stäbchen- oder filamentförmige Form soll mit Polymeren gefertigt werden, die sich durch eine Wärmebehandlung ohne weiteres thermisch zersetzen lassen. Beispiele gut geeigneter Polymere sind Polyethylen (PE) oder Polyoxymethylen (POM), die bekanntermaßen auch als Feedstock für das Metallpulverspritzgießen eingesetzt werden. Ein nachgewiesenermaßen günstiges thermisches Zersetzungsverhalten hat auch Polymethylmethacrylat (PMMA).Cylindrical or hollow-cylindrical templates made of a polymer material, which reproduce the inner shape of the metallic tube with their radially outer lateral surface, are used as the starting material for this procedure. This rod-like or filament-like shape is to be made with polymers that can easily be thermally decomposed by a heat treatment. Examples of highly suitable polymers are polyethylene (PE) or polyoxymethylene (POM), which are known to be used as feedstock for metal powder injection molding. Polymethyl methacrylate (PMMA) also has a proven favorable thermal decomposition behavior.
Die Beschichtung der formgebenden Stäbchen oder Filamente mit der Metallschicht kann mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder galvanischer Abscheidung erfolgen. Besonders geeignet für die Fertigung von Stentröhrchen ist das zuerst genannte Verfahren, da dieses Verfahren auch die Beschichtung mit Legierungen zulässt. Dabei kann ein sogenanntes Target mit einem Elektronen- oder Laserstrahl beschossen und so Targetwerkstoff verdampft werden. Der Metalldampf kondensiert an der Oberfläche eines formgebenden Stäbchens oder Filaments und bildet nach dem Übergang von der flüssigen in die feste Phase die Metallschicht auf der radial äußeren Mantelfläche des jeweiligen Stäbchens oder Filaments aus.The forming rods or filaments can be coated with the metal layer by means of physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or galvanic deposition. The first-mentioned method is particularly suitable for the production of stent tubes, since this method also allows coating with alloys. A so-called target can be bombarded with an electron or laser beam and thus the target material can be vaporized. The metal vapor condenses on the surface of a shaping rod or filament and, after the transition from the liquid to the solid phase, forms the metal layer on the radially outer lateral surface of the respective rod or filament.
Die Beschichtung kann in einer Kammer bei Arbeitsdrücken im Bereich 10-4 Pa bis 10 Pa erfolgen. Dabei breiten sich die Metalldampfteilchen vom Target geradlinig aus. Das zu beschichtende Stäbchen oder Filament kann dabei um seine Längsachse rotierend in den gebildeten Metalldampfstrom eingebracht werden, um eine gleichmäßige Beschichtung auf der gesamten zu beschichtenden Oberfläche, was insbesondere die Schichtdicke und die Werkstoffzusammensetzung betrifft, auszubilden. Die benötigten Schichtdicken von 75 µm bis 175 µm, insbesondere von 100 µm - 150 µm sind vergleichsweise hoch, hier können plasmaaktivierte Hochratenbedampfungen genutzt werden. Damit sind Abscheideraten von bis zu 3000 nm/s möglich.The coating can take place in a chamber at working pressures in the range 10 -4 Pa to 10 Pa. The metal vapor particles spread in a straight line from the target. The rod or filament to be coated can be introduced rotating around its longitudinal axis into the formed metal vapor flow in order to form a uniform coating on the entire surface to be coated, in particular with regard to the layer thickness and the material composition. The required layer thicknesses of 75 µm to 175 µm, in particular 100 µm - 150 µm, are comparatively high; plasma-activated high-rate vapor deposition can be used here. This enables deposition rates of up to 3000 nm / s.
Das metallische Grundmaterial ist bei Stents häufig ein Edelstahl (zum Beispiel der Ni-Cr-Stahl 1.4404), aber auch CoCr, PtCr und in jüngster Zeit werden auch biodegradierbare Magnesiumlegierungen eingesetzt. Möglich ist aber auch die Fertigung von Röhrchen aus Molybdän oder Molybdän-Rhenium-Legierungen. Diese Legierungen können mittels PVD-Verfahren verarbeitet werden.The metallic base material for stents is often a stainless steel (for example the Ni-Cr steel 1.4404), but CoCr, PtCr and, more recently, biodegradable magnesium alloys have also been used. But it is also possible to manufacture tubes from molybdenum or molybdenum-rhenium alloys. These alloys can be processed using the PVD process.
