DE60027773T2

DE60027773T2 - Verfahren zum laserschweissen von unterschiedlichen metallen insbesondere zur herstellung von endoluminar-stents

Info

Publication number: DE60027773T2
Application number: DE60027773T
Authority: DE
Inventors: Aiden Flanagan
Original assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Current assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2003517872A; WO2001045578A9; WO2001045578A2; EP1244389B1; IL149630A0; US6554854B1; AU4716001A; JP4708651B2; WO2001045578A3; ATE324836T1; CA2392283A1; DE60027773D1; EP1244389A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Verbinden unähnlicher Metalle mittels eines Lasers und insbesondere auf das Laserverbinden von Gold auf Drähte eines endoluminalen Stents.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Stent ist eine längliche Vorrichtung, die zur Unterstützung einer intraluminalen Wand verwendet wird. Im Fall einer Stenose schafft ein Stent einen freien Kanal für Blut in den Bereich der Stenose. Ein solcher Stent kann außerdem eine seine Innenseite oder seine Außenseite verkleidende künstliche Transplantatschicht aus einem Textilerzeugnis oder einen solchen Überzug aufweisen, wobei ein solcher überzogener Stent im Fachbereich gewöhnlich als intraluminale Prothese, endoluminales oder endovaskuläres Transplantat (EVG) oder Stent-Transplantat bezeichnet wird.
Eine Prothese kann beispielsweise verwendet werden, um ein Gefäßaneurysma zu behandeln, indem der Druck auf einen geschwächten Teil einer Arterie weggenommen wird, um die Gefahr einer Ruptur zu verringern. Im Allgemeinen wird eine Prothese am Ort einer Stenose oder eines Aneurysmas endoluminal, d. h. durch so genannte "minimal invasive Techniken", bei denen die Prothese durch eine Hülse oder einen Katheter in einer radial zusammengedrückten Konfiguration gehalten und durch ein Einsetzsystem oder einen "Introducer" zu der Stelle, an der sie erforderlich ist, befördert wird, in ein Blutgefäß implantiert. Der Introducer kann durch die Haut des Patienten oder mit Hilfe einer "Einschnitttechnik", bei der das Eintrittsblutgefäß durch kleine chirurgische Mittel freigelegt wird, in den Körper eindringen. Wenn der Introducer in das Körperlumen zum Einsatzort der Prothese geführt ist, wird er so gehandhabt, dass die Prothese aus der sie umgebenden Hülse oder dem sie umgebenden Katheter, in der bzw. in dem sie gehalten wird, ausgestoßen wird (oder alternativ die umgebende Hülse oder der umgebende Katheter von der Prothese abgezogen wird), worauf sich die Prothese auf einen vorbestimmten Durchmesser ausdehnt und der Introducer zurückgezogen wird. Eine Stent-Ausdehnung kann durch Federelastizität, durch Ballonausdehnung oder durch Selbstausdehnung einer durch Wärme oder Spannung bewirkten Rückkehr eines Materials mit Formerinnerungsvermögen zu einer durch Vorbehandlung festgelegten ausgedehnten Konfiguration erfolgen.
Es sind an sich verschiedene Typen von Stent-Architekturen einschließlich vieler Entwürfe, die ein Filament oder eine Anzahl von Filamenten wie etwa Draht oder Drähte, die zu einer bestimmten Konfiguration gewickelt oder geflochten sind, umfassen, bekannt. Andere drahtlose Stent-Architekturen können rohrförmige Metallhülsen, die durch Laser zu einer ausdehnbaren und zusammendrückbaren Gestalt zugeschnitten sind, umfassen. Häufig muss während der Implantation von Draht-Stents in ein Körperlumen der begleitende Chirurg oder ein anderes Mitglied des chirurgischen Teams das Positionieren des Stents in dem Lumen mittels Fluoroskopie überwachen. Daher werden häufig radiopake Markierungen verwendet, wobei eine radiopake Markierung irgendein Abschnitt eines Stents sein kann, der einen anderen fluoroskopischen Reflexionsgrad als die umgebenden Abschnitte des Stents besitzt. Da die meisten Stent-Drähte Nitinol (eine Nickel-Titan-Legierung) oder rostfreien Stahl enthalten, ist ein Metall, das als fluoroskopische Markierung dienen kann, Gold.
Es ist an sich bekannt, dem anderen Metall durch Galvanisieren, durch physisches Anbringen wie etwa durch Wickeln eines Markierungsbandes um einen Abschnitt des Drahts oder Schieben eines Gold-Hyporohrs über den Draht wie eine Hülse, durch Ionenimplantationsverfahren oder durch Schweißverfahren wie etwa Lichtbogenschweißen Gold hinzuzufügen. Es ist auch bekannt, Gold mit einem Elektronenstrahl zu schweißen. Das Galvanisieren schafft im Allgemeinen nur eine dünne Goldschicht mit einer unerwünscht rauen Oberfläche und führt im Allgemeinen auch zu einer schlechten Haftung an manchen Metallen wie etwa Nitinol. Ionenimplantationsverfahren können im Allgemeinen ebenfalls eine schlechte Haftung an manchen Metallen wie etwa Nitinol aufweisen. Lichtbogenschweißverfahren, obwohl sie zum Verbinden von Gold mit anderen Metallen in großem Maßstab anwendbar sind, sind für die Stent-Konstruktion in kleinem Maßstab undurchführbar. Die physische Anbringung ist laborintensiv und im Allgemeinen auf drahtlose Stents wie etwa durch Laser zugeschnittene rohrförmige Stents nicht anwendbar. Die physische Anbringung an Draht-Stents umfasst im Allgemeinen das Schieben eines Markierungsband-Hyporohrs auf den Stent-Draht, bevor oder während der Stent auf einen Dorn gewickelt wird. Eine Elektronenstrahlschweißeinrichtung ist kapitalintensiv und weniger flexibel als das Laserstrahlschweißen, da das Elektronenstrahlschweißen das Durchführen des Schweißverfahrens in einem Vakuum erfordert.
