Conformal Parylene-C Media Separating Membranes for Pressure Sensing Applications in Ventricular Assist Devices

Heart failure is one of the most prevalent heath issues in todays world. Regardless, if the condition is not recognized early and allowed to progress to its end stages, there are few treatment options available. The gold standard treatment and only permanent treatment of end-stage heart failure is heart transplantation. However, transplantation has proven to be an unsustainable model, as donor organ shortage is a prevalent issue.

Ventricular assist devices (VAD) were introduced in the early 2000s and were quick to supplement the shortage of available donor organs. Over 10 years these mechanical circulatory support systems became a popular method to bridging the patients treatment until transplantation is possible. While incremental progress on the performance of the devices have been made, obvious shortcomings are present in todays VADs. One shortcoming of current generation VADs is their failure to properly respond to changes in the perfusion demand of the patient, as they are operated in a constant speed mode. The resulting adverse effects, under- and overpumping of the ventricle, have a significant impact on patient mortality.

Unfortunately, the evident solution to this problem, implementation of control algorithms, is denied due to the lack of long-term stable and safe sensors. In this work, we propose an integration approach for commercial pressure sensors in VADs. The approach is based around a thin, polymeric membrane serving as the sensing interface. It is located in the inflow cannula of the VAD and implemented as an integral part of a conformal coating, covering the entirety of the cannula. Hence, the interface does not perturb the blood flow or increase the thrombogenicity of the device. The coating material is Parylene-C, a polymer known mainly as a protective coating for electronics has a unique deposition route and outstanding mechanical stability. Its biocompatibility has been proven in multiple clinical applications and novel developments make it a promising material regarding future functionalization.

The sensing interface is produced in a newly developed fabrication process based on a sacrificial material release. The sacrificial material is shaped to conformally complement the inside surface of the inflow cannula through a shaping body. A 10 µm thick Parylene-C film is deposited and the sacrificial material is dissolved, forming the media separating membrane sensing interface. Membranes fabricated in such a manner with a diameter of 1.5 mm deviated a maximum of 12 µm from an ideally replicated cannula surface. A demonstrator pressure sensor assembly with the Parylene-C media separating membrane was fabricated and evaluated on a water based measurement bench. The sensing interface was not found to influence the measurement performance of the sensor in a significant manner and exhibited a stable performance over the duration of several weeks.

A known shortcoming of Parylene-C is its lacking long-term adhesion to metals, especially in applications with permanent liquid contact. As a loss of adhesion could lead to potentially catastrophic failure in a VAD, this work addresses the issue by introducing a novel adhesion promotion strategy. Medical grade titanium is provided with a porous nanostructure layer through hydrothermal synthesis. The resulting layers have a thickness of approximately 1.5 µm and increase the specific surface area by a factor of 256 as compared to a ideally flat surface. As Parylene-C is deposited in a chemical vapor deposition process, the polymer completely interpenetrates the nanoporous layer and is thus effectively anchored to the metal surface. Improvement in Parylene-C adhesion was measured by accelerated aging at 80° C in physiological solution and subsequent blister like adhesion testing. While the Parylene film on polished reference surfaces was easily detached after aging for 10 days, nanostructured samples did not show a significant decrease in adhesion. Investigation of the samples show, that a cohesive fracture within the polymer layer occurs, indicating optimal adhesion. The presented results provide a long-term stable and safe blood-contacting sensing interface for pressure sensors in VADs.
 
Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten gesundheitlichen Probleme in der heutigen Zeit. Trotzdessen, falls die Erkrankung nicht frühzeitig erkannt wird und bis zu seinen Endstadien fortschreitet, gibt es nur wenige Behandlungsmöglichkeiten. Der Massstab und die einzige permanente Behandlung von Herzversagen im Endstadium ist die Herztransplantation. Die Transplantation hat sich jedoch nicht als tragfähiges Modell erwiesen, da der Mangel an Spenderorganen ein verbreitetes Problem ist.

