Radiopake Polymerformulierungen für Medizinprodukte

Polymere, die zur Herstellung von Kathetern und anderen Geräten verwendet werden, die für diagnostische oder interventionelle Verfahren in den Körper eingeführt werden, werden üblicherweise mit röntgenundurchsichtigen Substanzen gefüllt, wodurch die Geräte unter Fluoroskopie oder Röntgenbildgebung sichtbar werden. Diese Füllstoffe oder Radiopazifikatoren—typischerweise dichte Metallpulver—beeinflussen die Energieabschwächung von Photonen in einem Röntgenstrahl beim Durchgang durch Materie und reduzieren die Intensität der Photonen, indem sie sie absorbieren oder ablenken., Da diese Materialien einen höheren Dämpfungskoeffizienten aufweisen als Weichgewebe oder Knochen, erscheinen sie auf einem Fluoroskop oder Röntgenfilm leichter. Diese Sichtbarkeit liefert den Kontrast, der benötigt wird, um das Gerät genau im betroffenen Bereich zu positionieren. Bildkontrast und-schärfe können je nach Art und Menge des verwendeten Radiopazifikators variiert und auf die spezifische Anwendung des Geräts zugeschnitten werden.,

Zum Beispiel erfordert ein Gerät, das für die Verwendung in der Nähe der Hautoberfläche ausgelegt ist, weniger strahlenundurchlässigen Füllstoff, um das erforderliche Dämpfungsniveau im Vergleich zu dem im koronargefäß verwendeten zu erreichen. Auch das Gerätedesign spielt eine Rolle: Für dünnwandige Katheterrohre wird beispielsweise eine höhere Belastung durch strahlenundurchlässiges Material benötigt als für Produkte mit dickeren Wänden. Im Allgemeinen sollten Verbindungen nur die Menge an Additiven enthalten, die für die Anwendung unbedingt erforderlich ist, da eine Überlastung zum Verlust der mechanischen Eigenschaften des Polymers führen kann., Das Zusammenmischen mehrerer strahlenundurchlässiger Materialien kann zu besseren Ergebnissen führen als die Verwendung nur eines Typs in einer Formulierung.

Zu den am häufigsten verwendeten Radiopazifikatoren für medizinische Geräte gehören Bariumsulfat, Wismutverbindungen und Wolframmetalle, die ausgezeichnete Röntgenabsorber sind. Die Auswahl der richtigen Füllstoffe in der richtigen Menge erfordert ein gründliches Verständnis der Dämpfung und der Auswirkungen verschiedener strahlenundurchlässiger Verbindungen. Dieser Artikel beschreibt die radiopaken Füllstoffe, die üblicherweise mit thermoplastischen Polymeren in medizinischer Qualität verwendet werden, und die Faktoren, die an ihrer Auswahl beteiligt sind.,

RÖNTGENSTRAHLEN VERSTEHEN

Tabelle I. (zum Vergrößern anklicken) Das elektromagnetische Spektrum
(1 Å = 10-10 m).

Röntgenstrahlen sind eine Form der Strahlung, die Teil des elektromagnetischen Spektrums ist und aus Energiewellen unterschiedlicher Frequenz und Länge besteht. Diese Wellen, die durch die Schwingung oder Beschleunigung einer elektrischen Ladung innerhalb eines Magnetfeldes erzeugt werden, reichen von solchen mit sehr hohen Frequenzen und kurzen Wellenlängen bis zu solchen mit sehr niedrigen Frequenzen und langen Wellenlängen (Tabelle I).,

Diagnostische Röntgenstrahlen fallen nahe dem kürzeren Wellenlängenende des Spektrums und messen zwischen 1 Å-etwa 4 Milliardstel Zoll lang-und 0,1 Å. Röntgenstrahlen werden aus der Umwandlung von Energie erzeugt, die entsteht, wenn sich schnell bewegende Elektronen aus dem Filament einer Röntgenröhre mit einer Wolframanode oder einem Ziel interagieren. Die kinetische Energie der Elektronen nimmt zu, wenn die Spannung, ausgedrückt als Peak Kilovolt (kVp), erhöht wird. Die Intensität eines Röntgenstrahls wird durch die Anzahl der Photonen im Strahl und die Energie der Photonen bestimmt, die als Kiloelektronenvolt (keV) ausgedrückt wird.,

Tabelle II. (zum vergrößern klicken) Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Energie.

