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Sonderforschungsbereich 599
Hörimplantate: Funktionsverbesserung durch Biointegration
Elektrisch stimulierende
Hörimplantate
Es gibt verschiedene Arten von hochgradiger Schwerhörigkeit bzw. Taubheit, die mit einem konventionellen Hörgerät
nicht mehr behandelt werden können. Liegt die Ursache für die
Taubheit im Innenohr (Verlust von Haarzellen), so lässt sich
der Hörnerv durch ein Cochlea-Implantat direkt elektrisch
stimulieren. Mit diesem Innenohrersatz wird es dem Patienten
wieder möglich, Sprache zu verstehen.
Wenn der Hörnerv defekt ist – z. B. nach Zerstörung durch einen
Tumor –, kann ein Implantat auch direkt in die Hörbahn des
Gehirns eingesetzt werden. Mit solch einem Hirnstamm- oder
Mittelhirn-Implantat ist ein Sprachverständnis zwar nur sehr
eingeschränkt möglich.
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Dennoch ist das Wahrnehmen von Umgebungsgeräuschen sehr
hilfreich, z. B. bei der Orientierung im Straßenverkehr.
Bei taub geborenen Kindern ist eine frühe Versorgung mit einem
Cochlea-Implantat besonders wichtig, da das Sprachverständnis
im Großhirn bereits in den ersten Lebensjahren angelegt wird:
Ohne Hören kein Spracherwerb
Mittelohrprothesen
In vielen Fällen ist die Schwerhörigkeit durch eine Schallleitungsstörung im Mittelohr bedingt. Dies kann z. B. in Form von Missbildungen der Gehörknöchelchen bereits angeboren sein oder
nach wiederholten Mittelohrentzündungen auftreten. In diesen
Fällen werden häufig die Gehörknöchelchen durch eine Mittelohrprothese ersetzt.
Ohr mit Cochlea-Implantat:
Der externe Soundprozessor nimmt
Schallwellen auf und wandelt diese
in digitale Signale um. Er sendet die
digitalen Signale an das unter der
Haut liegende Implantat. Das Implantat wandelt die Signale in elektrische Impulse um und leitet diese
an den Elektrodenträger in der Cochlea. Die Elektroden stimulieren die
Hörnervenfasern in der Cochlea. Im
Gehirn entsteht ein Höreindruck.
Schnitt ducrh das Mittelohr mit intakten Gehörknöchelchen (a) und Mittelohrprothese (b)
Kleinkind mit Cochlea-Implantat:
Eine frühe Implantation ermöglicht
eine normale Sprachentwicklung.
Implantierte Cochlea:
Die Hörschnecke hat
einen nach Tonhöhen
geordneten Aufbau:
Am Eingang liegen die
hohen Töne, in der Spitze
die tiefen. Statt durch die
Haarzellen wird hier der
Hörnerv (gelbe Stränge)
über die Elektrodenkontakte elektrisch stimuliert. Aus anatomischen
Gründen besteht übrigens keine direkte Berührung zwischen Elektroden und Hörnerv.
Mit Lebendzellen
(grün fluoreszierend)
beschichtete Elektrodenträger produzieren neuroprotektive
Wachstumsfaktoren
(rechts). Im Zellkulturmedium können diese Faktoren Nervenzellen zum Wachstum
anregen (links).
Cochlea-Implantat: Funktionalisierung durch lasergestützte Mikrostrukturierung der Oberfläche.
Durch geeignete Strukturierung der Oberfläche kann das unerwünschte Anwachsen von Bindegewebszellen stark reduziert werden.
Vision:
Anwachsen von
Nervenzellen an
die Elektrodenkontakte
Forschungsansatz
Ziel der Arbeiten in den „Hörprojekten“ des SFB 599 ist die Verbesserung der biologischen Integration des Implantats. Durch
spezielle Beschichtungen und Oberflächenstrukturierungen
soll die Wechselwirkung des Implantats mit dem umliegenden
Gewebe gezielt beeinflusst werden.
Cochlea-Implantat
Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Verbesserung der
Elektroden-Nerven-Schnittstelle. Nach der OP kommt es zu mehr
oder weniger starkem Bindegewebswachstum um die Elektrode.
Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand und der Stromverbrauch des Implantats. Ein häufiger Batteriewechsel ist erforderlich. Durch physikalische Mikrostrukturierung oder chemische Beschichtung soll eine Oberfäche geschaffen werden, die
selektiv die Bildung von Bindgewebe hemmt. Im Rahmen des
Projekts wird die Mikrostrukturierung mit Hilfe eines Femtosekundenlasers erzeugt. Dabei sorgen ultrakurze Lichtpulse für
einen schonenden und präzisen Materialabtrag.
Konzept Biologische Elektrodenbeschichtung: Genetisch modifizierte Zellen produzieren neuroprotektive und -regenerative Faktoren. Werden diese Zellen auf den Elektrodenträger aufgebracht,
können sie dazu beitragen, wichtige Nervenverbindungen zu
erhalten bzw. Nervenzellen zum Wachstum anzuregen.
Vision der Forschungsarbeiten ist die direkte Ankopplung von
Nervenzellen an die Elektrodenoberflache, um so die Selektivität
der Stimulation und die Anzahl der Informationskanäle zu erhöhen. Auf diese Weise würde dem Patienten neben einem weiter
verbesserten Sprachverständnis auch ein echter Musikgenuss
ermöglicht werden.
Mittelohrprothesen
Ziel der Forschungsarbeiten ist die verbesserte Integration von Mittelohrprothesen in den
Organismus. Hierzu werden verschiedene funktionelle Elemente entwickelt, die sich z. B. in
Form einer Beschichtung auf die Prothese aufbringen lassen.
Trommelfellpolster
Bei herkömmlichen Prothesen besteht die Gefahr, dass es bei Knalleinwirkung zu einer Verletzung des Trommelfells durch das harte Prothesengrundmaterial kommt. Ein Polster auf
der Prothese soll dies vermeiden. Das Polster muss so beschaffen sein, dass sich die akustischen Übertragungseigenschaften der Prothese nicht verschlechtern.
Lokale Implantatfixierung
Auf der dem Trommelfell gegenüberliegenden Seite stößt die Mittelohrprothese auf den
Steigbügel. An dieser Seite wäre ein festes Anwachsen der Prothese an den knöchernen
Steigbügel wünschenswert. Eine Beschichtung der Prothese mit dem Wachstumsfaktor
BMP-2 unterstützt den Anwachsprozess.
Lokale Medikamentenfreisetzung
Die Implantation findet häufig in einem bereits infizierten Gebiet statt. Auch sonst kann es
nach der OP zu Infektionen kommen. Lokale Freisetzung von Antibiotika von der Prothesenoberfläche fördert stark den Heilungsverlauf.
Antibakterielle Beschichtung
Um dauerhaft Infektionen zu verhindern, kann das Implantat mit einer antibakteriellen
Beschichtung versehen werden. Diese Beschichtung tötet Bakterien ab bzw. verhindert die
Besiedlung mit Bakterien.
Modulare Funktionalisierung
einer Mittelohrprothese: Durch
Freisetzung eines Antibiotikums
werden Bakterien über einen
begrenzten Zeitraum aktiv abgetötet. Antibaklterielle Beschichtungen sorgen dafür,
dass sich Bakterien an der Prothesenoberfläche unwohl fühlen
und sich dort nicht festsetzen.