Zusammenfassung
Hintergrund: Zur Präparation der Spender- als auch der Empfängerhornhaut werden trotz der inzwischen
verfügbaren Excimer- und Femtosekundenlasersysteme heute vorwiegend Metalltrepane
zum Einmal- oder Mehrfachgebrauch eingesetzt. Aufgrund der Trepanationstechniken als
auch der Schneidkantenkonfiguration von Metalltrepanan kann es zur Entstehung irregulärer
Schnittkanten an operierten Hornhäuten kommen. Dadurch wird postoperativ ein Astigmatismus
induziert. Die Durchmesser der Schneidkanten heute gefertigter Metalltrepane liegen
bei ca. 400 nm - 1 µm. Diese Schneidkanten sind deshalb extrem empfindlich und nur
wenig mechanisch belastbar. Nach Ansetzen des Schnittes kommt es in der Regel unmittelbar
zur Kantenverrundung und zur Erhöhung der Schnittkräfte mit negativen Auswirkungen
auf die Qualität des Schnittes. Aufgrund der komplexen Geometrie der Schneidkanten
existieren bis heute keine Trepane aus mechanisch stabilerem Diamant. Es wird untersucht,
ob sich die Schneidkanten von manuell geführten Trepansystemen durch nanotechnologische
Verfahren so modifizieren lassen, dass es zur Verbesserung der Schnittqualität kommt.
Material und Methoden: Unterschiedliche Metalltrepane wurden elektronenmikroskopisch untersucht und die
Geometrie der Schneidkanten vermessen. Es erfolgte die Trepanierung von Schweinecorneae
sowie eine histologische und elektronenmikroskopische Auswertung der präparierten
Hornhäute. Ausgewählte Trepane wurden in einem modifizierten PVD (Physical Vapour
Deposition) Reaktor bei niedriger Temperatur mit hochbeschleunigten und durch Magnetfelder
konzentrierten Ionen beschossen (Ion Forging) und mit nanostrukturierten Gradientenschicht
aus amorphem Kohlenstoff beschichtet. Die einzelnen Prozessschritte wurden mithilfe
des Rasterelektronenmikroskops dokumentiert und die Schneidkantendurchmesser an zufällig
ausgewählten Bereichen der Trepane nach jedem Prozessschritt vermessen. Mit den modifizierten
Trepanen wurden weitere Schweinecorneae präpariert und sowohl histologisch als auch
elektronenmikroskopisch ausgewertet. Zusätzlich wurden die für eine Penetration relevanten
mechanischen Parameter unbehandelter und behandelter Metalltrepane beim Eindringen
in eine PU (Polyurethan) Folie auf einer mechanischen Messeinrichtung bestimmt. Ergebnisse: Die Schneidkanten der unbehandelten Trepane zeigen bei der lichtmikroskopischen Untersuchung
deutliche Qualitätsschwankungen. Durch die nanotechnologische Veränderung der Schneidkanten
kommt es zu keiner Kantenverrundung über den ursprünglichen Schneidkantendurchmesser
hinaus. Die optische Analyse der Trepanschneidkanten ergibt, verglichen mit der Ausgangssituation,
subjektiv glattere und gleichmäßigere Oberflächen. Die Auswertung der Kraft-Weg-Diagramme
zeigt im Fall der behandelten Trepanen eine deutliche Abnahme der Schneidkräfte. Die
elektronenmikroskopischen Untersuchungen der mit modifizierten Trepanen gestanzten
Hornhäute zeigen subjektiv vergleichsweise glattere Wundflächen. Alle trepanierten
Hornhäute weisen in der histologischen Untersuchung keine unidirektionalen, in Schnittrichtung
orientierte, Wundkanten auf. Die nanotechnologisch modifizierten Trepane erzeugen
die geringsten Abweichungen von der Hauptschnittrichtung. Die mechanische Charakterisierung
der Trepane zeigt im Vergleich mit dem Ausgangsmaterial deutlich härtere Schneidkanten.
Schlussfolgerungen: Mit dem neuen Verfahren (Ion Forging) in Verbindung mit einer Beschichtung aus nanostrukturiertem
amorphem Kohlenstoff können hochwertige und belastbare Schneidkanten auch komplexerer
Geometrien mit diamantähnlichen Eigenschaften hergestellt werden. Die Arbeit zeigt,
dass zwar die Qualität einer Lasertrepanation nicht erreicht wird, aber die nanotechnologische
Bearbeitung von Trepanen zur Verbesserung der manuellen Transplantationstechniken
beitragen kann.
Abstract
Purpose: Today, for the preparation of donor and recipient cornea during keratoplasty either
single-use or reusable metal trephines are commonly used although excimer and femtosecond
laser systems are available. Due to the surgical techniques as well as the configuration
of metal trephine’s cutting edge irregular corneal surfaces may be induced. These
will result in a postoperative astigmatism. Contemporary manufacturing processes do
allow for the production of minimal cutting edge diameters (400 nm - 1 µm), however,
this is related with a reduced mechanical stability of such delicate cutting edges.
It has been observed that the cutting edge of metal blades is immediately bent with
the first exposure to tissue. As a result, the cutting forces are increasing and the
wound configuration is negatively effected. Due to the complex geometry of trephine
cutting edges, no diamond trephines are currently available. We are investigating
the cutting performance of conventional trephines that were modified using nanotechnology.
Method: Different metal trephines were characterised using a scanning electron microscope
(SEM). The diameter of the cutting edge was measured. Pig cornea were studied histologically
after trepanation. Selected trephines were ion-forged in a modified PVD (physical
vapour deposition) reactor using highly accelerated ions which are concentrated by
magnetic fields at low temperature. The consecutive processing steps were controlled
by SEM analysis of the cutting edge diameters. Randomly chosen areas of treated trephines
were analysed. After processing the trephines, pig cornea were cut and analysed by
histological and SEM examination. Additionally, the relevant mechanical cutting parameters
of untreated as well as treated trephines were measured when penetrating into a PU
(polyurethane) foil. Results: Preliminary microscopic analysis already reveals differences in the quality of the
cutting edges. The nanotechnological modification of the cutting edges does not result
in larger diameters. Compared with the initial cutting edges, the optical analysis
of the modified trephine cutting edges reveals subjectively smoother surfaces. The
force measurements prove a reduction of cutting forces for the treated trephines compared
to the untreated ones. The SEM analysis show for the cornea treated with the modified
trephines a subjectively smoother surface. Histology reveals that the surfaces of
the treated cornea do not exhibit a smooth and unidirectional structure. This divergence
became larger when untreated trephines were used. The mechanical characterisation
of the treated trephines resulted in harder and longer-lasting surfaces. Discussion: The newly developed ion-forging of trephines in combination with nanostructured carbon
coatings yield complex cutting edges of higher stability with diamond-like properties.
This study shows that the performance of laser trepanation cannot be reached; however,
the use of nanotechnology can further improve manual trephine techniques.
Schlüsselwörter
Trepan - Hornhautchirurgie - Nanotechnologie - amorpher Kohlenstoff
Key words
Trephine - corneal surgery - nanotechnology - amorphous carbon - cutting edges
Literatur
Christian.Lingenfelder@gmx.de
