DE4324185A1 - Elektrode für elektromedizinische Anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für elektro­ medizinische Anwendungen, insbesondere eine implantierbare Reizelektrode, mit einem metallischen Elektrodenfunktions­ teil, dessen Funktionsflächen mit einer porösen Schicht aus gut leitenden und biokompatiblen Material versehen sind.

Insbesondere implantierbare Elektroden für Herzschritt­ macher müssen die Forderungen nach hoher Körperverträg­ lichkeit, kleinen Abmessungen, einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einer hohen Doppelschichtkapazität an der Grenzfläche Elektrode/Körperflüssigkeit erfüllen, da­ mit während des Reizimpulses mit eingeprägtem Strom mög­ lichst geringe Potentialänderungen auftreten, der Energie­ aufwand gering ist und elektrochemische Reaktionen aus­ bleiben. Außerdem sollten die Elektroden eine Makro- Geometrie aufweisen, die ein leichtes Positionieren, Fixieren und Einwachsen des Elektrodenfunktionsteils er­ möglicht.

Elektroden der genannten Art sind beispielsweise aus der US-PS 41 56 429 sowie der US-PS 45 02 492 bekannt. Speziell letztere Elektrode hat in ihrem Funktionsteil eine Ausformung mit Widerhaken zur Fixierung am Herzmus­ kel. Die Spitze weist dabei ein makroskopisches Profil auf und ist mit Platin-Schwarz beschichtet.

Weiterhin ist aus der US-PS 42 81 669 eine Herzschritt­ macher- bzw. Reizelektrode bekannt, welche aus einem dich­ ten Metallsubstrat und einer darauf befindlichen porösen Metallschicht besteht. Dabei setzt sich die Metallschicht aus Metallpartikeln zusammen, die an ihren Berührungspunk­ ten miteinander sowie mit dem Substrat verbunden sind, so daß ein Netzwerk aus untereinander in Verbindung stehenden Poren gebildet wird. Metallsubstrat und Metallschicht kön­ nen beispielsweise aus Titan bestehen.

Es hat sich gezeigt, daß der zunehmende Trend zur Kombi­ nation unterschiedlicher Maßnahmen innerhalb eines Elek­ trodensystems zur Miniaturisierung zwingt, so daß einfache Festkörperelektroden die Anforderungen nicht mehr erfül­ len. In letzterem Zusammenhang haben sich Elektroden aus aktiviertem Glaskohlenstoff oder auch Metallelektroden mit insbesondere Titannitrid-Schichten bewährt. Speziell aus der EP-PS 0 115 778 ist eine Elektrode der eingangs ge­ nannten Art bekannt, bei der das Elektrodenfunktionsteil aus elektrisch leitendem Trägermaterial besteht und im aktiven Bereich eine poröse Schicht aus einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid wenigstens eines der Metalle Titan, Vanadium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tan­ tal oder Wolfram aufweist. Dabei hat die poröse Schicht eine Schichtdicke zwischen 1 und 100 µm.

Da die aktive Fläche am Elektrodenfunktionsteil möglichst groß sein soll, wurde auch bereits vorgeschlagen, durch Aufsintern von kugelförmigen Metallpulvern vor der Be­ schichtung mit porösem Titannitrid einen weiteren Zuwachs an Fläche zu erreichen. Die Technik zum Aufbringen derar­ tiger Metallkügelchen von etwa 100 µm Durchmesser ist je­ doch teuer. Insbesondere bei der Herstellungstechnologie treten Dimensions-, Ausbeute- und Zuverlässigkeitsprobleme auf. Darüber hinaus kann auch aus Verfahrensgründen bei der nachfolgenden Beschichtung nicht mehr die ganze Ober­ fläche der aufgesinterten Kügelchen beschichtet werden, sondern nur die der Materialquelle zugewandten Oberflä­ chen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrode für elektromedizinische Anwendungen zu schaffen, bei der die Nachteile bei der makroskopischen Oberflächenvergrößerung am Elektrodenfunktionsteil nicht auftreten.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Elektrodenfunktionsteils Strukturen auf­ weist, die in das Elektrodenfunktionsteil vor der Be­ schichtung mit dem porösen Material eingebracht sind. Dabei sind die Strukturen Mikrostrukturen im Abstand von ca. 100 µm.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Elektrode nutzt also einen neuen Weg zur makroskopischen Oberflächenvergrößerung vor der Beschichtung. Wenn das Elektrodenfunktionsteil bei einer Herzschrittmacherelektrode einen im wesentlichen halbkugelförmigen Elektrodenkopf bildet, können die Struk­ turen konzentrisch oder spiralförmig auf dem Elektroden­ kopf angeordnet sein oder aber mäanderförmig auf dem Elek­ trodenkopf hin- und herlaufen. Wenn das Elektrodenfunk­ tionsteil bei einer Referenzelektrode der Herzschritt­ macherelektrode einen Ringzylinder bildet, können die Strukturen ringförmig oder spiralförmig um den Ringzylin­ der umlaufen. Die Strukturen bilden jeweils im Querschnitt Gräben, deren Tiefe in etwa der Breite an der Basisseite entsprechen.