Das Laserschweißen von Gold auf Stent-Drähte unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Nd:YAG-(Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat)-Lasers mit einer Standardwellenlänge von 1,064 μm ist mit wechselndem Erfolg versucht worden. Ein Problem beim Durchführen eines solchen Laserschweißverfahrens ist die Schwierigkeit der Wahl einer optimalen Laserintensität, da der Temperaturanstieg bei Gold im Allgemeinen viel stärker ist als der Temperaturanstieg bei dem Metall, mit dem das Gold verschweißt werden soll. Folglich kann eine Laserintensität, die das Gold auf die richtige Temperatur erwärmt, das umgebende Stent-Drahtmetall auf eine Temperatur erwärmen, die so hoch ist, dass sie ein übermäßiges Schmelzen, Verdampfen und/oder Schneiden des Stent-Drahts mit kleinem Durchmesser, auf den das Gold geschweißt werden soll, verursacht. Ähnlich werden dann, wenn der Draht unzulänglich mit dem Gold bedeckt ist, während des Schweißschrittes freigelegte Abschnitte des Drahts hinterlassen oder kann dann, wenn das zu schweißende Gold eine veränderliche Dicke aufweist, selbst dann, wenn die genaue Intensität für das Schweißen eines Abschnitts ausgewählt ist, jene Intensität dort, wo der freigelegte Draht oder das Gold dünner ist, dasselbe Problem des Schmelzens, Verdampfens und/oder Schneidens verursachen.
EP 0 491 959 A1 offenbart ein Verfahren zum Schweißen von verschiedenartigen Metallen durch Laser, wobei wenigstens zwei Metallelemente mit unterschiedlichem Laser-Reflexionsgrad übereinander gelegt werden und in Richtung der Überlagerung ein Laser angewandt wird, um dadurch die zwei Metallelemente miteinander zu verschweißen. Das zweite Metallelement kann aus einem Anschluss, der aus Eisen mit einem Laser-Reflexionsgrad von 65% gefertigt ist, und einer Nickelschicht, die einen Laser-Reflexionsgrad von 70%, der zwischen dem Laser-Reflexionsgrad einer Kupferzuleitung und jener des Anschlusses aus Eisen liegt, besitzt und für die auf einer Oberfläche des Anschlusses aus Eisen zu bildende Metallschicht vorgesehen ist, zusammengesetzt sein. Der Unterschied zwischen dem Laser-Reflexionsgrad der Kupferzuleitung und jenem der Zinnschicht ist so festgelegt, dass er größer ist als der Unterschied zwischen dem Laser-Reflexionsgrad des Anschlusses aus Eisen und jenem der Nickelschicht. Wenn das Schmelzen zur Nickelschicht vordringt, werden die Laser durch die Nickelschicht allmählich absorbiert, da der Reflexionsgrad der Nickelschicht höher ist als jener des Anschlusses aus Eisen, so dass ein Fortschreiten des Schmelzens blockiert wird. Daher wird verhindert, dass der Anschluss aus Eisen plötzlich mit Lasern bestrahlt wird, womit ein Zersplittern des Eisenanschlusses verhindert werden kann.
EP 0 824 900 A2 offenbart einen Schutzüberzug für einen Stent mit einem radiopaken Zwischenüberzug. Ein länglicher, rohrförmiger Körper des Stents kann aus rostfreiem Stahl gebildet sein, während der radiopake Überzug aus Gold gefertigt sein kann. Vorgefertigte Goldmarkierungen können an irgendwelchen spezifischen Stellen durch Laser aufgeschmolzen sein.
Somit besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf, ein zuverlässiges Verfahren zum Verbinden von Gold mit anderen Metallen, insbesondere zum Laserbearbeiten von Gold auf Metall-Stent-Drähte, zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der Mängel des Standes der Technik schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laserverbinden eines ersten Metalls, das eine erste Rückstrahlungskurve als Funktion der Wellenlänge besitzt, mit einem zweiten Metall, das das eine zweite Rückstrahlungskurve als Funktion der Wellenlänge besitzt, durch die Verwendung eines Lasers, wie in Anspruch 1 definiert ist. Das Verfahren umfasst das Anordnen des ersten Metalls in Kontakt mit dem zweiten Metall und das Belichten des ersten Metalls und/oder des zweiten Metalls mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die aus einem optimalen Bereich von Wellenlängen ausgewählt ist, über dem die erste Rückstrahlungskurve und die zweite Rückstrahlungskurve im Wesentlichen überlappen. Das erste Metall kann Nickel, Titan, Eisen oder eine Legierung hiervon sein, während das zweite Metall Gold oder Kupfer sein kann. Wenn die Wellenlängen des Laserstrahls über einen optimalen Bereich ausgewählt sind, wird jeder nachteiliger Effekt, der durch eines der Metalle, die sich durch einen unterschiedlichen Reflexionsgrad bedingt stark erwärmen, hervorgerufen wird, vermieden. Das Laserverbinden kann das Verbinden der zwei Metalle in irgendeiner Weise wie etwa durch Schweißen, Plattieren oder Legieren betreffen.
