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Querverweis zu verwandten Anmeldungen
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Diese
Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht Priorität der
U.S. Patentanmeldung Nr. 11/476,493, die am 27. Juni 2006 eingereicht
wurde.
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Staatlich gefördertes Forschungsprojekt
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Sequenzprotokoll oder -programm
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Hintergrund der Erfindung – Fachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat und eine Methode zur
Ausformung einer Beschichtung mit gewünschten Oberflächeneigenschaften
auf mindestens einen Teil eines Substrats. Gegenstand der Erfindung
ist insbesondere eine Methode zur Aufbringung von Polymer-Beschichtungen
mit verschiedenen Oberflächenstrukturen auf medizinischen
Implantaten wie beispielsweise Gefäßstützen (Stents).
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Medizinische
Geräte wie beispielsweise Herzschrittmacher, Stentprothesen,
Katheter, Stents, Herzklappen, Gewebe oder Sensoren werden beschichtet,
um eine gewünschte Wirkung zu erzielen und um ihre Wirksamkeit
zu verbessern. So können Beschichtungen ein Therapeutikum
oder Arzneimittel enthalten, das einer Proliferation des glatten
Muskelgewebes (Restenose) entgegenwirkt und einen Polymerträger
beinhalten. Weiterhin können mit speziellen Beschichtungen
die Biokompatibilität von Medizinprodukten sowie Oberflächeneigenschaften,
wie u. a. Gleitfähigkeit, verbessert werden und der gewünschte
Zeitpunkt sowie die Abgaberate des zuzuführenden Therapeutikums
kontrolliert werden. Ballon-Katheter, Stentprothesen und expandierbare Stents
sind Beispiele für medizinische Geräte oder Implantate,
die beschichtet und in den menschlichen Körper eingebracht
werden können. Bei Stents handelt es sich, wie in
US-Patent Nr. 4.733.665 beschrieben,
um winzige elastische zylindrische Drahtgeflechte, die die Gefäßinnenwand
eines Lumens stützen und für ausreichenden Blutfluss
zum Herzens und zu anderen Organen sorgen.
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Derartige
Beschichtungen werden in der Regel durch ein Sprühverfahren
auf die Oberfläche eines Implantats aufgebracht. Dabei
wird ein Zerstäubungsgerät mit einem sich zur
Austrittsöffnung hin erstreckenden inneren Flüssigkeitsdurchlass
in der Regel senkrecht zur Längsachse des zu beschichtenden
Substrats positioniert. Die von dem Zerstäubungsgerät
erzeugten Tropfen 52 werden aus der Austrittsöffnung
ausgestoßen. Die Mehrheit der Tropfen beaufschlagen die
Oberfläche des Substrats 54 in einem Auftreffwinkel
von nahezu θ = 90° mit einer vergleichsweise hohen
Impulskraft, wodurch eine verdichtete Beschichtung 53,
wie in 1A gezeigt, erzeugt wird.
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Die
vergleichsweise hohe Verdichtung der erzeugten Beschichtung kann
jedoch eine inhomogene Schichtdicke und Risse in der Beschichtung
verursachen. Zudem kann es schwierig sein, poröse Beschichtungen,
etwa zur Speicherung von Therapeutika in medizinischen Implantaten
oder zur Verbesserung der Verträglichkeit und Heilung,
zu erzeugen.
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Ferner
sind bei herkömmlichen Beschichtungsmethoden der Veränderung
der Morphologie im Prozess Grenzen gesetzt, was die Erzeugung von spezifischen
Elutionsprofilen, die auf die jeweilige medizinische Anwendung zugeschnitten
sind, erschwert.
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Gegenstand der Erfindung
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Es
besteht daher ein Bedarf für ein flexibles Beschichtungsverfahren
für medizinische Implantate zur Erzeugung einer gewünschten
Beschichtungsmorphologie, die eine Generierung unterschiedlicher Elutionsprofile
und/oder die Einbettung verschiedener therapeutischer Substanzen
erlaubt.
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Gegenstand
der Erfindung ist eine kostengünstige und flexible Methode
zur Aufbringung einer Polymer-Beschichtung auf ein Substrat mit
gewünschten Oberflächeneigenschaften in Bezug
auf Textur, Rauheit und Oberfläche.
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Ein
weiteres Ziel ist es eine homogene Schichtdicke insbesondere auf
schwer zugänglichen Stellen des medizinischen Implantats
zu erzeugen, um die Qualität und Integrität der
Beschichtung zu verbessern.
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Weiterhin
beinhaltet die Erfindung die flexible Anpassung der Beschichtungseigenschaften,
so dass eine variable Schichtdicke und Morphologie entlang der Oberfläche
des Substrats erzeugt werden kann.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Porosität und die
Größe der Beschichtungsoberfläche zu
erhöhen.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung der beispielhaften Ansprüche und anhand der
begleitenden Zeichnungen weiter ausgeführt.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Beschichtungen
mit einer verbesserten Qualität und einer gewünschten
Oberflächenstruktur. Die Beschichtungen können
einen Polymerträger und eine therapeutische Substanz beinhalten.
Beschichtungen, die mittels des erfindungsgemäßen Prozesses
aufgetragen werden, können auf spezifische Anforderungen
zugeschnitten werden. Zum Beispiel kann die Porosität,
die Rauheit und die Gesamtoberfläche während des
Sprühprozesses variiert werden. Die Diffusionsrate durch
die Beschichtung kann entweder durch Vergrößerung
oder Verringerung der Oberfläche und der Porosität
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prozesses kontrolliert
werden. Die Beschichtungsoberfläche und Porosität
kann somit verändert und eine selektive Beschichtung entlang
der Oberfläche des Substrats erzeugt werden.
