DE4324185A1 - Electrode for electromedical applications - Google Patents

Electrode for electromedical applications

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    • A61N1/056—Transvascular endocardial electrode systems
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Abstract

The functional electrode member of stimulating electrodes, in particular for pacemakers or the like, is frequently made of titanium and a porous layer of titanium nitride. In this connexion, it is endeavoured to increase the active surface area as much as possible. This is effected, according to the invention, in that the surface of the functional electrode member (10, 20) has structures (11, 12; 21) introduced into the functional electrode member (10, 20) before coating with the porous material (15, 25). Such structures (11, 12; 21) are microstructures and are preferably produced by laser processing. <IMAGE>

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.The invention relates to an electrode for electro medical applications, especially an implantable Stimulus electrode, with a metallic electrode function part, the functional surfaces with a porous layer made of highly conductive and biocompatible material are.

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.In particular implantable electrodes for cardiac pace Doers have to make demands for high body tolerance small size, good electrical Conductivity and a high double layer capacity the electrode / body fluid interface, because with possible during the stimulus impulse with impressed current As little potential changes occur, the energy is low and electrochemical reactions stay. The electrodes should also have a macro Have geometry that is easy to position, Fixing and waxing the electrode functional part possible.

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.Electrodes of the type mentioned are for example from the US-PS 41 56 429 and US-PS 45 02 492 known. The latter electrode in particular has in its functional part a barbed shape for fixation to the heart muscle kel. The tip has a macroscopic profile and is coated with platinum black.

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.Furthermore, from US-PS 42 81 669 a heart step maker or stimulus electrode known from you  metal substrate and a porous thereon There is a metal layer. The metal layer settles composed of metal particles at their point of contact ten are connected to each other and to the substrate, so that a network of interconnected Pores is formed. Metal substrate and metal layer can NEN for example made of titanium.

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.It has been shown that the increasing trend towards station wagons nation of different measures within one elec Trodensystems for miniaturization, so that simple Solid state electrodes no longer meet the requirements len. In the latter context, electrodes have been removed activated glassy carbon or metal electrodes with especially proven titanium nitride layers. Especially from EP-PS 0 115 778 is an electrode of the beginning called known type in which the electrode functional part consists of electrically conductive carrier material and in active area a porous layer of a carbide, Nitride or carbonitride of at least one of the metals Titanium, vanadium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium, tan Tal or tungsten. The porous layer a layer thickness between 1 and 100 microns.

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.Since the active surface on the electrode functional part is as possible has also been suggested by Sintering of spherical metal powders before loading layering with porous titanium nitride a further increase to reach area. The technique for applying derar tiger metal balls of about 100 microns in diameter is ever expensive. Especially in manufacturing technology there are dimensional, yield and reliability problems on. In addition, for procedural reasons  of the subsequent coating no longer the entire upper surface of the sintered beads are coated, but only the surface facing the material source 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.The object of the invention is therefore an electrode for to create electromedical applications in which the Disadvantages of macroscopic surface enlargement do not occur on the electrode functional part.

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.The object is achieved in that the Surface of the electrode functional part structures points that in the electrode functional part before loading Layering with the porous material are introduced. The structures are microstructures at a distance of approx. 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.The electrode constructed according to the invention therefore uses one new path to macroscopic surface enlargement before coating. If the electrode functional part with a pacemaker electrode essentially one forms hemispherical electrode head, the structure ture concentric or spiral on the electrodes be arranged head or meandering on the Elek Tread head back and forth. If the electrode radio tion part with a reference electrode the heart step Macherelektrode forms a ring cylinder, the Structures ring or spiral around the ring cylinder the circulate. The structures form in cross-section Trenches, the depth of which is roughly the width on the base side correspond.

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.The above structures can be advantageously carried out  Generate laser processing. Such a process is quick, can be automated and does not pose any binding problems at borders surfaces like the well-known sintering process, since now the parts still standing between the trenches Remain part of the solid-state electrode. Alternatively, you can the structures on the electrode functional part chemical etching using a masking technique become.

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.The coating structured according to the above procedure Electrodes provided by an additional porosity increase in the coating on the inclined surfaces higher boundary layer capacitance values than the known ones Electrodes. As materials come as in the state of the Technology for the metallic electrode functional part for example titanium in question, that with titanium nitride as porous Layer is combined. But it is also a combination of titanium nitride based on platinum-iridium alloys metal possible or others from the prior art already proposed combinations of materials.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigenFurther details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures of Ausfü Example with reference to the drawing in connection with further patent claims. Show it

Fig. 1 das Funktionsteil einer Herzschrittmacherelektrode im Halbschnitt, Fig. 1, the functional part of a pacemaker electrode in half-section,

Fig. 2 und 3 Ansichten von Funktionsteilen gemäß Fig. 1 mit unterschiedlichen Strukturen, Fig. 2 and 3 are views of functional parts in FIG. 1 with different structures,

Fig. 4 das Funktionsteil einer Referenzelektrode im Halb­ schnitt und Fig. 4 shows the functional part of a reference electrode in half and

Fig. 5 schematisch die Ausbildung der Strukturen. Fig. 5 shows schematically the formation of the structures.