Durch das oben beschriebene Verfahren kann ein Stent gefertigt werden, der für das endoluminale Einsetzen oder Entfalten in einem Körperlumen geeignet ist. Ein solcher Stent enthält eines oder mehrere erste Metallelemente, wovon jedes ein erstes Metall und ein radiopakes Markierungsmetall, das an einem oder mehreren Abschnitten des wenigstens einen Elements angebracht ist, umfasst. Die radiopake Markierung umfasst ein zweites Metall, das an dem ersten Metall durch eines des Folgenden befestigt ist: eine Schweißnaht, eine Plattierungsschicht aus dem zweiten Metall über dem ersten Metall, eine Legierungsschicht aus dem ersten Metall und dem zweiten Metall über dem ersten Metall oder eine Kombination hiervon. Das Anbringungsverfahren verwendet einen Laser, dessen Wellenlänge in dem optimalen Bereich liegt, wie oben beschrieben worden ist.
Sowohl die obige allgemeine Beschreibung als auch die folgende genaue Beschreibung sind so zu verstehen, dass sie die Erfindung veranschaulichen, jedoch nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Graph, der die prozentuale Reflexion von auftreffendem Licht für verschiedene Metalle als Funktion der Wellenlänge des auftreffenden Lichts in Mikrometern zeigt.
2A ist eine Querschnittsdarstellung eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verbunden werden.
2B ist eine Querschnittsdarstellung eines ersten Metalls und eines zweiten Metalls, nachdem sie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verbunden worden sind.
3 ist eine Längsschnittsdarstellung eines zweiten Metalls, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf ein erstes Metall plattiert wird.
4 ist eine Längsschnittsdarstellung eines zweiten Metalls, das in einer Legierungsschicht über dem ersten Metall eine Legierung mit einem ersten Metall eingeht.
5 ist eine Längsschnittsdarstellung eines zweiten Metalls, das in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik in einer Legierungsschicht über dem ersten Metall eine Legierung mit einem ersten Metall eingeht, wobei die Laserwellenlänge einem ungleichen Reflexionsvermögen des ersten und des zweiten Metalls genau entspricht.
6 ist ein Seitenriss eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzeugten Stents, der eine radiopake Markierung aufweist.
7 ist eine Längsschnittsdarstellung eines Elements eines Stents, wobei das Stent-Element ein Pit-Loch aufweist, das mit einem radiopaken Markierungsmetall befüllt ist.
8 ist ein Seitenriss eines Elements eines Stents, das verschiedene gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte radiopake Markierungsmuster aufweist.
9 ist eine Querschnittsansicht eines Elements aus einem Draht-Stent, das über seinen gesamten Umfang eine radiopake Markierungsplattierung aufweist.
10 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines durch Laser zugeschnittenen rohrförmigen Elements eines Stents, das lediglich auf seiner nach außen weisenden Seite eine radiopake Markierungsplattierung aufweist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird als Nächstes mit Bezug auf die Figuren erläutert, wobei ähnliche Bezugszeichen in allen Figuren die gleichen Elemente angeben. Solche Figuren sind als veranschaulichend und keineswegs als begrenzend gedacht und hier aufgenommen, um die Erklärung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
In 1 ist zunächst ein halblogarithmischer Graph 10 des prozentualen Reflexionsgrades für verschiedene Metalle über der Wellenlänge des auf das Metall auftreffenden Lichts in Mikrometern gezeigt. Der Reflexionsgrad ist ein Maß für die von einer Oberfläche reflektierte Energiemenge (im Gegensatz zu der von der Oberfläche absorbierten Energiemenge) als Prozentsatz der auf die Oberfläche auftreffenden Energie. 1 zeigt Kurven für Gold 12, Eisen 14, Nickel (Ni) 16 und Titan (Ti) 18. Die Kurve 14 für Eisen ist kennzeichnend für eine gleichartige Kurve für rostfreien Stahl. Die Kurven 16 und 18 für Nickel bzw. Titan sind ähnlich kennzeichnend für die Kurve für Nitinol (eine Nickel-Titan-Legierung), die einer Interpolation der zwei Kurven entspricht, die vom Prozentsatz des jeweiligen Metalls in der Legierung abhängt.