Ventrikuläre Unterstützungssysteme (VAD) wurden in den frühen 2000er Jahren eingeführt und wurde als ergänzende Behandlungsmethode zu der Herztransplantation akzeptiert. Im Verlauf von 10 Jahren wurden diese mechanischen Kreislaufunterstützungssysteme zu einer beliebten Methode, um die Behandlung der Patienten bis zur Transplantation zu überbrücken. Während inkrementelle Fortschritte bei den Betriebseigenschaften der Geräte gemacht wurden, sind noch immer offensichtliche Mängel in den heutigen VADs vorhanden. Ein Mangel von VADs der gegenwärtigen Generation besteht darin, dass sie bei konstanter Drehzahl operiert werden und deshalb nicht vorausschauend auf Änderungen des Perfusionsbedarfs des Patienten reagieren können. Die sich daraus ergebenden Nebenwirkungen (Unter- und Überpumpen des Ventrikels) haben einen signifikanten Einfluss auf das die Gesundheit des Patienten.

Leider wird die offensichtliche Lösung dieses Problems, die Implementierung von Steueralgorithmen, aufgrund des Fehlens von langzeitstabilen und sicheren Sensoren verhindert. In dieser Arbeit schlagen wir einen Integrationsansatz für kommerzielle Drucksensoren in VADs vor. Der Ansatz basiert auf einer dünnen Polymermembran, welche als Sensorschnittstelle dient. Die Membran befindet sich in der Zuflusskanüle des VAD und ist integraler Bestandteil einer konformen Beschichtung, welche die gesamte Kanüle bedeckt. Deshalb wird der Blutfluss nicht durch die Messschnittstelle gestört und die Thrombogenität des gesamten Implantats verschlechtert sich nicht. Das konforme Beschichtungsmaterial ist Parylene-C, ein Polymer, das hauptsächlich als Schutzbeschichtung für elektronische Bauteile bekannt ist. Parylene-C hat einen einzigartigen Abscheideprozess und weist hervorragende mechanische Stabilität auf. Seine Biokompatibilität hat sich in mehreren klinischen Anwendungen bewährt, und neue Entwicklungen machen es zu einem vielversprechenden Material für biomedizinische Funktionalisierung.

Die Sensorschnittstelle wird in einem neu entwickelten Herstellungsprozess basierend auf einer Opfermaterialprozess hergestellt. Das Opfermaterial wird mit Hilfe eines Formkörpers so geformt, dass sich eine konforme Oberfläche mit der Innenfläche der Zuflusskanüle ergibt. Eine 10 µm dicke Parylen-C Schicht wird abgeschieden und das Opfermaterial wird aufgelöst, wodurch eine freistehende Messschnittstelle entsteht. Auf solche Weise hergestellte Membranen mit einem Durchmesser von 1.5 mm, wichen um maximal 12 µm von einer ideal replizierten Kanülenoberfläche ab. Ein Demonstrator für die Druckmessung mit Parylene-C Messschnittstelle wurde hergestellt und auf einer wasserbasierten Messbank evaluiert. Es konnte nicht erwiesen werden, dass die Messleistung des Sensors in signifikanter Weise durch die Messschnittstelle beeinflusst wird und eine stabile Messleistung über die dauer von mehreren Wochen wurde gezeigt. Eine bekannte Schwachstelle von Parylen-C ist seine mangelnde Langzeithaftung an Metalloberflächen, insbesondere bei Anwendungen mit permanentem Flüssigkeitskontakt. Da ein Adhäsionsverlust zu einem katastrophalen Versagen eines VAD führen könnte, wird in dieser Arbeit das Problem durch die Einführung einer neuen Adhäsionsförderungsstrategie behandelt. Mediziniescher Titan wird durch hydrothermale Synthese mit einer porösen Nanostrukturschicht versehen. Die resultierenden Schichten haben eine Dicke von ungefähr 1.5 µm und erhöhen die spezifische Oberfläche um einen Faktor von 250 im Vergleich zu einer ideal ebenen Oberfläche. Da Parylene-C in einem chemischen Gasphasenabscheidungsprozess abgeschieden wird, durchdringt das Polymer die nanoporöse Schicht vollständig und ist somit effektiv an der Metalloberfläche verankert. Die Verbesserung der Parylene-C Adhäsion wurde durch beschleunigte Alterung bei 80° C in physiologischer Lösung und durch einen anschliessenden "blister-like" Adäsionstest gemessen. Während der Parylene-Film auf polierten Referenzoberflächen nach dem Altern für 10 Tage leicht abgelösbar war, zeigten nanostrukturierte Proben keine signifikante Abnahme der Adhäsion. Die Untersuchung der Proben zeigt, dass kohäsives Versagen innerhalb der Polymerschicht auftritt, was auf eine optimale Haftung hinweist.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse demonstrieren die Machbarkeit von Langzeitstabilen und Hemokompatiblen Messschnitstellen für VADs.