Microcellular injection moulding for an oesophageal implant [Elektronische Ressource] / Hongbin Wu

Wu

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 22
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Lehrstuhl für Medizintechnik
Technische Universität München


Microcellular Injection Moulding
for an Oesophageal Implant



Hongbin Wu



Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen
Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh
Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. med., Dr.-Ing. habil. Erich Wintermantel
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Horst Baier

Die Dissertation wurde am 10.08.2009 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 02.11.2009
angenommen Dedication I
Dedication
This dissertation is dedicated to my immediate family, my wife Jingjing Cong, my parents
Lide Wu and Ailing Li. None of this would have been possible without their love and
patience. They have been a constant source of love, concern, support and strength all these
years. I would like to express my heart-felt gratitude to them.
Abstract II
Abstract
This study introduces a method for producing a ring shaped polymer implant, which is to be
placed around the sphincter of the oesophagus in order to reduce the amount of gastric juices
reflux in the oesophagus. This idea of having a polymeric sleeve around the oesophagus has
previously been applied by other authors, however not successfully due to migration of the
implant along the oesophagus. The implant in this study consists of a porous inner side, in
which tissue can grow in and by this prevent migration of the implant.
®An industrial microcellular injection molding process, named MuCell , was used to produce
implants with a porous structure. As raw material a thermoplastic polyurethane was selected.
Two molds were designed for the process study and for producing the implants. The process
parameters affecting the pore structure, pore distribution and pore size, were analyzed in
detail to ensure a suitable pore morphology for cell ingrowth. Key processing parameters for
®the pore size, morphology and porosity were identified. The MuCell process was utilized
successfully in this study to produce a medical implant for treating reflux diseases with an
optimal pore structure for cell ingrowth.
Biocompatibility tests have proven that the implants need to be treated by surface treatments
in order to improve their biocompatibility. Two surface treatment methods, plasma activation
and TiO -coating, were performed to enhance cell adhesion and proliferation on the implant 2
surface. After surface treatments biocompatibility of implants was seen to be increased. In
vitro tests showed that the plasma activation and TiO -coating had similar effects, but in vivo 2
tests revealed the plasma activation as being more effective. Cell and tissue ingrowth into the
porous structure of the implants were observed. The implants following the named treatments
were classified as biocompatible, thus suitable for surgical implantation.
Zusammenfassung III
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde ein neues Implantat für die Behandlung der Reflux-Krankheit
®entwickelt. Eine Methode, die als MuCell bekannt ist, wurde in dieser Arbeit verwendet, um
ein poröses Implantat herzustellen. Das Implantat sollte um die Speiseröhre der Patienten, die
an der gastroäsophagealen Reflux-Krankheit leiden, durch einen minimal-invasiven Eingriff
gelegt werden, um damit passiv den Speiseröhren-Schließmuskel zu unterstützen. Im
Vorversuch anderer Autoren wurde ein ähnliches Implantat um die Speiseröhre implantiert,
jedoch ohne ausreichende Fixation durch Einwachsen von Gewebe. Es ist Ziel dieser Arbeit,
eine optimale Porenstruktur zu erzeugen, die ein Einwachsen von Gewebe erlaubt und eine
dauerhafte Fixierung ermöglicht.
Es ist gelungen, die gewünschte poröse Struktur und Prototypen des Implantates durch ein
mikrozelluläres Spritzgießverfahren herzustellen. Thermoplastische Polyurethane wurden als
Rohstoff verwendet. Die Porenmorphologie sowie Porengröße und Porosität des Implantates
als Funktion der Veränderung der Prozess-Parameter wurden in dieser Arbeit ausführlich
untersucht. Einige Kernparameter, die als die wichtigsten im Schaumspritzgießverfahren
hinsichtlich des Einflusses auf die Porenmorphologie waren, wurden festgelegt. Das
®MuCell -Verfahren wurde in dieser Studie erfolgreich für ein medizinisches Implantat zur
Behandlung der Reflux-Krankheit eingesetzt.