Wie aus dem Graph ersichtlich ist, unterscheidet sich die Rückstrahlungskurve 12 für Gold stark von den Rückstrahlungskurven 14, 16 und 18 für Eisen, Nickel bzw. Titan. Dieser Unterschied erklärt die Ungleichheit zwischen der Metalltemperatur von Gold und jener von Nitinol oder rostfreiem Stahl bei einer Laserbearbeitung bei der 1,064-μm-Wellenlänge. Insbesondere im Bereich von Wellenlängen zwischen etwa 0,6 μm und 3 μm bedeutet der höhere Reflexionsgrad von Gold im Vergleich zu den anderen Metallen, dass die anderen Metalle mehr Laserenergie absorbieren (die folglich das Metall stärker erwärmt), während das Gold einen großen Teil der Energie reflektiert (und folglich relativ wenig erwärmt wird). Somit können durch Verwenden einer Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich, wo sich die Rückstrahlungskurven einander annähern oder im Wesentlichen überlappen, Metalle mit unterschiedlichen Rückstrahlungskurven durch ein Laserschweißverfahren verbunden werden, ohne dass manche der Probleme, denen in den Bereichen, in denen die Reflexionsgrade ungleich sind, begegnet wird, auftreten. Der erforderliche Grad an Ähnlichkeit zwischen den Rückstrahlungskurven ist eine Funktion weiterer Verfahrens- oder Prozessparameter wie etwa der Intensität des Lichts, der Materialien, die verwendet werden, und der Dicke der Materialien. Vorzugsweise umfasst der optimale Bereich von Wellenlängen jedoch nur jene Wellenlängen, wo sich die Reflexionsgradprozentsätze der verarbeiteten Metalle um nicht mehr als 15% (auf einer absoluten Skala), stärker bevorzugt um nicht mehr als 10% und am stärksten bevorzugt um nicht mehr als 5% unterscheiden. Idealerweise unterscheidet sich der prozentuale Reflexionsgrad um nicht mehr als 2%. Der Ausdruck "überlappt im Wesentlichen", wie er hier verwendet wird, soll sich auf einen Wellenlängenbereich beziehen, über dem kein wesentliches Schmelzen, Verdampfen oder Schneiden eines der Metalle infolge der durch einen unterschiedlichen Reflexionsgrad verursachten Erwärmung jenes Metalls stattfindet. Wie oben erwähnt worden ist, hängt der bestimmte Unterschied, wenn dieser auftritt, von weiteren Verfahrensparametern ab, jedoch tritt im Allgemeinen bei Reflexionsgradunterschied-Prozentsätzen von 15% oder weniger kaum ein wesentliches Schmelzen, Verdampfen oder Schneiden ein.
In den 2A–4 umfasst die Erfindung ein Verfahren für Laserverbinden eines ersten Metalls 20 wie etwa Nitinol oder rostfreier Stahl mit einer ersten Rückstrahlungskurve als Funktion der Wellenlänge wie etwa eine Kurve, die zu den Kurven 14, 16 oder 18 ähnlich ist, und eines zweiten Metalls 22 wie etwa Gold mit einer zweiten Rückstrahlungskurve 12. Der Begriff "Laserverbinden" umfasst beispielsweise Schweißen (wie in den 2A und 2B gezeigt ist), Plattieren (wie in 3 gezeigt ist) oder Legieren (wie in 4A gezeigt ist) von zwei oder mehr unähnlichen Metallen mittels eines Lasers 24. Sämtliche dieser Laserverbindungsverfahren umfassen im Wesentlichen das Lasererwärmen eines Bereichs, wo zwei verschiedene Metalle aneinander angrenzen, wodurch das Verschmelzen der Metall hervorgerufen wird, um eine Legierung aus den zwei Metallen zu erzeugen.
Wie in 2A gezeigt ist, umfasst das Laserschweißen typischerweise das Verbinden zweier aneinander stoßender Metalloberflächen 20 und 22 als Ergebnis der Dissipation der Energie 25 von dem beide Metalle schmelzenden Laserstrahl 24. Die geschmolzenen Metalle vermischen sich dann in Form einer Legierung 26, wie in 2B gezeigt ist. Die Schweißnaht 50 kann eine ununterbrochene Schweißnaht über eine große Strecke oder ein Schweißpunkt, der einen relativ kleinen Bereich umschließt, sein. Das Laserplattieren, das in 3 gezeigt ist, umfasst typischerweise das Binden des Metalls 22 als Oberflächenschicht auf das Metall 20, wenn sich der Laser 24 in Richtung des Pfeils A bewegt, wobei sich die Legierungsschicht 26 als Zwischenschicht zwischen den zwei Metallen ergibt, jedoch eine diskrete Schicht aus dem Metall 22 auf der Oberfläche verbleibt. Das Laserlegieren andererseits, das in 4 gezeigt ist, umfasst typischerweise das Bilden einer Legierungsschicht 26, die das Metall 22 und das Metall 20 umfasst, wobei die Legierungsschicht die Schicht 22 auf der Oberfläche aus dem Metall 20 vollständig ersetzt, wenn sich der Laser 24 in Richtung des Pfeils A bewegt.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Bearbeiten eines ersten Metalls 20 und eines zweiten Metalls 22 mittels eines Laserstrahls 24 mit einer Wellenlänge, die aus einem optimalen Bereich von Wellenlängen, über dem die erste Rückstrahlungskurve und die zweite Rückstrahlungskurve (wie in 1 gezeigt ist) im Wesentlichen überlappen, ausgewählt ist. Das Laserverbinden kann das das Schweißen des zweiten Metalls 22 an das erste Metall 20, das Plattieren des ersten Metalls mit dem zweiten Metall, das Legieren des ersten und des zweiten Metalls oder eine Kombination hiervor umfassen. Außer dem Auswählen der Wellenlänge derart, dass sie in einem optimalen Bereich liegt, wie hier beschrieben worden ist, können alle anderen Laserbearbeitungsbedingungen von einem Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres so bestimmt werden, wie es die Anwendung erfordert.
