Untersuchungen zur Herstellung und zum Einsatz mikrotechnisch gefertigter Diamantwerkzeuge

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, das die Herstellung mikrostrukturierter Diamantwerkzeuge unterschiedlichster Geometrie ermöglicht. Durch eine ebenfalls neu entwickelte Messmethode wurden deren Eigenschaften untersucht und der Einfluss der Klingengeometrie auf das Schneidverhalten bestimmt. Die Ergebnisse wurden zum Entwurf geometrieoptimierter, ophthalmochirurgisch anwendbarer Mikroskalpelle verwendet, die die bislang gebräulichen Naturdiamantskalpelle hinsichtlich der Schneideigenschaften teils deutlich übertreffen. Die Formgebung des Werkzeugs und die Erzeugung der Schneidkante werden unabhängig voneinander in einem zweistufigen Prozess durchgeführt. Zur Herstellung der Werkzeugkörper aus dem Siliziumsusbtrat wird dabei ein nasschemischer KOH-Ätzprozess verwendet. Er ermöglicht die gezielte Einstellung der Flankenwinkel im Silizium bei eitgehend freier lateraler Geometrie und deren Anpassung an spezielle Anwendungen durch Variation der Prozessparameter. Die Möglichkeit zur Simulation des Ätzverlaufs erlaubt die effiziente und kostengünstige Entwicklung unterschiedlicher Klingenformen. Die Diamantschneidkante wird anschließend mit dem Werkzeugkörper als Maske durch reaktives Ionenätzen erzeugt. Dabei werden das Silizium und der Diamant gleichzeitig abgetragen und die Flanken des Werkzeugskörpers übertragen sich in die Diamantschicht. Sobald die Ätzfront die Diamantschicht ganz durchwandert hat, bildet sich eine Schneidkante mit einem Verrundungsradius von ca. 3nm, wodurch ein gutes Trennverhalten garantiert wird. Bedingt durch den Herstellprozess hat die Geometrie des Werkzeugs keinen Einfluss auf die Schärfe der Schneidkante und kann ohne Einfluss auf die eigentliche Materialtrennung gezielt variiert werden. Der Keilwinkel &#945;Di der Schneidkante wird durch das Ätzratenverhältnis RDi/RSi zwischen Diamant und Silizium bestimmt und kann im Bereich 0&#9702; < &#945;Di < 90&#9702; eingestellt werden. Zur Charakterisierung derWerkzeugeigenschaften wurde ein Verfahren entwickelt, das die reproduzierbare Messung der Kräfte beim Schneidvorgang in einer Kunststofffolie ermöglicht. Das Werkzeug wird dabei in eine Folie mit exakt definierten Eigenschaften hineingestochen und gleichzeitig die Ortskoordinate mit einer Auflösung von 2µm und die aufzuwendende Kraft mit einer Auflösung von ca. 2, 5mN aufgezeichnet. Durch die quantitative Untersuchung möglicher Fehlerquellen konnte die Eignung dieses Verfahrens zur Charakterisierung mikrostrukturierter Diamantwerkzeuge nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass vor allem die Dicke des verwendeten Testmaterials einen deutlichen Einfluss auf dieMessergebnisse hat. Alle anderen untersuchten Fehlerquellen - Position des Einstichs, Penetrationsgeschwindigkeit, Verdrehung und Verkippung des Werkzeugs gegen die Bewegungsrichtung - wirken sich sehr viel geringer auf die Messung aus. Bei exakter Handhabung des Messaufbaus und Verwendung dickenkontrollierten Testmaterials ist die Summe aller Messfehler nur geringfügig größer als die Auflösung der verwendeten Messgeräte. Der gesamte Schneidvorgang kann anhand der aufgenommenen Kraft-Weg-Diagramme in mehrere deutlich voneinander trennbare Phasen unterteilt werden. Das entwickelte Phasenmodell des Schneidvorgangs unterscheidet das Aufsetzen auf dem Schnittgut, das Eindringen der Spitze in das Material, die Aufweitung des Schnittkanals und die anschließende Gleitphase des Werkzeugs. Für jede dieser Phasen wurde die aufzuwendende Kraft analysiert und ihre jeweiligen Einzelkomponenten auf die Werkzeugeigenschaften zurückgeführt. Die mit obigem Verfahren gewonnenen Grundlagen konnten erfolgreich zur Entwicklung und Herstellung mikrostrukturierter Präzisionsskalpelle für die Ophthalmochirurgie eingesetzt werden. Diese Skalpellemüssen höchste Anforderungen an die Schärfe erfüllen, da