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Der
Prozess der vorliegenden Erfindung umfasst folgende Schritte: Erzeugung
von Tropfen aus einer Beschichtungszusammensetzung, Transport der
Tropfen zu einem Substrat, wobei die Mehrheit der Tropfen eine tangentiale
Beschleunigungskomponente in Bezug zur Oberfläche des Substrats
aufweisen sowie Ablagerung der Tropfen auf dem Substrat mit einem
Auftreffwinkel ungleich 90°. Die Tropfen können
das Substrat mit einem Auftreffwinkel zwischen 30° und
85° beaufschlagen, so dass eine strukturierte Beschichtung
erzeugt wird. Der Tropfenbildungs- und/oder Transportprozess kann
durch Veränderung des Auftreffwinkels der Tropfen – des Winkels
zwischen Richtungsvektor der Tropfen und Oberfläche des
Substrats – kontrolliert werden. Dies ermöglicht
die Ausbildung selektiver Oberflächeneigenschaften.
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Zusammenfassung
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Eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine
Methode zur Beschichtung eines medizinischen Implantats, wobei eine
Beschichtungszusammensetzung mittels eines Zerstäubers
in Tropfen zerteilt wird, die Beschichtungszusammensetzung ein Therapeutikum
beinhaltet und der Zerstäuber in Bezug zur Oberfläche
des medizinischen Implantats geneigt ist. Die Methode umfasst folgende Schritte:
Zerstäubung der Beschichtungszusammensetzung in Tropfen,
Transport der Tropfen zum medizinischen Implantat, so dass die Mehrheit
der Tropfen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Bezug
zur Oberfläche des medizinischen Implantats aufweisen und
Ablagerung der Tropfen mit einer asymmetrischen Spritz-Morphologie
auf dem medizinischen Implantat zur Bildung einer Beschichtung.
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Die
Methode kann weiterhin den folgenden Schritt beinhalten: Änderung
des Neigungswinkels zwischen Sprühachse und Oberfläche
des medizinischen Implantats im Prozess, um die Morphologie der
Beschichtung zu verändern. In einer oder mehreren Ausführungsformen
kann das medizinische Implantat ein Stent sein.
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Eine
weitere Ausführungsform beinhaltet eine Methode zur Beschichtung
eines Medizinprodukts unter Verwendung einer Vorrichtungen zur Zerstäubung
eines Beschichtungsmaterials in Tropfen und einer Vorrichtungen
zur Erzeugung einer Drallströmung mit einer Drallintensität
zwischen 0,01 und 2,5 für den Transport der Tropfen zum
medizinischen Implantat. Die Methode besteht aus folgenden Schritten:
Zerstäubung der Beschichtungszusammensetzung in Tropfen,
Transport der Tropfen in dem besagten Gasströmungsfeld
zu dem medizinischen Gerät, so dass die Mehrheit der Tropfen
eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Bezug zur Oberfläche
des medizinischen Gerätes aufweisen und Ablagerung der
Tropfen auf dem medizinischen Gerät.
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Methode
weiterhin folgenden Schritt beinhalten:
Veränderung
der Drallintensität während des Beschichtungsprozesses,
um die Morphologie der Beschichtung entlang der Oberfläche
des Substrats zu verändern. Die Beschichtungszusammensetzung kann
mittels der Drallströmung des Gases zerstäubt werden.
Ferner kann die Vorrichtung zur Erzeugung der wirbelnden Gasströmung
einen Kanal mit mindestens einem ersten und einem zweiten Gaseinlass beinhalten,
wobei mindestens ein Gaseinlass verwendet wird, um eine Drallbewegung
in die Gasströmung zu induzieren. Die Drallintensität
kann geändert werden, indem das Verhältnis zwischen
axialem Gasfluss von Drallmoment und axialem Gasfluss von axialem
Moment reguliert wird.
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen kann das medizinische
Gerät ein Stent sein und die Beschichtungszusammensetzung
ein Therapeutikum beinhalten und/oder Poren aufweisen.
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Eine
weitere Ausführungsform beinhaltet eine Methode zur Beschichtung
eines Medizinprodukts mit Hilfe einer Vorrichtung, die mindestens
eine Austrittsöffnung zur Tropfenbildung aus einer Beschichtungszusammensetzung
und Sauggeräte zur Erzeugung eines Gasströmungsfelds
mit mindestens einer Eingangsöffnung aufweist, wobei das
medizinische Gerät zwischen der besagten Austrittsöffnung und
der besagten Eintrittsöffnung positioniert ist. Die Methode
besteht aus folgenden Schritten: Zerstäubung der Beschichtungszusammensetzung
in Tropfen, Erzeugung eines Gasströmungsfeldes zum Transport
der Tropfen zum Substrat, so dass die Mehrheit der Tropfen eine
tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Bezug auf die Oberfläche
des medizinischen Geräts aufweist und Ablagerung der Tropfen
auf dem medizinischen Gerät mit einem Auftreffwinkel ungleich
90° zur Bildung einer Beschichtung..
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen können die
Tropfen durch Vibrationen oder elektrostatische Energie gebildet
werden, und das medizinische Gerät kann ein Stent sein.
Ferner kann die Eingangsöffnung in Bezug zur Sprühachse
geneigt sein. Der Neigungswinkel der Eingangsöffnung kann
während des Beschichtungsprozesses geändert werden, um
die Morphologie der Beschichtung zu variieren. Auch kann die Eingangsöffnung
des Sauggerätes in einem dezentralen Abstand von der Sprühachse
der Tropfenbildungsvorrichtung angeordnet sein und die Position
der Eingangsöffnung während des Beschichtungsprozesses
geändert werden, um die Morphologie der Beschichtung zu
variieren.
