DE19652821C1 - Medizinische Schere mit verschleißmindernder Beschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine medizinische Schere mit Griffteilen und Schneiden.

Medizinische Scheren bestehen im allgemeinen aus hochlegierten Edelstählen (Medizinstahl). Die Scheren werden gehärtet und feingeschliffen, um gute Schneideeigenschaften über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten.

Gute Schneideeigenschaften erfordern aber einen bestimmten Anpreßdruck der Scherenhälften gegeneinander. Beim eigentlichen Schneidevorgang bewegen sich die Schneiden in etwa punktförmiger Auflage relativ zu einander. Das bedeutet, die Schneidekraft wird im wesentlichen auf die jeweilig etwa punktförmige Kreu­ zungsstelle der beiden relativ zueinander bewegten Scheren­ schneiden konzentriert.

Bedingt durch den relativ hohen Reibwert der üblicherweise verwendeten Stähle ist eine gewisse Schwergängigkeit mit Verschleiß der Scherenhälften vorwiegend im Schneidenbereich unausweichlich. Der scharfe Zustand der medizinischen Scheren ist daher begrenzt und das optimale Schneideverhalten nimmt schnell ab.

An das Material der medizinischen Scheren werden insbesondere deswegen hohe Anforderungen gestellt, da diese Geräte bei relativ hohen Temperaturen mit überhitztem Wasserdampf regelmäßig sterilisiert werden. Daher müssen die Scheren korrosionsbeständig sein.

Darüber hinaus wird eine biologische Inertheit der Scheren gefordert, da schon geringste Spuren an Abrieb der Schneiden bei empfindlichen Patienten allergische Reaktionen auslösen können.

Darüber hinaus soll der Schnitt selber möglichst glatt, d. h. atraumatisch erfolgen.

Schon eine geringfügige Gewebequetschung verstärkt Blutungen beim Trennen von Gewebeteilen in lebenden Körpern.

Verstärkte Blutungen verzögern die Heilung, wohingegen glatte Wundränder ein schnelleres Zusammenwachsen des Gewebes er­ möglichen.

Aus der DE 42 35 023 A1 ist ein Greif- und/oder Schneide­ instrument für endoskopische Zwecke bekannt, welches präzise führbar ist und mit dem extrem saubere Schnitte möglich sind, bei denen das umgebende Gewebe nicht verletzt wird. Dazu ist vorgesehen, Bauelemente mit einem reibungsminderen Material, wie Polytetrafluorethylen, zu versehen.

Aus der DE 42 12 053 C1 ist ein chirurgisches Instrument aus Metall zum thermischen Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe bekannt, dessen metallische Oberfläche zumindest teilweise mit einer Hartstoffschicht beschichtet ist. Die Hartstoffschicht besteht aus einer oder einer Mischung von Metall-Metalloid-Verbindungen, wobei das Metall ein Metall der vierten bis achten Nebengruppe oder ein Element der dritten Hauptgruppe des periodischen Systems der Elemente ist, und das Metalloid aus der Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Bor enthaltenden Gruppe ausgewählt ist. Die Hartstoffschicht kann aus (TiNb)ON bestehen, und zwar mit 41 Atomprozent Titan, 19 Atomprozent Niob, 31 Atomprozent Stickstoff und 9 Atomprozent Sauerstoff. Die Edelmetallschicht kann eine Dicke zwischen 0,01 und 3 Mikrometer aufweisen.

Aus der US 5,507,760 ist ein in einen Katheder einsetzbares Schneidewerkzeug bekannt, das einen Körper aufweist, der aus einem Stahl bestehen kann, ausgewählt aus der Gruppe der 440 FSe und 440 C Stähle. Die Schneidekante weist eine reibungsarme und härtende Schicht auf, die ausgewählt ist aus diamantartigem Kohlenstoff, Aluminiumoxid, Titannitrid, Titankarbonitrid, Zirkonnitrid, Bornitrid, kubischem Bornitrid und hoch chrom­ haltigen Zusammensetzungen.

Aus der US 5,152,774 ist eine medizinische Schere bekannt, auf deren Grundkörper aus Edelstahl oder Titan eine Nitridschicht aufgetragen ist, die über ein VD-Verfahren aufgebracht wird. Die Nitridschicht ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titannitrid, Titannitridlegierungen und Zirkoniumnitrid, die bei 175 bis 225°C niedergeschlagen werden. Der nitrierte Abschnitt des Instruments hat eine Rockwell-Härte "C" von zumindest etwa 50.