sie für Operationen an Gewebe eingesetzt werden, das die Abbildungseigenschaften des Auges bestimmt und gleichzeitig zu den robustesten Geweben im menschlichen Körper zählt. Am häufigsten werden dabei schwertförmige Klingen zur Präparation von Tunnelzugängen in die Vorderkammer eingesetzt. Diese Zugänge werden beispielsweise zur Entfernung der trüben Linse und deren Ersatz durch eine Intraokularlinse beim Krankheitsbild des grauen Stars benötigt. Aus den Wünschen operierender Augenärzte konnte in Kombination mit den Ergebnissen der messtechnischen Untersuchung ein potenziell idealer Penetrationsverlauf abgeleitet werden, der sich durch eine konstante Kraft zur Einleitung und Aufrechterhaltung des gesamten Schneidvorganges auszeichnet. Unter Verwendung des Phasenmodells für die Penetration konnten die einzelnen Kraftkomponenten, die in den verschiedenen Phasen des Schneidvorganges auftreten, ermittelt werden. Die Ergbenisse der Untersuchungen mit der unststofffolie wurden durch Versuche an Schweineaugen verifiziert. Aufgrund der extrem kleinen Verrundung der Schneidkante kann bei den mikrostrukturierten Diamantklingen auf eine punktförmig auslaufende Spitze verzichtet werden. Die Kraft, die zum Einführen der Klingenspitze in das Schnittgut benötigt wird, ist durch die laterale Verrundung der Klingenspitze bestimmt und kann durch die Kombination der Klingendicke und des eingeschlossenen Öffnungswinkels &#947; über die Prozessparameter eingestellt werden. Auch im weiteren Verlauf des Eindringens der Klingenspitze ist die auftretende Kraft wieder durch den eingeschlossenen Öffnungswinkel bestimmt, allerdings stimmen die absoluten Kraftwerte in den beiden Bereichen bei gleichem &#947; nicht überein. Durch die geeignete Kombination verschiedener eingeschlossener Öffnungswinkel in den unterschiedlichen Bereichen der Klingenspitze konnten die Kräfte während der verschiedenen Penetrationsphasen aneinander angepasst werden. Die dabei entstehende konkave Geometrie 130 kann ausschließlich mit der hier vorgestellten Technologie verwirklicht werden. Das Penetrationsverhalten dieser Klingenform liegt sowohl in der Kunststofffolie des Messaufbaus wie in der Hornhaut eines Schweineauges bereits sehr nahe am formulierten Ideal und übertrifft das der Referenzklingen aus Naturdiamant und Metall. Die hervorragenden Eigenschaften wurden von den beteiligten Medizinern auch im praktischen Einsatz bestätigt. Anhand histologischer Untersuchungen konnten gegenüber Naturdiamantklingen glattere Oberflächen im Schnittkanal nachgewiesen werden. Diese resultieren aus den kleineren Kräften, die aufgrund des geringeren Verrundungsradius der Schneidkante zur Trennung des Gewebes nötig sind. Dadurch kann eine wiederholte Anspannung des Gewebes zur Einleitung des Trennvorganges mit anschließender Relaxation vermieden werden. Eine nicht geklärte Fragestellung betrifft noch die Wahrnehmungsschwelle bei der handgeführten Bewegung während des Einsatzes der Skalpellklingen. Bislang ist noch noch offen, welche Kräfte mindestens auftreten müssen, damit ein Chirurg ein sicheres taktiles Feedback über den Schneidvorgang in menschlichem Gewebe erhält. Die Erfahrung bei den klinischen Einsätzen der mikrostrukturierten Diamantschneidwerkzeuge zeigt, dass diese Grenze nahezu erreicht ist. Eine Kontrolle des Schneidvorganges ist teilweise nur noch durch visuelle Beobachtung durch das Operationsmikroskop möglich. Auch eine weitere Verfeinerung der Messmethode durch Verwendung dünnerer Testmedien erscheint angesichts der bereits jetzt sehr geringen Kräfte nur schwer erreichbar. In einem ersten Ansatz könnte hierfür aber der Einfluss der Folie auf die Messergebnisse rechnerisch berücksichtigt werden. Durch einen geeigneten Algorithmus könnte beispielsweise über eine ”Entfaltung” ähnlich den Filterverfahren der Informationsübertragung in der Nachrichtentechnik die Überlagerung der Kraftbeiträge durch die Dicke der Folie