Obwohl dieses Verfahren für das Laserverbinden eines zweiten Metalls 22, das eine aus Gold gefertigte radiopake Markierung ist, auf ein erstes Metall 20, das ein Element eines Stents, der aus Nitinol oder rostfreiem Stahl gefertigt ist, besonders vorteilhaft ist, ist das Verfahren gleichfalls für die Verwendung bei anderen Anwendungen mit anderen Metallen durchführbar. Insbesondere kann das Verfahren für das Laserverbinden anderer Metalle, die zu Gold ähnliche Rückstrahlungskurven aufweisen, wie etwa Kupfer mit anderen Metallen wie etwa Nickel, Titan oder Eisen oder Legierungen aus jenen Metallen oder irgendwelchen Metallen, die zu den in 1 gezeigten Kurven ähnliche Kurven aufweisen, verwendet werden. Allgemeiner kann das Verfahren mit irgendwelchen zwei Metallen verwendet werden, deren Rückstrahlungskurven über einen optimalen Bereich von Wellenlängen im Wesentlichen überlappen. Im Allgemeinen besitzen gelbe Metalle wie etwa Gold, Kupfer und Messing andere Rückstrahlungskurven als silbrige Metalle wie etwa Stahl, Nickel oder Titan. Diese auf der Metallfarbe basierende Verallgemeinerung ist jedoch keine ausschließliche Bestimmung, welche Metalle verschiedene Kurven aufweisen können, da andere Metalle in dem interessierenden Bereich (wie etwa dem Bereich von 0,2516 μm bis 1,064 μm, in dem ein Nd:YAG-Laser typischerweise arbeitet) verschiedene Rückstrahlungskurven aufweisen können, ohne notwendigerweise einen Unterschied bei den sichtbaren Wellenlängen (0,39 bis 0,77 μm) aufzuweisen.
Das Verfahren dieser Erfindung ist auf das Laserverbinden von irgendwelchen zwei oder mehr Metallen, die jeweilige Rückstrahlungskurven besitzen, die innerhalb der Wellenlängen, bei denen der Laser arbeitet, überlappende Abschnitte sowie grundverschiedene Abschnitte aufweisen, anwendbar. Das Verfahren ist bei Anwendungen, bei denen die Kapazität des ersten Metallelements 20 als Wärmesenke infolge seiner relativen Dicke wie beispielsweise bei einem Stent-Draht oder bei Elektronik- oder Schmuckanwendungen, wo die Gefahr besteht, dass ein Element mit einer relativ geringen Masse wegen der Verschiedenheit zwischen den Rückstrahlungskurven außerhalb des optimalen Wellenlängenbereichs übermäßig geschmolzen, geschnitten oder verdampft wird, verhältnismäßig gering ist, besonders nützlich. Ein versierter Techniker auf dem Gebiet kann Anwendungen mit solchen Gefahren erkennen, wenn die Masse der zu schweißenden Elemente, die Intensität des Lasers und das Laserenergie-Absorptionsvermögen bei den anzuwendenden Wellenlängen gegeben sind.
Beispielsweise kann (unter Vernachlässigung des Umwandlungswärmeeffekts) ein einfacher Schätzwert des Temperaturanstiegs an der Oberfläche eines Materials berechnet werden. Die durch das Fouriersche Gesetz gegebene Wärmeleitungs-Grundgleichung hinsichtlich der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung q über einen Bereich A in einem Festkörper lautet:
wobei
der Temperaturgradient in der zu A senkrechten Richtung ist und K die Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers ist. Aus der Gleichung 1 kann die folgende Wärmeleitungsgleichung hergeleitet werden:
wobei κ = K/ρc die Temperaturleitfähigkeit ist, Q(x, y, z, t) die Geschwindigkeit der inneren Wärmeerzeugung pro Einheitsvolumen ist und
die Temperaturänderungsgeschwindigkeit ist. Durch Lösen der Gleichung für den vereinfachten Fall eines unendlichen Halbraums mit einem durch den auftreffenden Laserstrahl erzeugten gleichmäßigen Oberflächen-Wärmestrom kann die Temperatur an der Oberfläche zu jedem Zeitpunkt t wie folgt berechnet werden:
wobei I die Laserintensität ist und ε das Emissionsvermögen der Materialoberfläche ist. Das Emissionsvermögen steht mit dem Reflexionsvermögen R durch ε = (1 – R) in einem Zusammenhang.
5 zeigt, wie die Wahl einer Wellenlänge außerhalb des optimalen Bereichs zu einem Bereich 29 übermäßigen Schmelzens innerhalb eines Elements 30 führen kann, das ein erstes Metall 20 umfasst und eine relativ niedrige Kapazität als Wärmesenke (d. h. eine thermisch wirksame Masse, die so groß ist, dass eine lokale Überhitzung dazu führen kann, dass das Element 30 geschnitten, verdampft oder übermäßig geschmolzen wird) aufweist, wie etwa ein Draht oder ein zugeschnittenes rohrförmiges Element eines Stents. Obwohl ein erster Laserimpuls eine Schicht 54 aus einer Legierung 26 aus dem ersten Metall 20 und dem zweiten Metall 22 erzeugen kann, kann ein überlappender Laserimpuls nachträglich die Legierungsschicht treffen. Da die Legierung einen viel niedrigeren Reflexionsgrad als das zweite Metall 22 besitzt, absorbiert die Legierung mehr Energie als erwünscht, wobei sich ein übermäßig geschmolzener Bereich 29 bildet, der eine Legierung erzeugt, die sich von der Legierung 26 unterscheidet und möglicherweise nahezu durch das Element 30 schneidet.