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Kurze Beschreibung verschiedener
Zeichnungsansichten
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Die
im Folgendem aufgeführten begleitenden Zeichnungen, die
in der Beschreibung der Erfindung näher erläutert
werden, veranschaulichen die Ausführungen der Erfindung.
Begleitende Zeichnungen und Beschreibung dienen zudem der Erläuterung
der Grundsätze der Erfindung.
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1A (Stand
der Technik) ist eine schematische Darstellung eines Tropfenaufpralls
auf ein Substrat mit einem normalen Auftreffwinkel von 90°.
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1B ist
eine schematische Darstellung eines Tropfenaufpralls auf ein Substrat
mit einem Auftreffwinkel kleiner als 90°.
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2 ist
ein Flussdiagramm des Beschichtungsverfahrens der gegenwärtigen
Erfindung.
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3 ist
ein Aufbau zur Sprühbeschichtung eines Substrats (Zerstäuber
geneigt in Bezug zum Substrat).
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4 ist
ein Aufbau zur Sprühbeschichtung eines Substrats (Sauggerät
in einem Offsetwinkel in Bezug zum Zerstäuber angeordnet).
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5 ist
eine Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation eines Stent-Beschichtungsprozesses
zur Visualisierung der Tropfenbahnen (Sauggerät in einem
Offset-Winkel in Bezug zum Zerstäuber angeordnet).
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6 ist
ein Aufbau zur Beschichtung eines Substrats mit einer Drallströmung
(Zerstäuber ist senkrecht zum Substrat angeordnet).
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7A ist
eine Querschnittsansicht einer Zweistoffdüse mit radialen
and tangentialen Gaseinlässen.
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7B ist
eine perspektivische Ansicht des Gasdurchlasses des Zerstäubers
von 7A.
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8 ist
ein schematische Darstellung eines beispielhaften Beschichtungsaufbaus.
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9 ist
eine Ansicht einer Bildschirmkopie (Software zur Kontrolle der Drallintensität).
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10 ist
eine räumliche Tropfenverteilung eines Sprays bei einer
Drallintensität von 0,3.
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11A ist eine REM-Aufnahme eines Teils eines Stents
bei einer Drallzahl von 0.
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11B ist eine REM-Aufnahme eines Teils eines Stents
bei einer Drallzahl von 0,3.
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11C ist eine REM-Aufnahme eines Teils eines Stents
bei einer Drallzahl von 0,6.
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12A ist eine REM-Aufnahme (150-fache Vergrößerung)
zur Veranschaulichung der Oberflächenstruktur eines Teils
eines Stents.
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12B ist eine REM-Aufnahme (1 000-fache Vergrößerung)
zur Veranschaulichung der Oberflächenstruktur eines Teils
eines Stents.
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12C ist eine REM-Aufnahme (10 000-fache Vergrößerung)
zur Veranschaulichung der Oberflächenstruktur eines Teils
eines Stents.
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Ausführliche Beschreibung
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Weitere
Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den begleitenden Zeichnungen
und der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung. Auch wenn die Erfindung beispielhaft anhand bevorzugter
Ausführungsformen beschrieben wird, ist sie nicht auf diese
beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr verschiedene
Modifikationen, alternative Ausführungen und Verfahren. Es
wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und
die Zeichnungen nur beispielhaft und zur besseren Veranschaulichung
und nicht als eine Einschränkung zu verstehen sind. Auf
weitere Merkmale und Vorteile sowie verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung wird im Folgenden anhand der begleitenden Zeichnungen
näher eingegangen.
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Gemäß 2 umfasst
die Methode zur Aufbringung einer Beschichtung mit einer gewünschten Rauhigkeit
und Porosität auf ein Substrat, wie beispielsweise einem
Stent, folgende Schritte: Erzeugung von Tropfen aus einer Beschichtungszusammensetzung,
Transport der Tropfen zum Substrat, so dass die Mehrheit der Tropfen
eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente in Bezug zur Oberfläche des
Substrats aufweist und die Deposition der Tropfen auf dem Substrat
mit einem Auftreffwinkel ungleich 90° erfolgt. Der Tropfenbildungs-
und Transportschritt kann kontrolliert werden, wie ausführlich
in 8 beschrieben, um die Oberflächeneigenschaften
des zu beschichteten Substrats zu optimieren.
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Das
Substrat ist vorzugsweise ein Implantat wie beispielsweise Herzschrittmacher,
Gefäßstützen, Katheter, Herzventile,
künstliche Gewebe und Sensoren. Das Beschichtungsmaterial
kann u. a. ein oder mehrere Lösungsmittel, Polymere und/oder
Wirkstoffe beinhalten.