aus den Messergebnissen eliminiert werden. Um das zur weiteren Optimierung nötige, noch tiefere Verständnis des Schneidvorgangs zu erhalten, sollte die Messmethode zukünftig mit dem Ziel weiterentwickelt werden, die Kraftkomponenten in allen Phasen des Schneidvorgangs getrennt voneinander untersuchen zu können. Vor allem die bei derAufweitung des Schnittkanals immer gleichzeitig auftretendenKräfte für das Trennen und das Aufweiten des Schnittgutes könnten dann noch detailierter untersucht werden. Die vorgestellte Technologiebasis kann zur Herstellung von Diamantwerkzeugen für unterschiedlichste Einsatzbereiche eingesetzt werden. Durch die Verwendung angepasster Prozesse ist beispielsweise die Herstellung von Klingen symmetrischen Querschnitts mit in der Mittenebene verlaufender Schneide, sog. double beveled blades, vorstellbar. Auch die Anwendung optimierter Tiefenätzprozesse zur Herstellung von Dreh- und Fräswerkzeugen wird bereits untersucht. Im Bereich des medizinischen Schneidens ist die Erschließung weiterer Anwendungsgebiete neben der Kataraktchirurgie vorgesehen. So wurden bereits Netzhautoperationen durchgeführt, die klar von der Schärfe der Klingen profitierten [125]. Über die Ophthalmochirurgie hinaus können die mikrostrukturierten Diamantskalpelle bei allen Eingriffen von Vorteil sein, die auf präzises, kraftfreies Schneiden angewiesen sind. So wurden sie im Bereich der Neurochirurgie bereits erfolgreich eingesetzt [126] und für die nahe Zukunft sind weitere Untersuchungen, beginnend im Bereich der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, geplant. Durch die Möglichkeiten zur Miniaturisierung derWerkzeuge unter Beibehaltung der Schärfe können Anwendungen bedient werden, die bislang mit Diamantklingen nicht realisiert werden konnten. Dazu zählt beispielsweise der Einbau von Klingen in Miniaturendoskope, deren kleinste Vertreter zur Zeit einen Innendurchmesser des Arbeitskanals von weniger als 1mm besitzen. Außerhalb der Medizin wurden die mikrostrukturierten Diamantklingen schon erfolgreich im Bereich der Gewebepräparation durch Ultra- und Kryomikrotomie angewendet. Auch dabei zeigte sich die hervorragende Schärfe der Schneidkante, die es erlaubte, Dünnschnitte bis zu 5nm Schnittdicke reproduzierbar zu erzeugen. Völlig neue Anwendungen können darüberhinaus durch die Integration von Funktionselementen in die hier vorgestellten Diamantwerkzeuge erschlossen werden. Da die Prozesse zur Herstellung der Schneidwerkzeuge die Oberfläche der Diamantschicht imBereich des Klingenkörpers nicht beeinflussen, können dort beispielsweise Sensoren und Aktoren integriert werden. Die kontrollierte Erwärmung eines Diamantskalpells durch einen integrierten thermischen Aktor sollte es ermöglichen, noch während eines Schnittes die einsetzende Blutung durch Koagulation des Gewebes zu unterbinden. Gleichzeitig könnte die Koagulationstemperatur und die Leitfähigkeit des Gewebes zur Fortschrittskontrolle des Koagulationsvorgangs gemessen werden. Die Verwendung dotierter Diamantbereiche garantiert dabei ein robustes, sterilisierbares Instrument. Auch hierzu laufen bereits erste grundlegende Untersuchungen. Die vorgestellte Technologie bildet somit die Basis für eine breite Palette möglicher Werkzeuge, die herkömmliche Diamantschneidwerkzeuge in der Medizin und Technik ergänzen oder ersetzen. Die neu gewonnen Freiheitsgrade bei der Formgebung können dazu genutzt werden, das Verständnis über die Vorgänge bei der Materialtrennung zu vertiefen und weiter optimierteWerkzeuge bereit zu stellen. Die hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse und die daraus resultierenden Ideen sollten den nötigen Anreiz zur Weiterentwicklung der Werkzeuge und der Ausweitung der Einsatzbereiche bieten.

Author dc:creator

• Ertl, Stephan

Contributors dc:contributor

• Menz, Wolfgang

• Plasmastrukturierung
• CVD
• RIE
• Plasma Processing

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