Wie in 1 gezeigt ist, liegt der optimale Wellenlängenbereich für Gold und Eisen, Nickel oder Titan dort, wo sich die Kurven 14, 16 und 18 einander annähern (im Wesentlichen überlappen), also bei Wellenlängen, die kleiner als etwa 0,55 μm oder größer als etwa 3 μm sind. Da der Reflexionsgrad oberhalb von 3 μm hoch ist, wird die Verwendung von Wellenlängen über 3 μm ineffizienter, da im Vergleich zu dem, was vom Laser emittiert wird, ein sehr geringer Teil der Energie durch die Metalle absorbiert wird. Bei Wellenlängen unter 0,4 μm nähert sich die Wellenlänge dem Ultraviolettband, das beim Erwärmen von Metall weniger effizient ist. Somit umfasst ein bevorzugter Wellenlängenbereich für Gold und rostfreien Stahl oder Nitinol Wellenlängen zwischen etwa 0,40 μm und etwa 0,55 μm. Ein handelsüblicher frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser liefert eine Wellenlänge von 0,532 μm und ist daher ideal für das Liefern der Bearbeitungswellenlängen. Andere Nd-Laser (die nicht auf YAG basieren) wie etwa ein Nd:YLF-Laser bei verdoppelter Frequenz oder ein Metalldampflaser können ebenfalls eine Wellenlänge in diesem Bereich liefern. Obwohl ein CO²-Laser wegen der Fähigkeit, Energie in dem 10-μm-Bereich, wo die Rückstrahlungskurven nur sehr geringe Unterschiede zueinander aufweisen, bereitzustellen, für das Verschweißen von Gold mit anderen Metallen verwendet werden kann, besitzen CO²-Laser typischerweise nicht die gleichen Kurzimpulseigenschaften wie YAG-Laser. Kurzimpulse sind zum Schweißen von Gegenständen mit einer geringen Masse wie etwa Stent-Materialien wünschenswert.
Insbesondere, wie in den 6–10 gezeigt ist, kann ein erstes Metall 20 ein Element 30 eines Stents wie etwa des in 6 gezeigten exemplarischen Stents 31, der für das endoluminale Einsetzen geeignet ist, sein. Das zweite Metall 22 kann eine radiopake Markierung 32 mit einem größeren oder kleineren fluoroskopischen Reflexionsgrad als das erste Metall 20 wie etwa Gold auf rostfreiem Stahl oder Nitinol sein. Wie in 7 gezeigt ist, kann das Verfahren ferner das Bilden von Pit-Löchern 34 in dem Stent-Element 30 aus dem ersten Metall und danach das Befüllen der Pit-Löcher mit dem zweiten Metall 22 umfassen. Optional kann eine zusätzliche Schicht 33 aus dem zweiten Metall 22 über dem Stent-Element 30 aus dem ersten Metall hinzugefügt und die Pit-Löcher 30 mit dem zweiten Metall befüllt werden.
Wie in 8 gezeigt ist, kann das Verfahren ferner das Befestigen des zweiten Metalls 22 an dem Stent-Element 30 umfassen, um eine radiopake Markierung 32 mit einem Muster zu erzeugen, das eine ununterbrochene Linie 40 längs des Stent-Elements, eine unterbrochene Linie 42 längs des Stent-Elements, ein Punktmuster 44 längs des Stent-Elements oder irgendeine Kombination hiervon umfasst, wie in 8 gezeigt ist. Das Muster aus Linien oder Strichen kann so angeordnet sein, dass, falls erwünscht, eine Führung in Form eines Lineals geschaffen wird. Wie in 9 in einem Querschnitt gezeigt ist, kann die radiopake Markierung 32 ein zweites Metall 22, das über die gesamte Umfangsoberfläche 46 oder, wie in 10 gezeigt, nur über einen Abschnitt 48 der Umfangsoberfläche an dem Stent-Element 30 befestigt ist, umfassen. Insbesondere kann die radiopake Markierung 32 ein zweites Metall 22 umfassen, das nur auf der nach außen weisenden Seite 48 an dem Stent-Element 30 befestigt ist, wobei die nach innen weisende Seite 50 unbedeckt belassen ist. Das Stent-Element 30 kann ein Drahtelement wie etwa jenes, das in 9 gezeigt ist, ein durch Laser zugeschnittenes rohrförmiges Element wie etwa jenes, das in 10 gezeigt ist, oder irgendein im Fachbereich bekannter Typ von Metallelement sein.
