JP4948231B2

JP4948231B2 - バルーンカテーテル

Info

Publication number: JP4948231B2
Application number: JP2007090232A
Authority: JP
Inventors: 達行中谷; 圭司岡本; 修蔵山下
Original assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd; Japan Stent Technology Co Ltd
Current assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd; Japan Stent Technology Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008245883A

Description

本発明は、バルーンカテーテルに関し、特に、経皮的冠動脈形成術又は動脈内バルーンパンピング等に用いる耐摩耗性に優れたバルーン部分を有するバルーンカテーテルに関する。

血管等の狭窄を治療する方法として、先端にバルーンが設けられたカテーテルを血管内に挿入し、バルーンをふくらませることにより狭窄部位を押し広げるカテーテル治療がある。

例えば、経皮経管的血管形成術（ＰＴＡ）又は経皮経管的冠動脈形成術（ＰＴＣＡ）においては、カテーテルを大腿、肘、手首付近の血管から挿入して、病変部位まで導き、病変部位においてバルーンを膨張させることにより狭窄部位を押し広げる。

また、大動脈バルーンパンピング（ＩＡＢＰ）法は、心筋梗塞による心不全などの治療に広く用いられている。ＩＡＢＰにおいてバルーンカテーテルは大腿動脈から挿入され、その先端が左鎖骨下動脈分枝部直下の胸部下行大動脈に置かれる。胸部下行大動脈に置かれたバルーンカテーテルのバルーン内にポンプ装置により流体を導入又は導出することにより、バルーンの膨張及び収縮を行う。バルーンの拡張と収縮とは心電図に同期させ、心室の収縮期にバルーンを収縮させ、寝室の拡張期にバルーンを膨張させる。これにより、拡張期には冠動脈血流を増加させて虚血を軽くすることにより不全心臓を改善し、収縮期には後負荷を下げることにより左心室の負担を軽くする。なお、導入される流体は特に限定されないが、ポンプ装置の駆動に応じて素早くバルーンが拡張又は収縮するように、質量の小さいヘリウムガス等が用いられる。

バルーンの材質には、通常、ポリウレタン又はポリウレタンウレア等の各種ポリマー材料からなるフィルム（膜）が使用されている。一方、バルーンを挿入する大動脈には、血管内面にカルシウム等が沈着して石灰化した石灰化部分が存在するおそれがある。石灰化部分においてバルーンが削られると、最悪の場合には、バルーンが破損し、ヘリウムガスが漏出してしまう。このため、バルーンに耐摩耗性を付与することは非常に重要である。

バルーンの耐摩耗性を向上させる方法として、バルーンをダイヤモンド様薄膜（ＤＬＣ膜）により被覆する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００５−４０２７７号公報

しかしながら、ダイヤモンド様薄膜は平滑で摩擦係数が低い材料である。このため、前記従来のＤＬＣ膜により被覆されたバルーンは、膨張させた際に治療すべき病巣又は血管壁に対して長手方向に移動又はスリップする傾向を有する。このため、正確に病変部位を拡張させることが困難であるという問題を有している。

また、ダイヤモンド様薄膜とバルーン本体との密着性が悪く、ダイヤモンドコーティングがバルーン本体から剥離してしまうという問題がある。特に、バルーンは体内において拡張及び収縮を行う必要があるため、その形状が大きく変化する。このため、バルーン本体の表面に被覆したダイヤモンド様薄膜に大きな応力が加わり、ダイヤモンド様薄膜が剥離したり、クラックが生じたりするという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、ダイヤモンド様薄膜を備え且つスリップしにくく正確に病変部位を拡張することが可能なバルーンカテーテルを実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明はバルーンカテーテルを、バルーンの外側表面を覆うシリコンを含むダイヤモンド様薄膜を備えた構成とする。

具体的に、本発明に係るバルーンカテーテルは、バルーン本体と、バルーン本体の外側面に形成されたダイヤモンド様薄膜とを備え、ダイヤモンド様薄膜は、シリコンの含有量が５原子％以上且つ３５原子％以下であることを特徴とする。

本発明のバルーンカテーテルによれば、バルーン本体の外側を覆うダイヤモンド様薄膜はシリコンの含有量が５原子％以上且つ３５原子％以下であるため、ダイヤモンド様薄膜の接触角及び摩擦係数が大きくなる。従って、血管内においてバルーンを膨張させた際に、バルーンが血管内においてスリップしにくく、病変部位を正確に拡張することができる。また、シリコンを含むことにより、バルーン本体とダイヤモンド様薄膜との密着性が向上しダイヤモンド様薄膜がバルーン本体から剥離することを防止できる。さらに、シリコンを含むことによるＤＬＣ膜の硬度の低下はほとんど生じない。