Obige Strukturen lassen sich in vorteilhafter Weise durch Laserbearbeitung erzeugen. Ein solcher Prozeß ist schnell, automatisierbar und wirft keine Bindungsprobleme an Grenz­ flächen auf wie der bekannte Sinterprozeß, da nunmehr die zwischen den Gräben stehenbleibenden Teile nach wie vor Teil der Festkörperelektrode bleiben. Alternativ können die Strukturen auf dem Elektrodenfunktionsteil auch durch chemisches Ätzen über eine Maskierungstechnik erzeugt werden.

Die Beschichtung nach obigem Verfahren strukturierter Elektroden erbringt durch eine zusätzliche Porositätser­ höhung bei der Beschichtung auf den geneigten Flächen höhere Grenzschichtkapazitätswerte als bei den bekannten Elektroden. Als Materialien kommen wie beim Stand der Technik für den metallischen Elektrodenfunktionsteil bei­ spielsweise Titan in Frage, das mit Titannitrid als poröse Schicht kombiniert wird. Es ist aber auch eine Kombination von Titannitrid mit Platin-Iridium-Legierungen als Basis­ metall möglich oder andere vom Stand der Technik bereits vorgeschlagene Materialkombinationen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 das Funktionsteil einer Herzschrittmacherelektrode im Halbschnitt,

Fig. 2 und 3 Ansichten von Funktionsteilen gemäß Fig. 1 mit unterschiedlichen Strukturen,

Fig. 4 das Funktionsteil einer Referenzelektrode im Halb­ schnitt und

Fig. 5 schematisch die Ausbildung der Strukturen.

In Fig. 1 ist mit 1 eine wendelförmige Zuleitung einer teilweise geschnittenen Herzschrittmacherelektrode und mit 5 eine Kunststoffisolierung bezeichnet. Die nur ange­ deutete Elektrode hat ein metallisches Funktionsteil 10, das im allgemeinen aus Titan besteht. Dabei sind bekann­ termaßen die Funktionsflächen mit einem porösen, gut lei­ tenden und biokompatiblen Material beschichtet, beispiels­ weise aus Titannitrid. Eine derartige Beschichtung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet.

In Fig. 1 weist die Oberfläche des Elektrodenfunktions­ teils 10 Mikrostrukturen auf, die vor der Beschichtung mit dem porösen Material in das Funktionsteil 10 eingebracht sind. Beispielsweise verlaufen die Strukturen als konzen­ trische Gräben 11 auf dem im wesentlichen als halbkugel­ förmiger Elektrodenkopf ausgebildeten Funktionsteil 10, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Alternativ dazu können sie auch als hin- und herlaufende mäanderförmige Gräben 12 ausgebildet sein, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Schließlich ist auch eine spiralförmige Anordnung solcher Gräben 11 bzw. 12 möglich.

In Fig. 4 sind zwei koaxial verlaufende, wendelförmige Zuleitungen mit 1 und 2 sowie zugehörige Isolierungen mit 5 bzw. 6 bezeichnet, wobei die Zuleitung 1 zur (nicht dar­ gestellten) Herzschrittmacherelektrode gemäß Fig. 1 und die Zuleitung 2 zu einer Referenzelektrode führt. Die Re­ ferenzelektrode hat ein in etwa rohrförmiges Elektroden­ funktionsteil 20, auf dessen äußerem Zylindermantel Mikro­ strukturen alternativ als ringförmige oder spiralförmige Gräben 21 angeordnet sind. Eine Beschichtung der Funk­ tionsflächen ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 25 ange­ deutet.

In Fig. 5 ist das Basismaterial eines Elektrodenfunktions­ teils mit B bezeichnet. In diesem Basismaterial sind Grä­ ben eingearbeitet, die im Idealfall rechteckförmig sein können. Im praktischen Fall werden die Gräben 11, 12 bzw. 21 der Fig. 1 bis 4 in etwa wellenförmig ausgebildet sein. Wesentlich ist dabei, daß die Gräben im wesentlichen die gleiche Tiefe t wie die Breite d an der Basis haben, wel­ che zwischen den in Fig. 5 eingezeichneten Maßen d₁ und d₂ liegt. Auf die Funktionsflächen des so mit Gräben versehe­ nen Basismaterials 13 ist in bekannter Weise die poröse Schicht S aufgebracht.