Durch Versuche zur Biokompatibilität wurde bewiesen, dass, um die Biokompatibilität des
Implantates zu verbessern, die Implantate mit Oberflächenbehandlungsmethoden behandelt
werden müssen. Zwei Methoden, Plasmaaktivierung und TiO -Beschichtung, wurden zur 2
Verbesserung der Zell-Adhäsion und -Proliferation auf der Oberfläche des Implantates
angewendet. Nach der Oberflächenbehandlung war die Biokompatibilität der Implantate
deutlich erhöht. Plasmaaktivierung und TiO -Beschichtung zeigten im in-vitro Test eine 2
vergleichbare Wirkung. Jedoch zeigte sich im in-vivo-Test, dass die Plasmaaktivierung eine
deutlichere Verbesserung der Biokompatibilität bewirkt. Zell- und Gewebeeinwachsverhalten
in die poröse Struktur des Implantats wurden beobachtet und die Implantate wurden als
biokompatibel nach der Herstellung und Behandlung klassifiziert. Mit dem vorliegenden
Verhalten wurde ein chirurgisch einsetzbares neues Implantat erfolgreich entwickelt.
Acknowledgement IV
Acknowledgement
The research work has been carried out during the period of 2006-2009 at the Department and
Chair for Medical Engineering, TU München, Garching b. München, Germany. The writing
of this dissertation has been one of the most significant academic challenges I have ever had
to face. Without the support, patience and guidance of the following people, this study would
not have been completed.
First of all I would like to express my sincere gratitude to my supervisor Prof. Dr. med.
Dr.-ing. habil Erich Wintermantel for giving me the opportunity to work in this Department,
for this interesting theme. His wisdom, knowledge and commitment to the highest standards
inspired and motivated me.
My first and second referee, Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh and Prof. Dr.-Ing. Horst Baier,
deserve my most sincere thanks for all the support, productive inputs during the entire project
and especially for contributing their expertise to this work.
I would also like to thank my project partner Mr. Henning Schlicht from Medi-Globe GmbH.
He has proven great help in mold construction and mechanics during the entire period of the
project. The clinical partner, Mr. Armin Schneider from the MITI group, Klinikum rechts der
Isar, deserves severe gratitude for the performing in vivo tests of the implants.
Dr. Havard J. Haugen deserves my thanks for his insightful comments and constructive
criticisms at different stages of my research. As former staff of this Department he is deeply
involved in this project through out the whole period. His help in micro-CT measurements let
this dissertation become more valuable.
My thanks go out to all fellows and staff members of the Department. Particularly, I would
like to acknowledge Dr. Markus Eblenkamp, Dr. Hector Perea, Mr. Erhard Krampe for their
valuable discussions that helped me understand my research area better. I am indebted to my
assistant, Mrs. Ilse Schunn, for her excellent work in chemical and biological experiments. I
am also thankful to Mr. Uli Ebner and his staff members in Mechanical System and Technical
Lab for their maintaining all the machines so efficiently.
Furthermore, I would like to thank Mrs. Susanne Schnell from IMETUM (Central Institute of
Medical Engineering) for her kind instructions in the materials lab.
Also, I would like to acknowledge all students, without whom this dissertation would have
been impossible. Their motivation and hard working mentality gave me great inspiration.
Their names: Mr. Lei Song, Mr. Shen Qu, Ms. Lena Haas.
Acknowledgement V
All of the above and many others have contributed substantially in one way or another to this
thesis. I express my deepest gratitude and appreciation to all of them.
Table of contents VI
Table of contents
1  Introduction ..................................................................................................................... 9 
1.1  Gastro-oesophageal reflux disease (GORD) ........................................................... 9 
1.1.1  Description of GORD ........................................................................................ 9 
1.1.2  Causes and symptoms of GORD ................................................................... 10 
1.1.3  Treatment for GORD ...................................................................................... 12 
1.1.4  Conclusion of current treatment methods ....................................................... 19 
1.2  A new implant for treating GORD