Röntgenstrahlen mit kürzerer Wellenlänge weisen eine größere Energie und Durchdringungskraft auf als längere (Tabelle II). Zum Beispiel entspricht 0,1 Å etwa 124 keV Energie, während 1,24 Å nur 10 keV entspricht. Eine Spannung von 100 kVp—die Standardbewertung älterer Röntgengeräte – hat nicht alle Photonen bei 100 keV. Typischerweise erzeugt 100 kVp

Energie Dämpfung bezieht sich sowohl auf die Menge und die Qualität der Photonen in einem Strahl., Eine Erhöhung der Energie erhöht die Anzahl der übertragenen Photonen und verringert im Allgemeinen den Dämpfungsgrad. Die genaue Art der Strahlung beeinflusst die Dämpfung ebenso wie die Dichte, Ordnungszahl und Elektronen pro Gramm des absorbierenden oder strahlenundurchlässigen Materials. Ein Anstieg eines dieser Faktoren verringert die Anzahl der übertragenen Photonen und erhöht somit die Dämpfung.

In einem Röntgenstrahl sind sowohl die übertragenen als auch die gedämpften Photonen wichtig, um ein genaues Bild zu erzeugen., Verschiedene Arten von Geweben dämpfen die Energie unterschiedlich, was für Kontrast im Röntgenbild sorgt. Ein dichtes Element wie Barium mit einer Ordnungszahl von 56 hat einen höheren Dämpfungskoeffizienten und absorbiert Röntgenstrahlen besser als Materie, die weniger dicht ist. Je höher der Dämpfungskoeffizient ist, desto geringer ist die Anzahl der übertragenen Photonen. Die Dichte, die direkt proportional zur Dämpfung ist, bestimmt die Anzahl der Elektronen, die in einer gegebenen Materialdicke vorhanden sind, und damit die Photonenstoppleistung., Dichtere Materialien erscheinen als leichtere Bilder auf einem Röntgenfilm oder einem Fluoroskop, das ein bewegtes Bild anzeigt, wenn ein Strahl eindringender Strahlung durch den Körper auf einen Bildschirm übertragen wird.

Unterschiede zwischen der Dämpfung von Knochen und Weichgewebe bei Niedrigenergiestrahlung entstehen durch Unterschiede in der Anzahl der photoelektrischen Reaktionen, die die Bildung und Freisetzung von Elektronen während elektromagnetischer Strahlung beinhalten. Das Kalzium im Knochen hat eine höhere Ordnungszahl als das des umgebenden Gewebes, was zu mehr Reaktionen und erhöhter Dämpfung führt., Bei höheren Energieniveaus hängen jedoch Schwankungen der Dämpfung mehr von Wechselwirkungen ab, die als Compton-Streuungen bekannt sind, bei denen es sich um Wellenlängenänderungen handelt, die auftreten, wenn die Wellen gestreut werden.

Wie bereits erwähnt, nimmt die Röntgenübertragung im Allgemeinen zu und die Dämpfung nimmt ab, wenn die Strahlungsenergie eines Strahls erhöht wird. Dies gilt jedoch nicht für hochatomare Absorber wie beispielsweise Jod (Ordnungszahl 53)., Die Transmission kann mit erhöhter Strahlenergie abnehmen, da die Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Reaktion auftritt, wenn sich die Energie der Bindungsenergie eines Elektrons mit Innenhülle nähert. Ein Photon benötigt eine minimale Menge an Energie-mehr als die Bindungsenergie des Elektrons -, um ein Elektron auszuwerfen. Hochenergetische Photonen werden daher weniger wahrscheinlich übertragen als niederenergetische Photonen.