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, 1 denotes a helical lead of a partially cut pacemaker electrode and 5 a plastic insulation. The only indicated electrode has a metallic functional part 10 , which generally consists of titanium. As is well known, the functional surfaces are coated with a porous, highly conductive and biocompatible material, such as titanium nitride. Such a coating is indicated in FIG. 1 by reference number 15 .

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. 1, the surface of the electrode functional part has 10 microstructures which are introduced into the functional part 10 before coating with the porous material. For example, the structures run as concentric trenches 11 on the functional part 10 , which is designed essentially as a hemisphere-shaped electrode head, as is indicated in FIG. 2. As an alternative to this, they can also be designed as back-and-forth meandering trenches 12 , as shown in FIG. 3. Finally, a spiral arrangement of such trenches 11 and 12 is also possible.

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. 4, two coaxial, helical leads with 1 and 2 and associated insulation with 5 and 6 respectively, the lead 1 to the (not shown) pacemaker electrode according to FIG. 1 and the lead 2 to a reference electrode. The reference electrode has an approximately tubular electrode functional part 20 , on the outer cylinder jacket micro structures are alternatively arranged as annular or spiral trenches 21 . A coating of the functional surfaces is indicated in Fig. 4 with the reference numeral 25 .

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.In Fig. 5, the base material of an electrode function is partially denoted by B. Trenches are incorporated into this base material, which ideally can be rectangular. In practical cases, the trenches 11 , 12 and 21 of FIGS. 1 to 4 will be approximately wavy. It is essential that the trenches have substantially the same depth t as the width d at the base, which lies between the dimensions d 1 and d 2 shown in FIG . The porous layer S is applied in a known manner to the functional surfaces of the base material 13 provided with trenches.

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.The manufacture of the structures can be done in a simple manner done by laser machining. This technology net through a fast and automatable through feasibility. It can be integrated in a th production by a single or multiple ar working cycle immediately before coating with the laser reproducible structures at a distance of, for example Generate 100 µm. It could be shown in detail that the depth of that generated by laser machining Ditches increase directly with the number of work cycles. The subsequent coating takes place, for example by known CVD processes. Through the previous one Laser processing advantageously results a "cauliflower" -like surface structure in the Coating, with which the active surface of the layer ver is enlarged. The fine structure of the porous layer is but essentially compared to the known electrodes remained unchanged.

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.In addition to laser processing, other methods are also available Structuring possible. For example, come here  chemical etching with masking areas, which are defined by par tial removal of cover layers were generated in Question.

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.Titanium for the metallic electrode functional part and titanium nitride for the porous and biocompatible coating are advantageously used as the material for the electrodes described with reference to FIGS. 1 to 5. This combination of materials has proven itself in practice. However, other known metal combinations, in particular platinum-iridium, as electrode base material are also possible for the same purpose.

Durch experimentelle Untersuchungen konnte bestätigt wer­ den, daß mit den beschriebenen Elektroden deutlich höhere Grenzschichtkapazitätswerte erreicht werden als beim Stand der Technik.Experimental investigations have confirmed who that with the electrodes described much higher Boundary layer capacity values are reached than at the stand of the technique.

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.1. electrode for electromedical applications, in particular special pacemaker electrode with a metallic electrode functional part, the functional surfaces of which are provided with a porous layer of highly conductive and biocompatible material, characterized in that the surface of the electrode functional part ( 10 , 20 ) structures ( 11 , 12 , 21 ), which are introduced into the electrode functional part ( 10 , 20 ) before the coating with the porous material. 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturen (11, 12, 21) Mikrostrukturen im Abstand von ca. 100 µm sind.2. Electrode according to claim 1, characterized in that the structures ( 11 , 12 , 21 ) are microstructures at a distance of about 100 microns. 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.3. Electrode according to claim 2, characterized in that the electrode functional part forms a substantially hemispherical electrode head ( 10 ) on which the structures ( 11 ) are arranged concentrically or spirally or on which the structures ( 12 ) meandering towards and run. 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.4. Electrode according to claim 2, characterized in that the electrode functional part forms an annular cylinder ( 20 ) on which the structures ( 21 ) circulate in a ring or spiral. 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. 5. Electrode according to claim 3 or claim 4, characterized in that the structures ( 11 , 12 ; 21 ) in cross-section form trenches ( 31 ) whose depth (t) corresponds approximately to the width (d) on the base side. 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.6. Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity of the layer ( 15 , 25 ) is increased by the coating on the inclined surfaces of the structures ( 11 , 12 , 21 ) on the electrode functional part ( 10 , 20 ). 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.7. Electrode according to claim 1, characterized in that the electrode functional part ( 10 , 20 ) made of titanium (Ti) and the porous layer ( 15 , 25 ) made of titanium nitride (TiN). 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.8. Electrode according to claim 1, characterized in that the electrode functional part ( 10 , 20 ) made of a platinum-iridium (PtIr) alloy and the porous layer ( 15 , 25 ) made of titanium nitride (TiN) be. 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.9. Electrode according to one of claims 1 to 8, characterized in that the structures ( 11 , 12 ; 21 ) on the electrode functional part ( 10 , 20 ) are generated by laser processing. 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.10. Electrode according to one of claims 1 to 8, characterized in that the structures ( 11 , 12 ; 21 ) on the electrode functional part ( 10 , 20 ) are produced by chemical etching using a masking technique.
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