Das Entfernen des Polymers kann dann anschließend durch eine thermische Entbinderung erreicht werden. Dabei wird in einer Wärmebehandlung unter Schutzgasfluss das jeweilige Polymer thermisch zersetzt. Der Prozess ist auch beim Metallpulverspritzgießen gebräuchlich und erfolgt üblicherweise in einer Stickstoff-, Argon-, Wasserstoffatmosphäre oder Mischungen dieser Gase. Typischerweise erfolgen solche Entbinderungen in verschiedenen Temperaturstufen. So wird bei etwa 450 °C das Polymer-Rückgrat zerlegt. Für manche Polymere werden weitere Schritte bei höherer Temperatur benötigt, so besitzt PE beispielsweise typische Zersetzungstemperaturen von etwa 650 °C. Um in den Temperaturbereichen hoher Zersetzungsaktivität keine Schäden an den metallischen Beschichtungsstrukturen durch einen zu hohen Innendruck zu erzeugen, müssen diese Bereiche mit geringen Heizraten im Bereich 0,1 K/min bis 1 K/min, bevorzugt mit 0,5 K/min angefahren werden. Die Dauer der Haltezeiten hängt vom Werkstoffvolumen der Stäbchen oder Filamente ab. Bei zylinderförmigen oder hohlzylinderförmigen formgebenden Stäbchen oder Filamenten hängt dies von der jeweiligen Länge, dem Außendurchmesser und ggf. dem Innendurchmesser ab und liegt in der Größenordnung von 60 min - 120 min. Der Außendurchmesser eines Stäbchens oder Filaments sollte im Bereich 0,5 mm bis 5 mm liegen.The polymer can then be removed by thermal debinding. The respective polymer is thermally decomposed in a heat treatment under a flow of protective gas. The process is also used for metal powder injection molding and usually takes place in a nitrogen, argon, hydrogen atmosphere or mixtures of these gases. Such debinding typically takes place at different temperature levels. The polymer backbone breaks down at around 450 ° C. For some polymers, additional steps at higher temperatures are required, for example PE has typical decomposition temperatures of around 650 ° C. In order not to cause damage to the metallic coating structures due to excessive internal pressure in the temperature ranges of high decomposition activity, these areas must be approached with low heating rates in the range 0.1 K / min to 1 K / min, preferably 0.5 K / min . The duration of the holding times depends on the material volume of the rods or filaments. In the case of cylindrical or hollow cylindrical shaping rods or filaments, this depends on the respective length, the outer diameter and possibly the inner diameter and is in the order of 60 min - 120 min.The outer diameter of a rod or filament should be in the range 0.5 mm to 5 mm lie.
Um kohlenwasserstoffhaltige Rückstände der Templatstrukturen in dem metallischen Material zu vermeiden, sollte die thermische Behandlung je nach Metall bis zu 1100 °C erfolgen. Diese Reduktion geschieht durch thermochemische Reaktionen, zum Beispiel bei Edelstahl durch carbothermische Reduktion bei 1050 °C. Auf diese Weise verbleiben die metallischen Röhrchen als Halbzeug für einen Stent oder mehrere Stents mit Dicken in der geforderten Größenordnung.In order to avoid residues of the template structures containing hydrocarbons in the metallic material, the thermal treatment should take place up to 1100 ° C., depending on the metal. This reduction takes place through thermochemical reactions, for example in the case of stainless steel through carbothermal reduction at 1050 ° C. In this way, the metallic tubes remain as semi-finished products for a stent or several stents with thicknesses in the required order of magnitude.