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Beispiele
für Wirkstoffe sind unter anderem Proteine, Hormone, Vitamine,
Antioxidantien, DNA, Antimetabolite, entzündungshemmende
Mittel, Anti-Restenose-Mittel, antithrombogene Mittel, Antibiotika,
Thrombozytenaggregationshemmer, Gerinnungshemmer, Chelatbildner
oder Antikörper. Beispiele für Polymere sind (1)
synthetische Polymere wie Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat
(PET), Polyalkylenterepthalat, Polykarbonat (PC), Halogenide wie
Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE),
Polymethylmethakrylat (PMMA), Polysiloxan und Polyvinylidenfluorid
(PVDF); (2) biologisch abbaubare Polymere wie Polyglycolid (PGA),
Polylaktid (PLA) und PolyAnhydrid; oder (3) natürliche
Polymere einschließlich Polysaccharide, Zellulose und Proteine
wie Albumin und Kollagen. Das Beschichtungsmaterial kann zudem röntgensichtbare
radioaktive Elemente oder Isotope enthalten. Biokompatibilität
und Löslichkeit des gewünschten Polymers bestimmen
die Wahl des Lösungsmittels. Wässrige Lösungsmittel
werden in der Regel zur Lösung wasserlöslicher
Polymere wie Polyethylenglykol (PEG) verwendet und organische Lösungsmittel zur
Lösung hydrophober und einiger hydrophiler Polymere. Beispiele
für geeignete Lösungsmittel sind Methylenchlorid,
Ethylacetat, Ethanol, Methanol, Dimethylether Formamid (DMF), Aceton,
Acetonitril, Tetrahydrofuran (THF), Essigsäure, Dimethylsulfoxid (DMSO),
Toluol, Benzol, Säuren, Butanon, Wasser, Hexan und Chloroform.
Der Einfachheit halber bezieht sich der Begriff „Lösungsmittel” sowohl
auf ein Lösungsmittel einer Lösung als auch auf
ein Trägermedium einer Dispersion, da die Erfindung beides beinhaltet.
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1B ist
eine schematische Darstellung eines Tropfenaufpralls auf ein Substrat
gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren. Die Aufprallgeschwindigkeit V des Tropfens 52 umfasst
eine normale Geschwindigkeitskomponente VN und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente
VT, wodurch sich ein Auftreffwinkel θ ungleich 90° zwischen
Tropfchen und Substratoberfläche ergibt. Mit der tangentialen Geschwindigkeitskomponente
VT wird eine Ausbreitung des Tropfens auf dem Substrat 54 ermöglicht und
ein Aufprall auf dem Substrat verhindert. Da VT eine Ausbreitung
des unverfestigten Materials in Richtung Punkt a bewirkt, wird eine
asymmetrische Beschichtungsmorphologie generiert. Eine Verkleinerung
des Sprühwinkels (insbesondere für α kleiner als
45°) und Erhöhung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente
VT bewirken eine erhöhte Porosität und Rauhigkeit
der Beschichtung.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform gemäß 3 ist
Zerstäuber 1 in Bezug zum Substrat geneigt, so
dass der Sprühwinkel α zwischen der Sprühachse 51 und
der Oberfläche des Substrats weniger als 90° beträgt.
Um die zu versprühende Flüssigkeit zu zerstäuben,
wird vorzugsweise eine Zweistoffdüse verwendet.
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Während
des Betriebs, wird Flüssigkeit in den Flüssigkeitseinlass
gespeist, durch den Flüssigkeitsdurchlass transportiert
und aus der Flüssigkeitsöffnung ausgeschieden.
Das Gas, das in den Gaseinlass gespeist wird, zerstäubt
die Flüssigkeit beim Austritt aus der Flüssigkeitsöffnung
in feine Tropfen und transportiert die Tropfen zum Substrat. Durch Neigen
des Zerstäubers in Bezug zum Substrat werden Tropfen mit
einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente in Bezug zur Oberfläche
des Substrats in einem Auftreffwinkel θ von weniger als
80° auf dem Substrat 54 abgelagert.
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Obwohl
ein Zweistoff-Zerstäuber, wie in 7 dargestellt,
vorzugsweise in dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet
wird, treffen die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
auch auf andere Düsentypen und -geometrien zu, wie beispielsweise
auf Elektrostatik- und Ultraschallzerstäuber. Zudem können
Dosier- und Zerstäubungssysteme mit mehreren Düsen
und/oder Zerstäuber-Zusammenbauten in einer Konfiguration
oder in unterschiedlichen Konfigurationen verwendet werden.
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Um
die Oberflächeneigenschaften wie etwa Rauheit und Porosität
der Beschichtung zu verändern, kann der Auftreffwinkel θ der
Tropfen während des Beschichtungsprozesses verändert
werden, indem beispielsweise der Winkel α zwischen Sprühachse 51 von
Zerstäuber und Substrat 54 verringert oder vergrößert
wird.
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Mit
der folgenden beispielhaften Ausführungsform der Erfindung
können Beschichtungen mit einer vergleichsweise niedrigen
Verdichtung und erhöhter Porosität produziert
werden. Die Tropfenimpulskraft und die Verdichtung der Beschichtung
werden durch die Generierung einer niedrigen Tropfengeschwindigkeit
von vorzugsweise weniger als 5 m/s und einer vergleichsweise kleinen
Tröpfchengröße minimiert. 4 zeigt
den Ultraschallzerstäuber 1, die Eingangsöffnung
des Sauggeräts 55 und das Substrat 54,
das dazwischen positioniert ist. Der Zerstäuber 1 ist
oberhalb des Substrats positioniert und befindet sich senkrecht
zur Oberfläche des Substrats. Alternativ kann der Zerstäuber
geneigt werden. Die Eingangsöffnung des Sauggeräts 55,
die vorzugsweise unterhalb des Substrats angeordnet ist, hat einen
Offsetabstand d von der Sprühachse 51. Um die
Effizienz des Beschichtungsprozesses zu optimieren, kann die Eingangsöffnung
des Sauggeräts in Bezug zum Zerstäuber 1 geneigt
werden. Das Sauggerät kann einen Ejektor oder ein Gebläse
beinhalten, das mit der Eingangsöffnung des Sauggeräts 55 verbunden
ist, und eine Saugkapazität von 5 bis 25 l/min erzeugt.