Bei den gegenwärtig bekannten Scheren der eingangs genannten Art sind diese zuvor genannten Erfordernisse nicht zufrieden­ stellend erfüllt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schere der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß diese leicht gängig ist, d. h. reibungsarm schneidet, ferner atrauma­ tisch schneidet, d. h. glatte, schnell heilende Schnitte erzeugt, die biologisch inert und korrosionsfest ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schere zumindest im Bereich der Schneiden mit einer amorphen dünnen Schicht, die Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, beschichtet ist, wobei der Gehalt an Silizium an der Grenzfläche zum metallischen Scherenkörper bis zu 100% Atomanteile Silizium beträgt, im Bereich der äußeren Oberfläche der Schicht bis zu 30% Atomteile Silizium beträgt.

Mit dieser Ausgestaltung mit einem Gradienten an Siliziumgehalt und den weiteren Bestandteilen Kohlenstoff und Wasserstoff kann eine Beschichtung durchgeführt werden, die äußerst glatt und sehr hart ist, und die außerdem chemisch und biologisch inert ist.

Die sehr glatte Schicht wird dadurch erreicht, daß die Schicht als amorphe Schicht abgeschieden wird. Eine kristalline Schicht wäre durch die Ausbildung von Kristalliten wesentlich rauer.

Die amorphe glatte Schicht erlaubt ein reibungsarmes und leicht gängiges Schneiden, die Härte der Schicht wirkt sich außerdem verschleißmindernd aus.

Somit können mit mit einer derart beschichteten Schere atrauma­ tische Schnitte durchgeführt werden, und zwar auf Dauer wie das aus dem nachfolgend noch zu beschreibenden Test ersichtlich ist, bei dem mit einer erfindungsgemäßen Schere 10 000 Schnitte ohne jegliche Veränderung durchgeführt werden können, wohingegen bei konventionellen Scheren schon bei 500 Schnitten ein zu­ nehmender Abrieb beobachtet werden konnte.

Durch den Gradienten an Siliziumgehalt dahingehend, daß der Siliziumanteil an der Grenzfläche zum Scherenkörper sehr hoch ist, kann eine hervorragende Anbindung der Schicht an den Scherenkörper erzielt werden. Durch den abnehmenden Silizium­ anteil und dem demzufolge zunehmenden Kohlenstoff- bzw. Wasser­ stoffanteil der Schicht im Bereich der äußeren Oberfläche wird eine äußerst harte glatte und amorphe Struktur erzielt, die die nachgesuchten Eigenschaften aufweist. Die aus den Bestand­ teilen Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff bestehende amorphe Schicht ist chemisch und biologisch inert, d. h. die Schicht ist weder durch chemische Substanzen noch durch allfällige biolo­ gische Angriffe korrosionsgefährdet.

Die extreme Härte und Glätte auf der äußeren Oberfläche der Schicht kann dadurch erklärt werden, daß beim Kohlenstoff und auch beim Silizium sp³-Hybridstrukturen vorhanden sind, also die Grundlage für ein diamantähnliches Gitter, die Ausbildung von Kristallen wohl aber durch den "Störstoff" Wasserstoff der Schicht verhindert wird.

Somit wird die Aufgabe vollkommen gelöst.

Der Gehalt an Silizium an der Grenzfläche beträgt vorzugsweise bis zu 95% Atomanteile, höchst vorzugsweise 10 bis 90% Atomanteile.

Unter der Bezeichnung "Prozent-Atomanteile" wird die Zahl bestimmter Atome bezogen auf 100 Gesamtatome verstanden.

Ferner ist bevorzugt, daß der Gehalt an Silizium im Bereich der Oberfläche 0 bis 30% Atomanteile und daß zugleich der Gehalt an Wasserstoff in der Schicht 10 bis 50% Atomanteile beträgt, und der Rest aus Kohlenstoff besteht.

In dieser Variationsbreite läßt sich einerseits eine sehr gute Anbindung der Schicht an den Scherengrundkörper bewerkstelligen, andererseits an der Außenseite durch den höheren Kohlenstoff­ anteil eine extrem glatte amorphe und harte Schicht ausbilden. In beiden Bereichen sind gängige Beschichtungsmethoden durch­ führbar, in denen die drei Bestandteile Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff variabel niederschlagbar sind.

Bevorzugt beträgt die Dicke der Schicht 0,5 bis 5 µm bzw. höchst vorzugsweise 0,5 bis 2 µm.

Schon mit diesen geringen Schichtdicken lassen sich hervorragende Ergebnisse erzielen, so daß mit einem wirtschaftlich vernünftigen Material- und apparativen Aufwand medizinische Scheren erfin­ dungsgemäß beschichtet werden können.