Zum Verbinden der zwei Metalle kann beispielsweise ein Golddraht in der Nachbarschaft des Drahts oder Elements aus rostfreiem Stahl oder Nitinol platziert werden und der Laser auf den Draht fokussiert werden. Die Impulse des Lasers verschmelzen dann die Drähte miteinander. Wenn der Golddraht im Vergleich zu dem anderen Metalldraht relativ dünn ist, kann das Gold nur an der oberen Oberfläche, wo der Draht platziert worden ist, gut an dem anderen Draht haften. Golddrähte anderer Größe können schmelzen und das Element aus Nitinol oder rostfreiem Stahl vollkommen einhüllen.
Die durch das hier beschriebene Laserschweißverfahren erzeugten Stents sind durch eine gute Haftung des Goldes an dem darunter liegenden Metall in Form eines geschweißten, plattierten oder durch Laser legierten Bereichs gekennzeichnet. Ein solcher durch Laserverbinden erzeugter geschweißter, plattierter oder legierter Bereich unterscheidet sich von entsprechenden durch Elektronenschweißen erzeugten Strukturen. Dieser Unterschied ist ein Ergebnis des Energieabsorptionsprozesses. Die Absorption von Laserstrahlung erfolgt im Wesentlichen in den ersten hundert Nanometern der Metalloberfläche. Der Elektronenstrahl wird in einer relativ dicken Schicht S (μm) absorbiert, die gegeben ist durch:
wobei U_B die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls in Volt ist und ρ die Dichte des Materials in g/cm³ ist. Für die meisten Metalle kommt dies einer Absorptionsschicht von etwa 10 bis 50 μm gleicht. Metall unter der Absorptionsschicht wird durch Leitung erwärmt. Daher erreicht bei einem Verfahren, das das Schmelzen erfordert, die gesamte Absorptionsschicht den Schmelzpunkt. Für eine Stent-Verstrebung, die typischerweise nur 100 μm tief ist, repräsentiert die Absorptionsschicht einen großen Teil der Gesamttiefe. Bei einem Laserverfahren, bei dem die Laserenergie auf die Oberfläche des Metalls auftrifft und die Energiemenge über die Laserintensität gesteuert werden kann, kann jedoch die Schmelztiefe genauer als beim Elektronenstrahlschweißen gewählt werden. Folglich können im Allgemeinen durch ein Elektronenstrahlverfahren geschweißte, plattierte oder legierte Strukturen größere geschmolzene und durch Wärme beeinflusste Zonen umfassen als bei einem Laserverfahren, vor allem bei kleinen Strukturen wie etwa Stents oder Drähten mit kleinem Durchmesser.
Wie in 6 gezeigt ist, kann die Erfindung auch einen Stent 31 umfassen, der für das endoluminale Einsetzen in ein Körperlumen (nicht gezeigt) geeignet ist. Der Stent umfasst eines oder mehrere Elemente 30 aus einem ersten Metall, wovon jedes ein erstes Metall 20 umfasst, und eine radiopake Markierung 32, die ein zweites Metall 22 umfasst und an einem oder mehreren Abschnitten des wenigstens einen Elements befestigt ist. Das zweite Metall 22 kann mit dem ersten Metall 20 als Schweißnaht 50, wie in 2B gezeigt ist, als Plattierungsschicht 52 aus dem zweiten Metall auf dem ersten Metall, wie in 3 gezeigt ist, als Legierungsschicht 54, wie in 4 gezeigt ist, oder in einer Kombination hiervon durch Laser verbunden sein.
Die sich ergebenden laserbearbeiteten Goldabschnitte (oder Abschnitte aus einem anderen Metall) des Stents (oder eines anderen Objekts) können dank der starken Bindung, die durch die Legierung (entweder als Legierungsschicht 54, wie in 4 gezeigt ist, als Schweißnaht 50, wie in 2B gezeigt ist, oder als Schicht zwischen der Plattierungsschicht 52 und dem unterstützenden Metall 20, wie in 3 gezeigt ist) geschaffen ist, poliert werden. Die Verbindung verhindert außerdem eine Verschiebung des Markierungsbandes längs des Stent-Drahts, wie sie bei früheren Hyporohr-Markierungsbändern, die auf Stent-Drähte geschoben werden, eintreten kann. Das Verfahren dieser Erfindung ermöglicht die Verwendung des Laserverbindens, das weniger laborintensiv ist als Verfahren der physischen Anbringung, und ermöglicht das Befestigen der Markierungsbänder an dem fertig gestellten Stent, anstatt ein Schieben des Hyporohrs auf den Draht während der Fertigung zu erfordern. Das Gold kann in einer dünnen Oberflächenschicht, die die mechanischen Eigenschaften der Masse nicht beeinträchtigt, auf das andere Metall legiert oder plattiert werden.
BEISPIEL
Das folgende Beispiel ist aufgenommen, um die Gesamtkonzeption der Erfindung zu demonstrieren. Dieses Beispiel soll die Erfindung veranschaulichen und keinesfalls beschränken.