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Während
des Betriebs wird das Beschichtungsmaterial in den Ultraschallzerstäuber
gespeist und bei einer Betriebsfrequenz von ca. 130 kHz in feine
Tropfen zerstäubt. In der Nähe des Flüssigkeitsaustritts
werden Tropfengrößen unter 20 μm mit
einer vergleichsweise niedrigen Tropengeschwindigkeit von weniger
als 5 m/s gebildet. Die erzeugten Tropfen werden vom Flüssigkeitsaustritt
des Zerstäubers mittels Schwerkraft und/oder durch den
vom Sauggerät erzeugten Gasstrom zum Substrat 54 transportiert.
Die außermittige Positionierung der Eingangsöffnung
des Sauggeräts 55 in einem Abstand d von der Sprühachse
hat zur Folge, dass tangentiale Beschleunigungskomponenten in Bezug
zum Substrat 54 generiert werden und die Mehrheit der Tropfen 52 in
einem Auftreffwinkel ungleich 90° auf dem Substrat abgelagert
werden. Der Auftreffwinkel kann während des Beschichtungsprozesses
durch Veränderung der Position oder des Neigungswinkels
der Sauggeräteingangsöffnung verändert
werden. Die Beschichtungseigenschaften hinsichtlich Rauhigkeit und
Porosität können daher entlang der Oberfläche
des Substrats verändert werden.
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5 ist
eine Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation eines Tropfentransports-
und Depositionsprozesses zur Beschichtung eines Stents. Das Volumenmodell
umfasst eine Zerstäuberflüssigkeitsöffnung 1,
Sauggeräteingangsöffnung 55 und einen
Stent 54, der dazwischen angeordnet ist. Der Stent befindet
sich in einer Haltevorrichtung etwa 15 mm unterhalb der Austrittsöffnung
des Zerstäubers. Die Eingangsöffnung 55 des
Sauggeräts ist in einem Abstand von etwa 8 mm vom Stent
angeordnet. Der Zerstäuber kann auch in Bezug zur Eingangsöffnung geneigt
werden, um den Beschichtungsprozess zu optimieren. Die Flugbahnen 56 wurden
für Tropfen mit einem Durchmesser von circa 18 μm
simuliert. Die Tropfen werden mittels Schwerkraft und der durch
das Sauggerät erzeugten Gasströmung von der Austrittsöffnung
des Zerstäubers zum Stent transportiert. Um die Tropfen
zum Stent zu transportieren und sie in einem Auftreffwinkel ungleich
90° abzulagern, wird eine Saugströmung mit einem
Volumenstrom von 10 l/min erzeugt. Je nach Größe
des Substrats und Position der Eingangsöffnung, kann die
Saugleistung zwischen 5 und 25 l/min betragen. Ein zweite Gasströmung
kann an der Zerstäuberöffnung erzeugt werden,
um die Stabilität des Prozesses zu verbessern und einer
Ablenkung der Tropfen, die durch Gasströmungen innerhalb
der Beschichtungskammer verursacht werden kann, vorzubeugen.
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Eine
weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist
in 6 dargestellt. Zerstäuber 1 ist vorzugsweise
senkrecht zur Oberfläche des Substrats 54 angeordnet.
Das Beschichtungsmaterial wird in Tropfen zerteilt und ein Gasströmungsfeld
mit Drehimpuls generiert, um die erzeugten Tropfen zum Substrat 54 zu
transportieren. Zur Vernebelung der Flüssigkeit können
unterschiedliche Zerstäubertypen wie beispielsweise Pneumatik-,
Elektrostatik- oder Ultraschallzerstäuber verwendet werden,
die auch Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gasströmung
mit einem Drehimpuls beinhalten können.
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Wie
in 8 veranschaulicht, umfasst ein beispielhafter
Beschichtungsaufbau Zerstäuber, Flüssigkeitsversorgung,
Gasversorgung, Proportionalventile sowie Durchflussmesser zur Messung
der axialen und tangentialen Gasvolumenströme.
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Die
in 7 gezeigte Zweistoffdüse
kann beispielsweise verwendet werden, um ein Beschichtungsmaterial
zu zerstäuben. Ein Gasströmungsfeld mit einem
Drehimpuls wird hier mittels verdichtetem Gas (gespeist durch Kompressor
oder Gasluftbehälter) erzeugt. Zerstäuber 1 beinhaltet
einen Flüssigkeitsdurchlass, der sich von Flüssigkeitseintritt 9 zu Flüssigkeitsaustritt 15 erstreckt.
Das Gas wird in Einlässe 21 und 22 in
den Gaskanal (Radius ro) 6 gespeist und aus dem Ringspalt
(Radius R) 16 ausgestoßen. 7B ist
eine perspektivische Ansicht von Gaskanal 6, welche die
Position der beiden Einlässe 21 für den
axialen Gasvolumenstrom und der beiden tangentialen Gaseinlässe 22 zeigt,
durch die ein Drall in den axialen Gasstrom induziert wird.
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Wie
in 8 veranschaulicht, befindet sich die Sprühachse
des Zerstäubers senkrecht zur Oberfläche des Substrats
und in der gleichen Ebene. Der Abstand zwischen Zerstäuberspitze
und Substrat kann zwischen 10 und 60 mm betragen und ist vorzugsweise
20 mm. Der Flüssigkeitseintritt des Zerstäubers
ist mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden. Eine Spritzenpumpe
kann verwendet werden, um das Beschichtungsmaterial in den Zerstäuber
zu fördern. Das komprimierte Gas wird in Ventile gespeist,
die die axiale und tangentiale Gasströmung regulieren.