Tabelle III. (zum Vergrößern anklicken) Ordnungszahlen und K-Kanten von Elementen, die in der diagnostischen Radiologie verwendet werden.,

Für einige Elemente ist eine wichtige Eigenschaft für die diagnostische Radiologie die K-Shell-Bindungsenergie, die als K-edge bekannt ist (Tabelle III). Zum Beispiel wird eine Röntgenaufnahme von 33 keV kein Elektron aus der K-Schale von Jod auswerfen, die eine K-Kante von 33,2 keV hat. Eine photoelektrische Reaktion hat eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sie auftritt, wenn die Photonenenergie und die Elektronenbindungsenergie fast gleich sind: Das heißt, ein 30-keV-Photon reagiert eher mit dem K-Shell-Elektron von Jod als ein 100-keV-Photon., Da Elektronen, die in ihren Bahnen eng gebunden sind, höchstwahrscheinlich an photoelektrischen Reaktionen beteiligt sind, sollte die K-Kante des Absorbers nahe der Energie des Röntgenstrahls liegen, um eine maximale Röntgenabsorption zu gewährleisten.

Polychromatische Strahlung, die Photonen unterschiedlicher Energien enthält, ist in Bezug auf die Dämpfung komplexer als monochromatische Strahlung. Sowohl die Quantität als auch die Qualität der Photonen in einem polychromatischen Strahl ändern sich, wenn sie einen Absorber passieren., Die Spitzen-Kilovolt eines polychromatischen Strahls bestimmt die mittlere Energie, die zwischen 1/3 und 1/2 der Spitze fällt, so dass ein 100-kVp-Strahl eine mittlere Energie von etwa 40 kV hat. Bei einem 100-kVp-Röntgengerät ist Barium mit einer K-Kante von 37,4 keV ein ausgezeichneter Absorber. Wenn die mittlere Energie signifikant ansteigt, wird Wolfram mit einer K-Kante von 69,5 eine bessere Wahl als strahlenundurchlässiges Material.

GEMEINSAME RADIOPAZIFIKATOREN

Bariumsulfat., Bariumsulfat (BaSO4) war das erste röntgendichte Material, das in medizinischen Formulierungen weit verbreitet war, und ist der häufigste Füllstoff, der mit medizinischen Polymeren verwendet wird. (Patienten werden oft gebeten, eine Lösung von Bariumsulfat vor einer Untersuchung ihres Verdauungstraktes zu schlucken.) Es ist ein preiswertes Material, das ungefähr $2/lb kostet; seine weiße Farbe kann mit dem Zusatz von Farbstoffen geändert werden.

Bei einem spezifischen Gewicht von 4,5 wird Bariumsulfat im Allgemeinen bei Beladungen von 20 bis 40 Gew. – % verwendet., Während eine 20% ige Bariumsulfatverbindung typisch für allgemeine medizinische Geräteanwendungen ist, bevorzugen einige Praktizierende ein höheres Maß an Strahlenbelastung, als durch diese Belastung bereitgestellt werden kann. Bei gestreiften Schläuchen ist beispielsweise eine 40% ige Verbindung Standard.

Tabelle IV. (zum Vergrößern anklicken) Wirkung der Füllstoffdichte auf Volumenprozent (BaSO4 = Bariumsulfat, Bi2O3 = Wismuttrioxid, W = Wolfram).

Eine Belastung von 20% Bariumsulfat nach Gewicht entspricht etwa 5.,8 Vol. -%; 40 Gew. – % entspricht 14 Vol. – % (Tabelle IV). Wenn sich der Bariumgehalt über etwa 20 Vol. – % hinaus bewegt, zeigen Verbindungen Verluste der Zugfestigkeit des Basispolymers und anderer mechanischer Eigenschaften. Es ist daher am besten, Radiopazifikatoren für jede Anwendung auf dem Mindestniveau zu formulieren; Eine übermäßige Verwendung dieser Füllstoffe wird nicht empfohlen.

