Neuromuskuläre Implantate im Nanoformat
Die neuromuskuläre Synapse, d.h. die Verbindung zwischen Nervenzellen (Neuronen) und Muskelfasern im peripheren Nervensystem ist eine wichtige Zielstruktur in der Prothetik. Immer geräuschärmere Nanotechnologien in immer höherer Auflösung stellen eine viel versprechende Lösung dar, um eine Vielzahl von Funktionsstörungen aufgrund von neurodegenerativen Erkrankungen oder Traumata zu behandeln. EU-finanzierte Wissenschaftler erreichten nun im Rahmen des Projekts MERIDIAN (Micro and nano engineered bi-directional carbon interfaces for advanced peripheral nervous system prosthetics and hybrid bionics) einen Meilenstein bei der Entwicklung solcher Schnittstellen. Die innovative Lösung besteht in einem quasi intrazellulären Faserkontakt zwischen einer einzelnen Elektrode und einem einzelnen Muskel. Die goldbeschichteten pilzförmigen Elektroden werden dabei vollständig von dem Neuron umschlossen. Diese Schnittstellen ermöglichten die Aufnahme oder Simulation in bislang höchster Auflösung und niedrigstem Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Damit fungiert die quergestreifte Muskulatur als biologischer Verstärker von Reizen aus Motorneuronen des zentralen Nervensystems, sodass die Hirnsteuerung über Prothesen erfolgen kann. Aufgrund ihrer nanokristallinen Diamantbeschichtungen zeichnen sich die pilzförmigen 3D-Elektroden durch außergewöhnliche elektrochemische Eigenschaften, gute mechanische und chemische Stabilität sowie Biokompatibilität aus. Die Diamantelektroden wurden in vivo an extra- und intraneuralen Geräten getestet. Um die Aufnahme durch die Neuronen zu verbessern, wurde die Oberfläche mit Peptiden funktionalisiert. Die in Mikroelektroden-Arrays angeordneten Elektroden gewährleisten eine hohe Flexibilität der Implantate. Die Tests erfolgten mit SELINE-Elektroden (intraneurale selbstöffnende intrafaszikuläre neuronale Schnittstelle), die in den Ischiasnerv von Ratten implantiert wurden. Mittels intraneuraler Elektroden konnte damit eine sensorische Rückmeldung durch Nervenstimulation bei Amputation unter dem Ellbogengelenk erreicht werden. Eine kontinuierliche bzw. langfristige Validierung einer neuen intraneuralen 3D-Mikroelektrode ergab, dass sie sich zur Stimulation dauerhafter Implantate eignet. MERIDIAN entwickelte auch eine flache regenerative Elektrode. Sie wurde in speziell präparierte Nervenbahnen eingesetzt, sodass sich nach der Implantation die Axone durch den Kanal entlang der Elektrode regenerieren können. Mittels Dünnfilmtechnologie und anderen neuartigen Technologien, mit denen Wachstums- und neurotrophische Faktoren über Mikrokügelchen verabreicht werden, wurde ein Gerät entwickelt, das die Regeneration peripherer Nerven stimuliert. Geplant ist nun, die innovativen Elektroden bei In-vivo-Implantaten mit bidirektionalen und Echtzeitbionikgeräten zu demonstrieren, was Patienten mit Harninkontinenz und Handprothesen zugute kommen wird. Mit Strategien, die die Nervenregeneration anregen, kann der Effekt dieser Prothesen noch verbessert werden.
Schlüsselbegriffe
Neuromuskuläre Implantate, Elektrode, Prothetik, Gold, Diamanten
