Kann die Schnittqualität von Trepanen noch verbessert werden?

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

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