Die Gasmassenströme (m axial, m tang) werden jeweils mit
Hilfe eines thermischen Massendurchflussmessers gemessen.
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Eine
vom Erfinder mit der Programmiersprache LabView (NI, Austin, TX,
USA) entwickelte Software wird zur Steuerung von Drallintensität,
axialem Gasmassenstrom m axial und tangentialen Gas-Massenvolumenstrom
m tang verwendet. 9 zeigt eine Ansicht der graphischen
Benutzerschnittstelle der Kontrollsoftware mit den aktuellen Werten für
Gesamtfluss, axialem Fluss, tangentialem Fluss und Drallintensität.
Die Drallintensität des Gases kann durch die Regelung von
axialem und tangentialem Gasverhältnis während
des Beschichtungsprozesses unmittelbar variiert werden. Auftreffwinkel und
Tropfenflugbahn können somit kontrolliert werden, um gewünschte
Beschichtungseigenschaften, insbesondere in Bezug auf Rauhigkeit
und Porosität entlang der Oberfläche des Substrats,
zu generieren.
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Die
Größe des Dralls wird durch die dimensionslose
Kennzahl S beschrieben. Die Drallintensität oder Drallzahl
ist als Zahl definiert und ergibt sich aus dem axialen Fluss von
Drallmoment Gθ dividiert durch
den axialen Fluss des axialen Moments Gx, multipliziert
mit Düsenradius R.
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Die
Drallintensität S wird durch die folgende Gleichung beschrieben
und ergibt sich aus der Integration der Gasgeschwindigkeitsprofile
axial U und tangential W, wobei r die radiale Entfernung und ρ die Dichte
ist.
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Um
während des Beschichtungsprozesses die Drallintensität
S und die damit zusammenhängende tangentiale Beschleunigungskomponente
präzise zu kontrollieren, kann die Drallzahl zu dem gemessenen
Gesamtgasmassenstrom mtot und dem tangentialen
Massenstrom mtang ins Verhältnis
gesetzt werden. Der Wert ro ist der Radius des Gaskanals für
den tangentialen Gasstrom, R ist der Düsenaustrittsradius
und At ist die Gesamtfläche der
zwei tangentialen Einlässe.
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Die
Kontrolle von mtot und mtang ermöglicht
die Veränderung der Drallintensität S.. Im Betrieb
wird die gewünschte Drallzahl und der Gesamtgasstrom vom
Bediener eingegeben. Der axiale Gasmassenstrom wird durch zwei symmetrische
Einlässe 21 gespeist und eine Drallbewegung durch
zwei tangentiale Einlässe 22 in den ringförmigen
Gastrom induziert. Der Gasstrom mit induzierter Drallbewegung tritt
aus Ringspalt 16 aus. Es wird ein Gasstrom mit einem Drehimpuls
und damit ein Strömungsfeld mit axialer und tangentialer
Geschwindigkeitskomponente und erhöhten Scherkräften
an der Zerstäuberöffnung generiert. Die Flüssigkeit
fließt durch den Flüssigkeitsdurchlass zur Zerstäuberspitze,
tritt aus der Flüssigkeitsöffnung 15 aus
und wird durch die Zerstäubungsluft in sehr feine Tropfen
mit einer engen Tropfengrößenverteilung zerteilt.
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Die
Erzeugung eines Gasstroms mit einem Drehimpuls ermöglicht
eine verbesserte Zerstäubung der Flüssigkeit und
die Erzeugung eines stabilen Sprühstrahls mit minimierter
Pulsation. Dies resultiert in einer homogenen räumlichen
Tropfengrößenverteilung wie in 10 dargestellt.
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Auch
wenn die Erfindung beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Jedes
hier beschriebene Merkmal kann zusammen oder in Kombination mit
einem anderen Merkmal einer beliebigen Ausführungsform
der Erfindung kombiniert werden. Es ist auch denkbar, dass ein Merkmal
einer beliebigen Ausführung ausgeschlossen werden kann.
Die Erfindung umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher alternativer
Ausführungen. Einige alternative Ausführungen
beinhalten, je nach Beschichtungsaufbau und Geometrie des Beschichtungsobjekts,
Sauggeräte mit verschiedenen Geometrien und Volumenströmen.
Zur Vernebelung des Beschichtungsmaterials können verschiedene
Zerstäubungsgeräte wie z. B. Einstoff-, Ultraschall-,
Elektrostatik- oder Zweistoffdüsen verwendet werden. Letztere
können auch Vorrichtungen zur Unterstützung des
Tropfentransports- und Ablagerungsprozesses beinhalten. Alle diese Varianten
sind Teil der Erfindung.
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Die
folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Vorteile der
Erfindung und sind keinesfalls als Einschränkung der Erfindung
zu verstehen.
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Stents
(STI, Israel) mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge
von 20 mm werden mit zwei unterschiedlichen Polymermischungen beschichtet.
In Beispiel 1 wurde die Drallintensität zwischen 0 und
0,6 variiert und in Beispiel 2 betrug die Drallintensität
0,3.
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Die
Stents wurden auf einer Haltevorrichtung, wie in US Patentanmeldung
Nr. 60/776.522 beschrieben, montiert. Die Zweistoffdüse
aus 7 wurde verwendet, um die Beschichtungsmaterialien zu
zerstäuben und die Stents zu beschichten. Neben den in
den folgenden Beispielen verwendeten Zweistoffdüsen können
auch andere Vorrichtungen zur Zerstäubung verwendet werden.
Alternativ können auch Dosiergeräte und Zerstäubungssysteme
verwendet werden, die eine Vielzahl von Düsen und/oder
Zerstäuber-Zusammenbauten in einer Konfiguration oder in
verschiedenen Konfigurationen beinhalten können.