Wismut. Wesentlich teurer als Barium bei $ 20 bis $ 30 / lb (abhängig von dem chemischen Salz ausgewählt), Wismutverbindungen sind auch doppelt so dicht., Wismuttrioxid (Bi2O3), das gelb gefärbt ist, hat ein spezifisches Gewicht von 8,9; Wismutsubcarbonat (Bi2O2CO3) hat ein spezifisches Gewicht von 8,0; und Wismutoxychlorid (BiOCl) hat ein spezifisches Gewicht von 7,7. Aufgrund der Dichte enthält eine 40% ige Wismutverbindung nur etwa die Hälfte des Volumenverhältnisses als 40% ige Bariumsulfatverbindung. Da Wismut auf einem Röntgenfilm oder Fluoroskop ein helleres, schärferes und kontrastreicheres Bild erzeugt als Barium, wird es häufig verwendet, wenn eine hohe Strahlenkraft erforderlich ist.,

Im Vergleich zu Barium sind auch höhere Belastungen möglich: Selbst eine 60% ige Wismutverbindung kann die gleichen Basispolymer-mechanischen Eigenschaften wie eine 40% ige Bariumsulfatverbindung beibehalten. Eine Wismutbelastung von 20% nach Gewicht entspricht 3 Vol. -%; eine Beladung von 40 Gew. – % entspricht 7,6 vol. -%. Wismut ist compoundierungsempfindlich und muss vorsichtig behandelt werden, wobei für optimale Ergebnisse eine scherarme Mischung empfohlen wird. Aufgrund ihrer hohen Strahlenkapazität haben Wismutfüller an Popularität gewonnen.

Wolfram. Ein feines Metallpulver mit einem spezifischen Gewicht von 19.,35, Wolfram (W) ist mehr als doppelt so dicht wie Wismut und kann einen hohen Dämpfungskoeffizienten zu einem Preis von etwa $20/lb liefern. Eine Beladung von 60% Wolfram hat ungefähr das gleiche Volumenverhältnis wie eine 40% ige Wismutverbindung. Geräte können mit relativ geringen Wolframbelastungen hochradiopak gemacht werden, wodurch gute mechanische Eigenschaften aufrechterhalten werden können. Aufgrund seiner Dichte wird Wolfram typischerweise als Füllstoff für sehr dünnwandige Geräte ausgewählt.

Eine 50% ige Wolframbeladung entspricht nur 5,4 Vol. -%; eine 80% ige Beladung entspricht 18,5 vol. -%., Wolfram ist schwarz in der Farbe, die nicht mit Farbstoffen geändert werden kann. Es ist abrasiv und kann einen beschleunigten Verschleiß in Extrudern und anderen Verarbeitungsgeräten verursachen. Geräte, die mit hohen Wolframbelastungen gefüllt sind, weisen Oberflächenrauhigkeiten auf. Da das Material in Gegenwart von Sauerstoff und Wärme zur Oxidation einlädt und leicht entflammbar ist, ist beim Trocknen Vorsicht geboten. Mit Elastomeren vermischt sich Bariumsulfat besser als Wolfram – oder Wismutverbindungen.,