Typischerweise kann mit Hochratebedampfungsverfahren eine Genauigkeit von ± 3 % - 20 % der Metallschichtdicke erreicht werden. Bei zu großen Abweichungen vom Sollwert kann sich an die thermische Entfernung der organischen Komponenten ein weiterer Kaltverformungsschritt mit anschließender Rekristallisierung anschließen. Dies kann durch Ziehen oder Drücken des Hohlkörpers über einen Dorn, der konisch und/oder dessen Durchmesser größer als der kleinste Innendurchmesser des Hohlkörpers ist, und/oder durch eine Matrize mit einem Lochdurchmesser, der kleiner als der größte Außendurchmesser des Hohlkörpers ist, erreicht werden. Dieser Schritt ist im Vergleich zum Stand der Technik aber lediglich ein Kalibrierungsschritt.Typically, an accuracy of ± 3% - 20% of the metal layer thickness can be achieved with high-rate vapor deposition. If the deviations from the target value are too great, the thermal removal of the organic components can be followed by a further cold forming step with subsequent recrystallization. This can be achieved by pulling or pressing the hollow body over a mandrel that is conical and / or whose diameter is larger than the smallest inner diameter of the hollow body, and / or by a die with a hole diameter that is smaller than the largest outer diameter of the hollow body . In comparison to the prior art, however, this step is only a calibration step.
Bei der Ausbildung der Metallschicht kann auch mindestens eine Maske eingesetzt werden, die gebildeten Metalldampf lokal definiert von der Oberfläche der radial äußeren Mantelfläche des jeweiligen Stäbchens oder Filaments fern hält und an der Oberfläche der radial äußeren Mantelfläche die vorgegebene filigrane Stentstruktur nachgebildet wird.In the formation of the metal layer, at least one mask can also be used, which keeps metal vapor formed locally defined from the surface of the radially outer jacket surface of the respective rod or filament and the predetermined filigree stent structure is reproduced on the surface of the radially outer jacket surface.
Eine filigrane Stentstruktur kann auch dadurch nachgebildet werden, dass Stäbchen eingesetzt werden, die an ihrer radial äußeren Mantelfläche auf der die Metallschicht ausgebildet wird, eine entsprechende Strukturierung mit entsprechenden Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen.A filigree stent structure can also be reproduced in that small rods are used which have a corresponding structure with corresponding elevations and / or depressions on their radially outer lateral surface on which the metal layer is formed.
Es besteht dabei auch die Möglichkeit die radial äußere Mantelfläche lokal definiert zu beschichten, um diesen Effekt zu erreichen. Dadurch lassen sich lokal definiert Bereiche der Metallschicht ausbilden die dicker, dünner oder ohne Metallbeschichtung ausgebildet sind. Solche Beschichtungen sind besonders vorteilhaft, wenn die Metallschicht galvanisch ausgebildet wird.It is also possible to coat the radially outer lateral surface in a locally defined manner in order to achieve this effect. In this way, locally defined areas of the metal layer can be formed that are thicker, thinner or without a metal coating. Such coatings are particularly advantageous when the metal layer is formed by electroplating.
Mit den hier o.g. Möglichkeiten lassen sich auch Sollbruchstellen ausbilden, die bei der Vereinzelung von mehreren Stents aus einem Röhrchen oder der Ausbildung der filigranen Stentstruktur vorteilhaft genutzt werden können, da dort ein mechanisches Brechen des Metallwerkstoffs lokal definiert erreicht werden kann.With the above-mentioned options, predetermined breaking points can also be formed, which can be used advantageously when separating several stents from a tube or forming the filigree stent structure, since a mechanical breaking of the metal material can be achieved there in a locally defined manner.
Ein als Halbzeug hergestelltes Röhrchen kann nun weiter wie im Stand der Technik bekannt mittels Lasertrennen oder Drahterodieren in die gewünschte Stentform gebracht werden. Im Stand der Technik wird üblicherweise noch eine Oberflächennachbehandlung (z.B. Elektropolieren) nachgeschaltet, dies kann hier in gleicher Weise erfolgen.A tube produced as a semi-finished product can now be brought into the desired stent shape by means of laser cutting or wire erosion, as is known in the prior art. In the prior art, a surface treatment (e.g. electropolishing) is usually followed up; this can be done in the same way here.
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