本発明のバルーンカテーテルにおいて、ダイヤモンド様薄膜は、水の接触角が７０度以上且つ８０度以下であることが好ましい。

本発明のバルーンカテーテルにおいて、ダイヤモンド様薄膜は、その表面における摩擦係数が、０．３８以上であることが好ましい。

本発明のバルーンカテーテルにおいて、ダイヤモンド様薄膜は、その表面における弾性係数が１５０ＧＰａ以下で且つ表面硬度が２０ＧＰａ以上であることが好ましい。

本発明のバルーンカテーテルにおいて、ダイヤモンド様薄膜は、グラファイト結合及びダイヤモンド結合を有し、ダイヤモンド様薄膜におけるグラファイト結合のダイヤモンド結合に対する割合は１以上であることが好ましい。

本発明のバルーンカテーテルにおいて、ダイヤモンド様薄膜は、膜厚が５ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明に係るバルーンカテーテルによれば、ダイヤモンド様薄膜を備え且つスリップしにくく正確に病変部位を拡張することが可能なバルーンカテーテルを実現できる。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係るバルーンカテーテルのバルーン１０を示している。図１に示すように本実施形態のバルーンは、経皮経管的血管形成術（ＰＴＡ）、経皮経管的冠動脈形成術（ＰＴＣＡ）及び大動脈バルーンパンピング（ＩＡＢＰ）等に用いるバルーンカテーテルのバルーンである。バルーン１０は、バルーン本体１１と、バルーン本体１１の外側表面を覆う表面層１２とを有している。

バルーン本体１１は、樹脂からなる一般的なバルーンである。材質は特に限定されないが、例えば、エーテル系ポリウレタン、ポリエステル系ポリウレタン、ポリカーボネート系ポリウレタン等のポリウレタン、ポリアミド系エラストマー、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアセテート共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド又はポリエステル系エラストマー等であればよい。

表面層１２は、珪素（Ｓｉ）を含むダイヤモンド様薄膜（ＤＬＣ膜）である。本実施形態のＤＬＣ膜はＳｉを含んでいる。このため、Ｓｉの添加により摩擦係数が大きくなるので、血管内でバルーンを膨張させた際にスリップしにくく、病変部位を正確に拡張することが可能となる。また、Ｓｉの添加によりＤＬＣ膜とバルーン本体との密着性を向上させることができる。一方、Ｓｉを添加することによる硬度の低下は後で説明するように小さいため、耐摩耗性も確保することができる。

以下に、本実施形態のバルーンの製造方法の一例について説明する。図２は、本実施形態において用いた高周波プラズマＣＶＤ装置を模式的に示したものである。真空チャンバー２１の内部に設けられた誘導結合型電極２３に、イオン源及び炭素源となるガスをそれぞれ導入することにより発生させたプラズマを、ターゲット２２の上に膜としてを固体化して成膜する通常の高周波プラズマＣＶＤ装置である。イオン源には、アルゴンを用い、炭素源にはアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）等を用いることができる。また、炭素源と共にシリコン源となるガスを導入することによりシリコンを含むＤＬＣ膜が形成できる。

具体的には、まず、ポリウレタンからなるバルーン本体をプラズマＣＶＤ装置のチャンバ内にセットし、チャンバーにアルゴンガス（Ａｒ）を圧力が１×１０^-1Ｐａ（７．５×１０^-4Ｔｏｒｒ）となるように導入した後、放電を行うことによりＡｒイオン発生させ、発生したＡｒイオンをバルーン本体の表面に衝突させるボンバードクリーニングを約３分間行った。

次に、チャンバ内にＡｒガスに加えて炭素源及びシリコン源となるテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）を２０分間導入した。これにより、珪素（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を主成分とする膜厚が４０ｎｍのアモルファス状のＤＬＣ膜によりバルーン本体をコーティングした。また、テトラメチルシランに加えてアセチレンを種々の割合で導入することにより、Ｓｉ含有量が異なるＤＬＣ膜を形成した。さらに、比較対象として、アセチレンのみを導入してＳｉを含まないＤＬＣ膜を形成した。ＤＬＣ膜を形成する際のチャンバ内の圧力は１×１０^-1Ｐａとなるように調整した。また、形成時におけるバルーン本体の温度は約７５℃であった。