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Um
ein optimales Resultat zu erzielen, sollte die Achse des Zerstäubers
vorzugsweise senkrecht zur Rotationsachse des Stents angeordnet
sein, und beide Achsen sollten sich auf der gleichen Ebene befinden.
Die Zerstäuberöffnung ist vorzugsweise in einem
Abstand von ca. 12 bis 35 mm von der äußeren Oberfläche
des Stents (Abstand zwischen Stent und Zerstäuberöffnung)
positioniert.
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Der
Flüssigkeitseinlass des Zerstäubers ist mit der
Flüssigkeitsversorgung verbunden. Eine Spritzenpumpe (Renn,
NV, USA) wird vorzugsweise verwendet, um das Beschichtungsmaterial
dem Zerstäuber zuzuführen. Das komprimierte Gas
wird in die Ventile gespeist, die den axialen und tangentialen Gasfluss
regulieren. Gasmassenströme (m axial, m tang) werden jeweils
mit einem thermischen Massendurchflussmesser (TSI, Shoreview, MN,
USA) gemessen.
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Die
tangentiale Geschwindigkeitskomponente vt, die während
des Tropfenbildungs- und/oder Transportprozesses induziert wird,
bewirkt eine Ablagerung der Tropfen in einem Auftreffwinkel ungleich 90° auf
dem Substrat. Es entsteht eine Beschichtung mit einer bestimmten
Rauhigkeit und Porosität. Die Beschichtung kann während
des Beschichtungsprozesses durch Veränderung der Drallintensität
variiert werden, um eine variable Schichtdicke entlang der Oberfläche
des Substrats zu erzeugen. Eine PC-basierte Steuerung wird verwendet,
um die Drallintensität durch Regelung des axialen Gasmassenstroms
m axial und des tangentialen Gasmassenstroms m tang anzupassen.
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Der
Volumenstrom des Beschichtungsmaterials kann zwischen ca. 0,5 ml/h
und 50 ml/h betragen. Der Zerstäuber kann das Beschichtungsmaterial
bei einem Zerstäubungsdruck von etwa 0,3 bis 1,5 bar in
feine Tropfen vernebeln. Um eine feine Zerstäubung zu erzielen,
wird der Zerstäuber vorzugsweise bei einem Gasvolumenstrom
von 6,2 l/min und einem Druck von 0,8 bar betrieben.
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Bevor
das Substrat in der Sprühzone positioniert wird, sollte
sichergestellt werden, dass der Tropfenbildungs- und Transportprozess
stabil ist. Ein optischer Patternator kann verwendet werden, um
sicherzustellen, dass sich die räumliche Tropfenverteilung
in dem gewünschten Toleranzbereich befindet (vgl.
US-Patentschrift Nr. 60/674.005 ).
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Während
des Beschichtungsprozesses wird eine Drehbewegung auf den Stent übertragen
und der Stent um seine mittlere Längsachse rotiert. Der Stent
wird in der Regel bei 5 bis 250 U/min rotiert. In diesem Anwendungsbeispiel
wird der Stent bei 130 U/min um seine mittlere Längsachse
rotiert und entlang des Zerstäubers bewegt. Die Lineargeschwindigkeit
des Stents kann 0,2 bis 8 mm/s betragen. Bei Aufbringung der Beschichtungszusammensetzung beträgt
die Lineargeschwindigkeit vorzugsweise 0,5 mm/s. Der Stent kann
in einem Durchgang oder in mehreren Durchgängen beschichtet
und entlang des Zerstäubers bewegt werden. Alternativ kann
der Zerstäuber einmal oder mehrmals entlang des Stents verfahren
werden.
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Nach
Abschluss des Beschichtungsprozesses können die beschichteten
Stents auf der Haltevorrichtung montiert bleiben, um weitere Prozessschritte
wie Trocknung und Qualitätskontrolle durchzuführen.
Die Trocknung kann je nach Beschichtungsmaterial auf unterschiedliche
Weise erfolgen.
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Beispiel 1
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Mehrere
Stents wurden gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung beschichtet. Ein Polyvinylidenfluorid PVDF-HFP-Copolymer
mit einer Monomerzusammensetzung von 80% Vinylidenfluorid und 10%
Hexaflouropropylen (Solvay Advanced Polymers, Houston, TX, USA)
wurde zur Beschichtung der Stents verwendet. Das Beschichtungsmaterial
wurde durch Lösen der Polymere in Azeton in einer Konzentration
von 5%, bezogen auf das Gewicht des Gemisches, zubereitet. Die innere
und äußere Oberfläche der Stents wurde
beschichtet. Es wurde darauf geachtet, dass die Stents bei gleichen
Betriebsbedingungen beschichtet wurden. Die Drallintensität
wurde genau kontrolliert, um den Einfluss der Drallintensität
auf die Oberflächeneigenschaften zu ermitteln. Es wurden
mehrere Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) zur Visualisierung
der Oberflächenmorphologie bei verschiedenen Drallintensitäten
angefertigt.
- Stent Nr. 1 wurde bei einer Drallintensität
von 0 beschichtet. Die Beschichtung wurde gemäß der
schematischen Darstellung von 1A aufgebracht,
so dass die Mehrheit der Tropfen die Oberfläche mit einem
Auftreffwinkel von nahezu 90° beaufschlagen. 11A zeigt einen Teil eines beschichteten Stents mit
einer glatten und verdichteten Beschichtung. Die Beschichtung weist
infolge einer erhöhten Akkumulation der Beschichtung auf
der äußeren Umfangsfläche des Stents
eine inhomogene Schichtdicke rund um die Streben des Stents auf.