Es ist höchst bevorzugt, daß die Schicht aus Silizium, Kohlen­ stoff und Wasserstoff durch PVD (Physical Vapor Deposition) und/oder durch CVD (Chemical Vapor Deposition), insbesondere durch PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abge­ schieden wird.

Durch Anwendung dieser Niederschlagsmethoden ist es möglich, die gewünschte Schicht mit dem Gradienten an Siliziumgehalt einfach herzustellen.

Wird bspw. gewünscht, an der Grenzfläche zum Scherenkörper zunächst ausschließlich Silizium aufzutragen, so kann dies über ein PVD-Verfahren, z. B. durch sogenanntes Sputtern durchgeführt werden. Geringe Wasserstoffanteile können durch ein PECVD-Ver­ fahren, in dem bpsw. Silizium-Wasserstoffverbindungen eingesetzt werden, durch Abscheiden von amorphem Si : H realisiert werden. Die darauf folgenden Niederschläge mit Anteilen an Kohlenstoff können insbesondere über PECVD-Methoden erzeugt werden, indem Verbindungen zugesetzt werden, die Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, bspw. Siliziummethyl-Verbindungen. Der höhere Kohlenstoffgehalt kann auch dadurch beigesteuert werden, daß bei einem PECVD-Verfahren nach und nach kohlenstoffreichere Verbindungen, z. B. Kohlenwasserstoffe zugefügt werden, so daß definiert und mit fließenden Übergängen die Schicht mit dem Gradienten aufgebaut werden kann.

Besonders bevorzugt ist ein PECVD-Verfahren, bei dem ausganglich in einem Edelgasplasma zunächst die Scherenhälften von einer möglichen Oxidschicht befreit werden und anschließend die entsprechenden Gase zugemischt werden, um den nun hochfeinen Scherengrundkörper mit der erfindungsgemäßen Schicht aus Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff zu beschichten.

Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit der einzigen beiliegenden Zeichnung näher beschrieben und erläutert.

Die einzige Zeichnung zeigt
stark schematisiert eine Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens.

Eine in dem Ausführungsbeispiel dargestellte medizinische Schere besteht aus zwei Scherenhälften 10 und 12.

Jede Scherenhälfte weist ein Griffteil 14 bzw. einen Schneiden­ bereich 16 und jeweils eine Schneide 18 auf.

Die aus einem Schmiederohling bestehenden Grundkörper werden zunächst mittels Bohren, Fräsen und Schleifen in eine Rohform gebracht.

Die Rohform der Schere wird von Hand gerichtet, d. h. die beiden Scherenhälften 10 und 12 werden exakt aufeinander angepaßt. Die so gerichtete Schere wird anschließend gehärtet (Härte ≧ 50 HRC Härte nach Rockwell, Verfahren C).

Die gerichtete und gehärtete Schere wird oberflächenbearbeitet (bspw. durch Schleifen, Polieren, Gleitschleifen), um durch eine hohe Oberflächenqualität die Schere rostsicher zu machen.

Insbesondere im Bereich der Schneiden 18 werden die Scheren­ hälften 10, 12 mit einer besonders hohen Oberflächenqualität versehen.

Zur Beschichtung werden die Scherenhälften 10 und 12 zunächst entfettet, bspw. durch Spülen mit Aceton und nach einer alka­ lischen und sauren Feinreinigung mit deionisiertem Wasser gespült und getrocknet.

Die gereinigten Scherenhälften 10 und 12 werden in einer speziellen (hier nicht dargestellten) Halterung derart befestigt, daß die geschliffenen Seiten nach außen weisen. Die Halterung wird mit den Scherenhälften 10 und 12 in eine Vakuumkammer 20 einer PECVD-Anlage eingeschleust und diese wird auf einen Druck von unter 10⁻⁵ mbar evakuiert. Dazu ist an der Vakuumkammer 20 eine Absaugöffnung 22 vorgesehen, die in Verbindung mit ent­ sprechenden Vakuumpumpen steht.

Anschließend läßt man Argon in die Vakuumkammer 20 bis zu einem Druck zwischen 5×10⁻² und 5×10⁻¹ mbar einströmen, und die Scherenhälften 10, 12 werden mit einer Hochfrequenz von 13,56 MHz beaufschlagt, damit ein Plasma zündet.