Die Herstellung der Strukturen kann in einfacher Weise durch Laserbearbeitung erfolgen. Diese Technologie zeich­ net sich durch eine schnelle und automatisierbare Durch­ führbarkeit aus. Es lassen sich im Rahmen einer integrier­ ten Fertigung durch einen einmaligen oder mehrmaligen Ar­ beitszyklus unmittelbar vor der Beschichtung mit dem Laser reproduzierbare Strukturen im Abstand von beispielsweise 100 µm erzeugen. Es konnte im einzelnen gezeigt werden, daß die Tiefe der durch die Laserbearbeitung erzeugten Gräben direkt mit der Zahl der Arbeitszyklen ansteigt. Die anschließende Beschichtung erfolgt beispielsweise durch bekannte CVD-Verfahren. Durch die vorangehende Laser-Bearbeitung ergibt sich dabei vorteilhafterweise eine "Blumenkohl"-ähnliche Oberflächenstruktur bei der Beschichtung, womit die aktive Fläche der Schicht ver­ größert wird. Die Feinstruktur der porösen Schicht ist aber gegenüber den bekannten Elektroden im wesentlichen unverändert geblieben.

Neben der Laserbearbeitung sind auch andere Methoden zur Strukturierung möglich. Dafür kommen beispielsweise ein chemisches Ätzen mit Maskierungsflächen, die durch par­ tielles Abtragen von Deckschichten erzeugt wurden, in Frage.

Als Material für die anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Elektroden werden in vorteilhafter Weise Titan für das metallische Elektrodenfunktionsteil und Titannitrid für den porösen und biokompatiblen Überzug verwendet. Diese Materialkombination hat sich in der Praxis bewährt. Aber auch andere bekannte Metallkombinationen, insbesondere Platin-Iridium, als Elektrodenbasismaterial sind für den gleichen Zweck möglich.

Durch experimentelle Untersuchungen konnte bestätigt wer­ den, daß mit den beschriebenen Elektroden deutlich höhere Grenzschichtkapazitätswerte erreicht werden als beim Stand der Technik.

Claims (10)

1. Elektrode für elektromedizinische Anwendungen, insbe­ sondere Herzschrittmacherelektrode mit einem metallischen Elektrodenfunktionsteil, dessen Funktionsflächen mit einer porösen Schicht aus gut-leitenden und biokompatiblen Ma­ terial versehen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche des Elektrodenfunk­ tionsteils (10, 20) Strukturen (11, 12, 21) aufweist, die in das Elektrodenfunktionsteil (10, 20) vor der Beschich­ tung mit dem porösen Material eingebracht sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturen (11, 12, 21) Mikrostrukturen im Abstand von ca. 100 µm sind.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodenfunktions­ teil einen im wesentlichen halbkugelförmigen Elektroden­ kopf (10) bildet, auf dem die Strukturen (11) konzentrisch oder spiralförmig angeordnet sind oder auf dem die Struk­ turen (12) mäanderförmig hin- und herlaufen.

4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodenfunktions­ teil einen Ringzylinder (20) bildet, auf dem die Struk­ turen (21) ringförmig oder spiralförmig umlaufen.

5. Elektrode nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strukturen (11, 12; 21) im Querschnitt Gräben (31) bilden, deren Tiefe (t) in etwa der Breite (d) an der Basisseite entsprechen.

6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Schicht (15, 25) durch die Beschichtung auf den geneigten Flächen der Strukturen (11, 12, 21) am Elektrodenfunktionsteil (10, 20) erhöht ist.

7. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodenfunktions­ teil (10, 20) aus Titan (Ti) und die poröse Schicht (15, 25) aus Titannitrid (TiN) besteht.

8. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Elektrodenfunktions­ teil (10, 20) aus einer Platin-Iridium(PtIr)-Legierung und die poröse Schicht (15, 25) aus Titan-Nitrid (TiN) be­ steht.

9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Struk­ turen (11, 12; 21) auf dem Elektrodenfunktionsteil (10, 20) durch Laserbearbeitung erzeugt sind.

10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Struk­ turen (11, 12; 21) auf dem Elektrodenfunktionsteil (10, 20) durch chemisches Ätzen über eine Maskierungstechnik erzeugt sind.