なお、ＤＬＣ膜を形成する際にＣＦ₄等のフッ素を含むガスを添加することにより、Ｓｉとフッ素とを含むＤＬＣ膜を形成することも可能である。

このようにして得られたＤＬＣ膜をコーティングしたバルーンについて、表面の摩擦係数とスリップとの相関を測定した。摩擦は互いに接触しあう表面の複雑な現象であり、摩擦力を再現性よく測定するためには、外乱要因を排除しなければならない。このため、垂直抗力に相当する加重を与えた静止試料に対して、摩擦面を水平運動させ且つ試料を拘束する外力が摩擦力そのものであるよう摩擦系を組み立てた。今回、摩擦力の測定に用いた装置は、荷重ブロックに試料を固定し、資料を固定した荷重ブロックを水平な摩擦面に置き、摩擦面を水平に往復運動させ、荷重ブロックをルーズに接触させたロードセルで拘束する機構を採用しており、摩擦力を直接測定できる。本装置を使用して、ＤＬＣ膜を形成したバルーンを水中でステンレス板と接触した状態で一分間に１１回摺動させ、３時間放置した後、バルーンの摩擦係数を測定した。Ｓｉを添加してないＤＬＣ膜の摩擦係数は０．２８であった。一方Ｓｉを３０％含むＤＬＣ膜の場合には、摩擦係数が０．３８であった。

次に、摩擦係数を測定した各バルーンカテーテルを外形が２．９ｍｍ、内径が２．３ｍｍのポリエチレンパイプ内に挿入し、バルーンに８ｋｇ／ｃｍ²の内圧をかけて膨張させ、パイプ内の所定の位置に固定した。パイプ内に固定したバルーンの下部に１０ｇの錘をつけて２０分間放置し、バルーンの下降距離を測定した。図３に示すようにＳｉを含まないＤＬＣ膜及びＳｉを３％含有するＤＬＣ膜を被覆したバルーンは１０ｍｍ〜１３ｍｍ下降した。一方、Ｓｉを５％及び４０％含有するＤＬＣ膜を被覆したバルーンはほとんど下降せず、Ｓｉを３０％含有するＤＬＣ膜を被覆したバルーンは全く下降しなかった。このことからバルーン膜の表面に形成されたＤＬＣ膜の摩擦係数を高くすることにより、血管内の所定の位置でバルーン膜を膨張させる際に、バルーンのスリップが防止され、所定位置に確実に固定することができる。

以上説明したように、バルーンのスリップのしやすさと、摩擦係数の大きさとは相関を有しており、摩擦係数が大きいほどスリップをしにくくなると考えられる。摩擦係数及び接触角の値が大きくスリップしにくいＤＬＣを得るためには、ＤＬＣ膜に添加するＳｉの量を少なくとも５％以上とすることが好ましい。

なお、ＤＬＣ膜のＳｉ含有量は、PHISICAL ELECTRONICS社製のＰＨＩ−６６０型走査型オージェ電子分光装置を用いて測定した。測定の際には、電子銃の加速電圧を１０ｋＶとし、試料電流は５００ｎＡとした。また、Ａｒイオン銃の加速電圧は２ｋＶとし、スパッタリングレートは８．２ｎｍ／ｍｉｎに設定した。

また、Ｓｉの添加はＤＬＣ膜のぬれ性を改善するという効果を有している。図４はＳｉの含有量とＤＬＣ膜表面における水の接触角との関係を示している。なお、接触角は、協和界面化学株式会社製の自動接触角計(型式 DM-300)を用いて測定した。測定の際には蒸留水を測定面に５μＬ滴下した。着滴の形状をＣＣＤカメラにより画像として取り込み、画像処理することにより自動的に接触角を測定した。

図４に示すようにＳｉの含有量が５％程度のところで接触角がピークとなり、含有量が１５％から３５％の範囲では、接触角が７０度から８０度の範囲で安定した。さらにＳｉの含有量が増えると、接触角は上昇し疎水性が増大する。

次に、バルーン本体とＤＬＣ膜との密着性について検討した。図５（ａ）及び（ｂ）はＤＬＣ膜中の炭素−炭素結合の状態を測定した結果であり、（ａ）はＳｉを含まないＤＬＣ膜を示し、（ｂ）はＳｉを２７原子％（ａｔ％）添加した場合を示している。なお、測定には、日本分光株式会社製のＮＲＳ―３２００型顕微レーザーラマン分光光度計を用い、励起波長は５３２ｎｍ、レーザーパワーは１０ｍＷ、回折格子は６００本／ｍｍ、対物レンズは２０倍、スリットは０．１×６ｍｍ、露光時間は６０秒、積算は２回とした。