Dazu ist an der Vakuumkammer 20 eine Gaseinlaßöffnung 24 sowie eine Hochfrequenzzuleitung 26 vorgesehen. Somit bildet sich im Innern der Vakuumkammer 20 ein Plasma 28 aus, die Scheren­ hälften 10 und 12 sind vom sogenannten Dunkelraum 30 des Plasmas 28 umgeben. Die Leistung der Hochfrequenz wird so eingestellt, daß sich auf der Schere ein Gleichspannungspotential von 100 bis 600 Volt, vorzugsweise von 500 Volt bildet.

Durch das Plasma 28 wird in ca. zehn Minuten die Oxidschicht auf der Oberfläche der Scherenhälften 10 und 12 entfernt.

Ohne das Plasma 28 abzuschalten wird durch Ersatz des Argons ein Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltendes Gas, z. B. TMS (Tetramethylsilan) in die Vakuumkammer 20 über die Einlaßöffnung 24 eingelassen, wodurch eine Schicht aus Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff auf der Grenzfläche zum Scherenkörper entsteht. Die sich dabei niederschlagende Schicht hat einen sehr hohen Siliziumgehalt, bis zu 90% Atomanteilen.

Nach wenigen Minuten wird als weiteres Gas Acetylen bei syn­ chroner Reduzierung des TMS-Gehaltes in die Vakuumkammer 20 eingelassen, so daß nach Ende der Beschichtung der Siliziumgehalt der Schicht auf der äußeren Schichtoberfläche bei etwa 0 bis 20% Atomanteilen liegt, mit etwa 20-40% Atomanteilen Wasser­ stoff und Kohlenstoff als Rest.

Für die Schneidenüberdeckung im PECVD-Prozeß hat es sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die Schneiden 18 der Scherenhälften 10, 12 in einem Abstand von 1 bis 10, vorzugsweise 2 bis 5 mm anzuordnen. Außerdem hat sich in dem Beschichtungsprozeß eine Beaufschlagung der Scherenhälften mit einer Vorspannung von 100 bis /600 Volt, vorzugsweise 200 bis 400 Volt als vorteilhaft erwiesen.

Der Druck in der Vakuumkammer wird bei 2×10⁻² bis 2×10⁻¹ mbar gehalten.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird anstatt TMS ein Monosilan eingesetzt, wobei ein höherer siliziumgehalt an der Grenzfläche zwischen der Schere und der aufzubauenden Schicht erhalten wird.

Es kann auch der PECVD-Prozeßschritt zur Erzeugung der silizium­ reichen Grenzflächenschicht zunächst durch einen Sputterprozeß ersetzt werden, d. h. bei dem ausschließlich Silizium durch Zerstäubung von einem Target im Anschluß an die Plasmareinigung auf die Scherenhälften 10 und 12 aufgebracht wird. In diesem Falle wird vorteilhaft in direktem Anschluß durch einen PECVD-Prozeß mit Hilfe von silizium- und kohlenstoffhaltigen Gasen eine siliziumhaltige Kohlenstoffschicht auf das durch Sputtern erzeugte Silizium aufgebracht.

Bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, an der Grenzfläche zunächst ausschließlich Silizium abzuscheiden und dann nach und nach durch Zuschalten von Acetylen den Kohlenstoff und den Wasserstoffgehalt der abgeschiedenen Schicht zu erhöhen.

Durch die vorangegangenen Beispiele ist deutlich, daß die Übergänge des gradiellen Anteils der einzelnen Bestandteile Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff in der Schicht sehr fließend durchgeführt werden können, d. h. nicht nur eine fest an dem Grundkörper anhaftende, sondern auch eine in sich selbst festhaftende Schicht kann ausgebildet werden, die an der Außenseite extrem hart und glatt ausgebildet ist.

Untersuchungen haben gezeigt, daß Kohlenstoffmoleküle im XPS (Röntgen-Photo-Elektronenspektroskopie) und im TEM (Trans­ missions-Elektronenmikroskop) als sp³-Hybrid vorliegen, somit diamantähnliche Strukturelemente aufweisen, ohne daß Kristallite ausgebildet werden, die die Glätte ungünstig beeinflussen würden.

Es sind auch weitere Prozeßgestaltungen vorgesehen, z. B. unter Einsatz von Magnetfeldern zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas.

Es ist ebenfalls vorgesehen, mit Hilfe von Lasern oder Licht­ bogenverdampfung silizium- und kohlenstoffhaltige Schichten abzuscheiden, all diese Verfahrensweisen sind vom Rahmen der Erfindung umfaßt.

Test der Korrosionsschutzeigenschaften

Eine VA-Schere, d. h. eine Schere aus rostfreiem Scherenstahl, wurde auseinandergeschraubt, eine Scherenhälfte wurde erfindungs­ gemäß beschichtet, die andere Hälfte wurde nicht beschichtet.