COMPOUNDIERUNGSÜBERLEGUNGEN

Neuere Röntgengeräte arbeiten im Allgemeinen mit höheren Energieniveaus als ältere-typischerweise mit 80 bis 125 kVp im Vergleich zu 60 bis 80 kVp für ältere Maschinen. Eine höhere Energiestrahlung erhöht die Übertragung von Photonen und kann eine höhere Strahlungsfähigkeit erfordern, um die gewünschte Dämpfung bereitzustellen. Daher erscheinen Geräte, die mit Bariumsulfatverbindungen hergestellt werden, auf neueren Maschinen möglicherweise nicht so hell, für die Wismutverbindungen eine bessere Wahl für strahlenundurchlässige Füllstoffe wären., Das Mischen dieser Materialien kann jedoch häufig die beste Lösung sein, insbesondere für Mehrzweckformulierungen, die über ein breites Spektrum von Energieniveaus verwendet werden. Eine Mischung aus Barium, das bei niedrigen Energieniveaus leicht gedämpft werden kann, und Wismut, das bei höheren Niveaus gedämpft wird, funktioniert oft gut.

Das Compoundieren von strahlenundurchlässigen Materialien ist ein komplexes Geschäft, an dem viele Faktoren beteiligt sind, die nicht nur den Dämpfungsgrad der Vorrichtung, sondern auch die Zugfestigkeit, Dehnung und andere mechanische Eigenschaften der Polymere beeinflussen können., Bei der Auswahl des richtigen Füllstoffs für die Anwendung, bei der Handhabung und Trocknung der Materialien und bei der Vermeidung übermäßiger Scherwärme während des Compoundierens ist darauf zu achten, dass das Polymer nicht abgebaut wird. Eine optimierte Füllstoffbeladung vermeidet entweder übermäßige oder unzureichende Mengen des strahlenundurchlässigen Materials in der Formulierung. Eine gründliche Kenntnis von Antioxidantien, Stabilisatoren und Farbstoffen ist auch bei der Arbeit mit metallischen Füllstoffen erforderlich.,

Es wurde gesagt, dass das Compoundieren der Zubereitung von Speisen ähnelt: Angesichts der gleichen Zutaten wird ein Meisterkoch eine bessere Mahlzeit zubereiten als ein Koch mit kurzer Bestellung. Aus vielen der gleichen Gründe können Produkte in der Qualität von einem Compoundierhaus zum anderen variieren.

SCHLUSSFOLGERUNG

Medizinische Geräte, die in der diagnostischen Radiologie verwendet werden, müssen auf Röntgenfilmen und Fluoroskopen gut sichtbar sein, damit Ärzte sie bei kritischen Eingriffen genau im Körper positionieren können., Die Art und Menge des strahlenundurchlässigen Füllstoffs, der bei der Herstellung dieser Vorrichtungen mit thermoplastischen Materialien zusammengesetzt ist, bestimmt, wie sie aussehen. Der Füllstoff beeinflusst den Kontrastgrad und die Schärfe des Bildes in dem Maße, wie er die Dämpfung von Röntgenstrahlen beeinflusst, die durch den Körper und das Gerät gehen.

Eine erfolgreiche Materialauswahl beginnt mit einem Verständnis von Röntgenenergie und Dämpfung., Die Wirksamkeit des Füllstoffs hängt mit dem Energieniveau des Röntgengeräts, der Wandstärke des Geräts, der Position im Körper, an der das Gerät verwendet wird, und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Polymers zusammen. Die beste Verbindung für eine bestimmte Anwendung ist oft eine Mischung aus strahlenundurchlässigen Füllstoffen—wie Bariumsulfat und Wismut-Verbindung -, die das gewünschte Maß an Dämpfung ohne die übermäßige Belastung bietet, die die mechanischen Eigenschaften des Polymers verschlechtern kann.

Tilak M. Shah ist Präsident der Polyzen Inc., (Cary, NC; http://www.polyzen.com), Entwickler und Hersteller von speziellen Einwegkomponenten und röntgendichten Formulierungen für OEMs der medizinischen Industrie. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in Polyurethan und radiopaken Polymeren, einschließlich der Entwicklung der ersten kommerziellen Familie von TPU-Harzen für biomedizinische Anwendungen. Polyzen bietet Tauchformen, Filmschweißen, spezielle Polymerformulierung und strahlenundurchlässige Compoundiertechnologie.

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