Die folgende Tabelle gibt die thermophysikalischen Werte und die Werte des Emissionsvermögens für Gold und Eisen (nahezu gleich jenen für rostfreien Stahl) an:
TABELLE 1
Bei Verwendung der hier angeführten Formel 3 und der unten angegebenen Laserparameter ergibt der folgende geschätzte Temperaturanstieg zu einer Zeit von 0,1 Sekunden:
TABELLE 2
Wie oben gezeigt ist, ist der Temperaturanstieg für Eisen bei der 1064-nm-Wellenlänge um mehr als 70-mal größer als jener für Gold. Folglich können große Probleme infolge der Überhitzung des Eisens entstehen, wenn Gold und Eisen bei dieser Wellenlänge laserbearbeitet werden. Bei der 532-nm-Laserwellenlänge ist der Unterschied im Temperaturanstieg zwischen den zwei Metallen viel kleiner, da das Eisen einen Temperaturanstieg erfährt, der gegenüber Gold nur etwas mehr als das Zweifache beträgt. Daher ist die Laserbearbeitung der zwei Materialien bei der 532-nm-Laserwellenlänge in Übereinstimmung mit dieser Erfindung stark erleichtert.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezifischer Ausführungsformen von ihr beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf begrenzt. Daher sollen die folgenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie nicht nur die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen, sondern auch alle ihre Abänderungen und Abwandlungen, die die wesentlichen Lehren davon verkörpern, umfassen.

Claims

Verfahren zum Laserverbinden eines ersten Metalls (20), das eine erste Rückstrahlungskurve als Funktion der Wellenlänge besitzt, mit einem zweiten Metall (22), das eine zweite Rückstrahlungskurve als Funktion der Wellenlänge besitzt, wobei das erste Metall (20) ein Element (30) eines Stents (31) umfasst, der für eine endoluminale Entfaltung geeignet ist, und das zweite Metall (22) eine radiopake Markierung (32) in Bezug auf das erste Metall (20) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen des ersten Metalls (20) in Kontakt mit dem zweiten Metall (22) und Belichten des ersten Metalls (20) und/oder des zweiten Metalls (22) mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die aus einem optimalen Bereich von Wellenlängen ausgewählt ist, der kleiner ist als etwa 0,55 μm oder größer ist als etwa 3 μm und über dem die erste Rückstrahlungskurve und die zweite Rückstrahlungskurve im Wesentlichen überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Metall (22) Gold umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Metall (20) eines der Folgenden umfasst: Nickel, Titan, Eisen oder eine Legierung hiervon.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Legierung eines der Folgenden umfasst: Nitinol oder rostfreier Stahl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem der optimale Wellenlängenbereich aus Wellenlängen im Bereich von etwa 0,40 μm bis etwa 0,55 μm besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die ausgewählte Wellenlänge etwa 0,532 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem der Laserstrahl durch einen YAG-Laser erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der YAG-Laser einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem das erste Metall (20) außerhalb des optimalen Wellenlängenbereichs ein ausreichend geringeres Reflexionsvermögen als das zweite Metall (22) besitzt, so dass die Laserbearbeitung bei einer Wellenlänge außerhalb des optimalen Bereichs das erste Metall einer der folgenden Gefahren aussetzt: übermäßiges Schmelzen, Verdampfen oder Schneiden durch das erste metallische Element.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, das ferner das Befestigen des zweiten Metalls mit der radiopaken Markierung an dem ersten Metall mit dem Stent-Element in einem Muster umfasst, welches Folgendes umfasst: eine ununterbrochene Linie längs des Stent-Elements, eine unterbrochene Linie längs des Stent-Elements, ein Punktmuster längs des Stent-Elements oder eine Kombination hiervon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, das ferner erst das Erzeugen von Pit-Löchern (34) in dem Stent-Element aus dem ersten Metall und dann das Befüllen der Pit-Löcher (34) mit dem zweiten Metall (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Hinzufügen einer zusätzlichen Schicht (33) des zweiten Metalls (22) auf dem Stent-Element aus dem ersten Metall und auf den mit dem zweiten Metall (22) befüllten Pit-Löchern (34) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem das Stent-Element (30) eine Umfangsoberfläche besitzt, wobei das Verfahren ferner das Befestigen des zweiten Metalls mit der radiopaken Markierung an dem ersten Element des Stent-Elements wenigstens über einem Abschnitt der Umfangsoberfläche des Elements (30) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Befestigen des zweiten Metalls der radiopaken Markierung am ersten Metall des Stent-Elements über der gesamten Umfangsoberfläche des Elements umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14, bei dem das Stent-Element (30) eine nach außen weisende Seite und eine nach innen weisende Seite umfasst, wobei das Verfahren das Befestigen des zweiten Metalls mit der radiopaken Markierung an dem Element aus dem ersten Metall nur auf der nach außen weisenden Seite umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15, bei dem der Schritt des Belichtens des ersten Metalls (20) und/oder des zweiten Metalls (22) mit einem Laserstrahl das Schweißen des zweiten Metalls (20) an das erste Metall (22) umfasst.
Verfahren nach einem der Anspruche 1–16, bei dem der Schritt des Belichtens des ersten Metalls (20) und/oder des zweiten Metalls (22) mit einem Laserstrahl das Plattieren des zweiten Metalls (22) auf das erste Metall (20) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, bei dem der Schritt des Belichtens des ersten Metalls (20) und/oder des zweiten Metalls (22) mit einem Laserstrahl das Legieren des zweiten Metalls (22) und des ersten Metalls (20) über dem ersten Metall (20) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18, bei dem der Schritt des Anordnens des ersten Metalls (20) in Kontakt mit dem zweiten Metall (22) das Anordnen eines Drahts aus dem ersten Metall (20) in Kontakt mit einem Draht aus dem zweiten Metall (22) umfasst.