Die Oberflächen der beiden Hälften wurden im Bereich der Gewindebohrungen in einem Bereich von 1 bis 2 cm mit einem Schrumpfschlauch abgedeckt.

Beide Hälften wurden in eine Lösung aus 2,5% Essigsäure und 1% NaCl (Kochsalz) mit folgendem Temperaturzyklus beaufschlagt.

4 Stunden und 40 Minuten bei 80°C, 10 Minuten abkühlen bis -10°C, 1 Stunde bei -10°C gehalten, 10 Minuten Aufheizung bis 80°C. Dieser Zyklus wurde viermal durchgeführt.

Ergebnisse

Bei der Standard-VA-Scherenhälfte ist eine deutlich sichtbare Kornstruktur auf der nicht abgedeckten Oberfläche zur beobachten, was eindeutig auf Korrosionserscheinungen aufgrund der Behandlung zurückzuführen ist. Die Lösung ist leicht rot gefärbt, was für eine Ablösung von Chrom spricht. Das abgedeckte Oberflächen­ oberteil der Standard-VA-Scherenhälfte war unverändert blank.

Bei der erfindungsgemäß beschichteten Scherenhälfte waren keine optisch erkennbaren Veränderungen auf der nicht abgedeckten Oberfläche zu erkennen. Die Lösung war klar. Der optische Eindruck der abgedeckten Oberfläche (nach Entfernen der Folie) entsprach optisch der freien Oberfläche, die dem Ätzmedium ausgesetzt war.

Test der Schneideeigenschaften

Eine Standard-VA-Schere und eine erfindungsgemäß beschichtete Schere wurden mittels eines Exzenters zur Simulation von Schnittbewegungen angetrieben.

Ergebnisse

Diese Ergebnisse zeigen die hohen Standzeiten, die mit einer erfindungsgemäß beschichteten Schere zu erzielen sind.

Claims (15)

1. Medizinische Schere, die Schneiden (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schere zumindest im Bereich der Schneiden (18) mit einer amorphen dünnen Schicht, die Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, beschichtet ist, wobei der Gehalt an Silizium an der Grenzfläche zum metallischen Scherenkörper bis zu 100% Atomanteile Silizium beträgt, im Bereich der äußeren Oberfläche der Schicht bis zu 30% Atomanteile beträgt.

2. Medizinische Schere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Silizium an der Grenzfläche bis zu 95% Atomanteile beträgt.

3. Medizinische Schere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Silizium an der Grenz­ fläche 10 bis 90% Atomanteile beträgt.

4. Medizinische Schere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Silizium im Bereich der Oberfläche der Schicht bis 20% Atomanteile beträgt.

5. Medizinische Schere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffgehalt der Schicht an der Oberfläche bis zu 50% Atomanteile beträgt und der Rest Kohlenstoff ist.

6. Medizinische Schere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dicke von 0,5 bis 5 µm aufweist.

7. Medizinische Schere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dicke von 0,5 bis 2 µm aufweist.

8. Verfahren zum Herstellen einer medizinischen Schere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Feinbearbeitung des metallischen Grundkörpers der Schere diese zumindest im Bereich der Schneiden mit einer dünnen amorphen Schicht aus Silizium, Kohlenstoff und Wasserstoff derart beschichtet wird, daß der Gehalt an Silizium an der Grenzfläche zum Scherenkörper bis zu 100% Atomanteile beträgt, und daß im Bereich der äuße­ ren Oberfläche der Schicht der Gehalt an Silizium bis zu 30% Atomanteile beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beschichten eine Reinigung in einem Argon-Plasma durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels eines PECVD-Verfahrens durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ein PVD-Verfahren in Verbindung mit einem PECVD-Verfahren durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der PECVD-Prozeß mittels einer Hochfrequenzentladung, vorzugsweise mit 13,56 MHz bei einem Druck von 2×10⁻² bis 2×10⁻¹ mbar durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Scherenhälften (10, 12) der Schere im PECVD-Prozeß so angeordnet sind, daß die Schneiden (18) in einer Ebene Abstände von 1 bis 10 mm, vorzugsweise von 1 bis 5 mm aufweisen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beschichtung die Scheren­ hälften (10, 12) mit einer Vorspannung von 100 bis 600 Volt, vorzugsweise mit 200 bis 400 Volt beaufschlagt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der PECVD-Prozeß unter Verwendung von Tetramethylsilan und Acetylen durchgeführt wird.