図５（ａ）に示すようにＳｉを含まないＤＬＣ膜は、ダイヤモンド結合（ＳＰ３結合）を示すピークの面積がグラファイト結合（ＳＰ２結合）を示すピーク面積よりも大きい。一方、図５（ｂ）に示すようにＳｉを添加した場合には、ＳＰ２結合を示すピークの面積がＳＰ３結合を示すピークよりも大きくなっている。

各ピークの面積をカーブフィッティング処理（バンド分解）により求め、得られたピーク面積の比を求めることによりＳＰ２結合とＳＰ３結合との存在比率を求めたところ、Ｓｉを含まないＤＬＣ膜においてはＳＰ２結合のＳＰ３結合に対する存在比が０．４６となり、Ｓｉを２７ａｔ％含むＤＬＣ膜においてはＳＰ２結合のＳＰ３結合に対する存在比は１．１７となった。

図６はＳｉの添加量に対して、ＳＰ２結合とＳＰ３結合との存在比をプロットした結果を示している。図６に示すようにＳｉの添加量が５ａｔ％を超えると、ＳＰ２／ＳＰ３の値が大きく上昇する。ＳＰ２／ＳＰ３の値の上昇に伴い、ＤＬＣ膜のヤング率が小さくなり、ＤＬＣ膜とバルーン本体との密着性が向上することが期待される。

図７はＳｉの添加量に対して、ＤＬＣ膜のヤング率を測定した結果を示している。図７に示すようにＤＬＣ膜のヤング率は、Ｓｉの添加量が５ａｔ％を越えると大きく低下している。このように、ＤＬＣ膜にＳｉを添加することによりヤング率が小さくなり、ＤＬＣ膜とバルーン本体との密着性が向上するため、バルーン本体からＤＬＣ膜が剥離することを抑えることができる。

一方、Ｓｉの添加によりＳＰ２結合が増加すると、ＤＬＣ膜の硬度の低下を生じるおそれがある。図８は、Ｓｉの添加量とＤＬＣ膜の硬度との相関を示している。図８に示すように、Ｓｉの添加により硬度が低下し、Ｓｉ添加量が５ａｔ％〜１０ａｔ％程度となったところで硬度が最低となった。しかし、硬度の低下は大きくなく、耐摩耗性が大きく低下することはない。さらにＳｉの添加量を増やすと硬度が上昇した。これは、Ｓｉの添加によりＳｉ−Ｃ結合が生成されるためであると考えられる。Ｓｉ−Ｃ結合は強固な結合であり、ＳＰ３結合の減少による硬度の低下をＳｉ−Ｃ結合の増加が補うため、硬度の大きな低下が生じないと考えられる。

なお、硬度及びヤング率の測定にはHysitron社製の高感度（０．０００４ｎｍ、３ｎＮ）センサーを搭載した９０度三角錐のダイヤモンド圧子を用いたナノインデンテーション法により行った。圧痕状態の測定には試料表面を微小な探針で走査することによって三次元形状を高倍率で観察できる顕微鏡である株式会社島津製作所製の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）を用いた。ナノインデンテーションによる測定条件は１００μＮの精度でダイヤモンド圧子を制御しながら試料に押し込み、荷重-変位曲線の解析から硬度や弾性率等の力学的性質を定量した。圧子の押し込み時間は５秒間とし、また引き抜き時間も５秒間に設定して測定を行った。

以上説明したように、ＤＬＣ膜とバルーン本体との密着性を向上させ、ＤＬＣ膜の剥離を防止するためには、Ｓｉの含有量を５ａｔ％以上、好ましくは１０ａｔ％以上、さらに好ましくは１５ａｔ％以上とすればよい。一方、Ｓｉを添加することによりＤＬＣ膜の硬度が低下する場合があるが、ＤＬＣ膜の耐摩耗性の低下は許容範囲内である。一方、Ｓｉを２５ａｔ％以上添加すれば、ＤＬＣ膜の硬度の低下はほとんどない。

従って、耐剥離性、耐摩耗性に優れ且つスリップしにくいＤＬＣ膜を得るためには、Ｓｉの含有量を５ａｔ％以上、好ましくは１０ａｔ％以上、さらに好ましくは１５ａｔ％以上とすればよい。一方、Ｓｉの含有量が５０ａｔ％を超えるとＤＬＣ膜の形成が困難となる。このため、Ｓｉの含有量は５０ａｔ％以下とすることが好ましい。また、ぬれ性の観点からはＳｉの含有量を３５ａｔ％以下とすることが好ましい。