- Stent Nr. 2 wurde mit einer Drallintensität von 0,3
gemäß der schematischen Darstellung von 1B beschichtet. 11B zeigt einen Teil der Beschichtung mit homogener
Schichtdicke auf den Streben des Stents und einer relativ glatten
Oberfläche. Es ist keine Materialakkumulation auf der äußeren
Umfangsfläche des Stent zu erkennen und die Beschichtung erscheint
einheitlich. Im Vergleich zu Stent Nr. 1 erscheint die Beschichtung
homogener, vor allem auf der äußeren Oberfläche
und an den seitlichen Flächen der Streben. Ferner ist eine
erhöhte Oberflächenrauheit zu erkennen.
- Stent Nr. 3 wurde mit einer Drallintensität von 0,6
gemäß der schematischen Darstellung von 1B beschichtet. 11C zeigt einen Teil eines Stents mit einer homogenen
Schichtdicke an der äußeren Oberfläche
und an den seitlichen Flächen der Streben. Eine Materialakkumulation
an der äußeren Umfangsfläche des Stents
ist nicht zu erkennen und die Beschichtung erscheint einheitlich.
Im Vergleich zu Stent Nr. 1 und Nr. 2 ist eine erhöhte
Oberflächenrauhigkeit und eine größere
Oberfläche zu erkennen.
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Die
beschichteten Stents weisen unterschiedliche Schichtdicken auf.
Stent Nr. 1 hat die größte Schichtdicke mit einer
inhomogenen Beschichtungsakkumulation auf der äußeren Umfangsfläche.
Bei größeren Drallzahlen erscheint die Beschichtung
homogener. Darüber hinaus wurde bei relativ hohen Drallintensitäten
eine Veränderung der Beschichtungsmorphologie hinsichtlich
Oberflächenrauheit und eine deutliche Vergrößerung
der Oberfläche festgestellt. Es wurde beobachtet, dass
ein Induzieren einer tangentialen Beschleunigungskomponente in den
Gasstrom und damit eine Erhöhung der Drallintensität
die Prozessstabilität verbessern kann. Dies kann auf optimierten
Tropfenzerfall, verbesserte Mischung des Beschichtungsmaterials
und Erzeugung einer homogeneren Tropfenverteilung zurückgeführt
werden. Ferner schienen erhöhte Drallintensitäten
einer Verstopfung der Düse vorzubeugen.
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Beispiel 2
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Mehrere
Stents wurden nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung mit
einer Polytetrafluorethylen PTFE-307A Dispersion (DuPont, Wilmington, DE,
USA) beschichtet. Die Dispersion enthält (bezogen auf das
Gesamtgewicht) etwa 60% Harztropfen (0,05 bis 0,5 μm) suspendiert
in Wasser und (bezogen auf das Gewicht von PTFE) rund 6% eines nichtionischen
Netzmittels und Stabilisators. Sowohl die innere und äußere
Oberfläche der Stents wurden beschichtet. Die Stents wurden
bei einer Drallintensität von 0,3 gemäß der
schematischen Darstellung von 1B beschichtet. 12A–C zeigen Rasterelektronenmikroskopaufnahmen
(REM) Aufnahmen der Beschichtungsmorphologie, die gemäß dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurde.
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12A zeigt einen Stent, der eine homogene Beschichtung
mit einer vergleichsweise großen Oberfläche und
großen Rauheit aufweist. Eine Materialakkumulation auf
der Oberfläche des Stents ist nicht zu erkennen und die
Beschichtung erscheint einheitlich.
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Zur
besseren Visualisierung der Beschichtungseigenschaften wurden zwei
weitere REM-Aufnahmen gemacht. 12B zeigt
einen kleinen Teil des Stents bei 1000-facher Vergrößerung
mit einer erhöhten Oberflächenrauhigkeit und Größe
der Oberfläche. Darüber hinaus sind in der Beschichtung Poren
zu erkennen.
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12C ist eine Aufnahme eines Teil eines Stents
mit einer 10000-fachen Vergrößerung, die die Morphologie
der Beschichtung und die Poren genauer zeigt.
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Die
Beschichtungen weisen hinsichtlich der Größe der
Oberfläche, Porosität und Schichtdicke eine Vielzahl
von Eigenschaften auf. Es wurde festgestellt, dass die Oberflächeneigenschaften
im Prozess durch die Kontrolle des Tropfenauftreffwinkels im Bezug
zum Substrat verändert werden können. Eine homogene
Beschichtung mit vergrößerter Oberfläche,
Rauheit und Porosität kann durch die Erhöhung
der tangentialen Geschwindigkeitskomponente der Tropfen erzeugt
werden. Im Gegensatz dazu ist beim Versprühen von Polymermischungen
mit höherer Viskosität ohne Induktion einer tangentialen
Beschleunigungskomponente eine Akkumulation von Beschichtungsmaterial
auf der äußeren Umfangsfläche des Stents
zu erkennen, was zu Beschichtungsmängeln wie Schwimmhäuten
und zu einer Ablösung der Beschichtung führen
kann.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine Methode zur Beschichtung eines Substrats
mit einer gewünschten Oberflächenstruktur, wobei
die Rauheit und die Größe der Oberfläche
der Beschichtung während des Beschichtungsprozesses variiert
werden kann. Die Methode der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte
der Tropfenbildung aus einer Beschichtungszusammensetzung, des Tropfentransports
zum Substrat und der Ablagerung der Tropfen auf dem Substrat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4733665 [0003]
- - US 60/674005 [0071]