本実施形態においては、ＤＬＣ膜の膜厚は４０ｎｍとしたが、膜厚は任意に変更してかまわない。特に、生体成分による医療器具本体の劣化を防止するという観点からは、ＤＬＣ膜の膜厚が厚い方が好ましい。しかし、バルーン等の使用時に大きな変形が加えられる器具の場合には、ＤＬＣ膜の膜厚をあまり厚くすると、変形の際にクラックが発生するおそれがある。このため、ＤＬＣ膜の膜厚は５ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以上且つ７０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態において、Ｓｉを含むＤＬＣ膜をテトラメチルシランにより形成したが、他のガスを用いて形成してもよい。また、Ｓｉ源とＣ源とを別々のガスにより供給してもよい。例えばモノシラン若しくはジシランとアセチレン若しくはベンゼンとの組み合わせ又はテトラメチルシラン若しくはジメチルシラン等が好ましい。

また、プラズマＣＶＤ法に代えて、スパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマイオン注入法、重畳型ＲＦプラズマイオン注入法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法又はレーザーアブレーション法等の公知の方法によりＤＬＣ膜を形成してもよい。

また、ＤＬＣ膜はバルーン本体の表面に直接形成することができるが、バルーン本体とＤＬＣ膜とをより強固に密着させるために、バルーン本体とＤＬＣ膜との間に中間層を設けてもよい。中間層を設ける場合には、バルーン本体の材質に応じて種々のものを用いることができるが、シリコンと炭素、チタン（Ｔｉ）と炭素又はクロム（Ｃｒ）と炭素からなるアモルファス膜等の公知のものを用いることができる。

また、中間層は、バルーン本体の表面に均一に形成する必要があるため、ある程度の膜厚が必要である。しかし、膜厚があまりに厚くなると成膜時間が長くなり生産性が低下する。従って、中間層の膜厚は５ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下とすればよく、好ましくは１０ｎｍ以上且つ４０ｎｍ以下とする。

また、中間層は、公知の方法を用いて形成することができ、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、溶射法、イオンプレーティング法又はアークイオンプレーティング法等を用いればよい。

本実施形態においては、経皮経管的血管形成術（ＰＴＡ）、経皮経管的冠動脈形成術（ＰＴＣＡ）及び大動脈バルーンパンピング（ＩＡＢＰ）等に用いるバルーンカテーテルについて説明したが、他のバルーンカテーテルにも適用できる。

本発明に係るバルーンカテーテル及びその製造方法は、ダイヤモンド様薄膜を備え且つスリップしにくく正確に病変部位を拡張することが可能なバルーンカテーテルを実現でき、特に経皮的冠動脈形成術又は動脈内バルーンパンピング等に用いる耐摩耗性に優れたバルーン部分を有するバルーンカテーテル等として有用である。

本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルのバルーンを示す断面図である。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルの製造に用いたプラズマＣＶＤ装置を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜におけるＳｉ含有量とバルーンのスリップとの相関を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜におけるＳｉ含有量と接触角との相関を示すグラフである。（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜における炭素−炭素結合の状態を示し、（ａ）はＳｉを含まないＤＬＣ膜のラマンスペクトルであり、（ｂ）はＳｉを２７ａｔ％含むＤＬＣ膜のラマンスペクトルである。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜におけるＳｉ添加量とＳＰ２結合のＳＰ３結合に対する割合との相関を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜におけるＳｉ添加量とヤング率との相関を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るバルーンカテーテルに用いたＤＬＣ膜におけるＳｉ添加量と表面硬度との相関を示すグラフである。

符号の説明

１０バルーン
１１バルーン本体
１２表面層
２１真空チャンバー
２２ターゲット
２３誘導結合型電極

Claims

バルーン本体と、
前記バルーン本体の外側面に形成されたダイヤモンド様薄膜とを備え、
前記ダイヤモンド様薄膜は、シリコンの含有量が５原子％以上且つ３５原子％以下であり、その表面における摩擦係数が０．３８以上であり、その表面が外部に露出した表面層であり、チタン又はクロムを含む中間層を介して前記バルーン本体の表面に形成されていることを特徴とするバルーンカテーテル。
前記ダイヤモンド様薄膜は、水の接触角が７０度以上且つ８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のバルーンカテーテル。
前記ダイヤモンド様薄膜は、その表面における弾性係数が１５０ＧＰａ以下で且つ表面硬度が２０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルーンカテーテル。
前記ダイヤモンド様薄膜は、グラファイト結合及びダイヤモンド結合を有し、
前記ダイヤモンド様薄膜におけるグラファイト結合のダイヤモンド結合に対する割合は１以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバルーンカテーテル。
前記ダイヤモンド様薄膜は、膜厚が５ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバルーンカテーテル。