Stoffsammlung zum aktuellen Stand der Mikroelektodenfertigung in der Neuroprothetik, Dokumentation der Entwürfe und Fertigung eigener Mikroelektroden
Zusammenfassung:
Die vorliegende Arbeit fasst den aktuellen Stand der Verwendung von Mikroelektroden zusammen und stellt die unterschiedlichen Elektrodenformen vor. Weiter gilt besonderes Augenmerk den technischen und biologischen Anforderungen, die an Mikroelektrodensysteme gestellt werden, die als Bestandteile eines Implantats zur Stimulation von zentralen oder peripheren Nerven oder zur Ableitung von Nervensignalen vorgesehen sind.
Die gängigen Verfahren für die Fertigung von Mikroelektrodensystemen werden näher beleuchtet, insbesondere die wichtigen Prozesse der Elektronenstrahl - und der Maskenlithografie und darauf aufbauend die möglichen Beschichtungsverfahren. Dazu zählen auch die verwendeten Materialien für die Elektroden, wozu beispielhaft Forschungsergebnisse mit unterschiedlichen Ansätzen vorgestellt werden.
Abschließend werden verschiedene eigene Entwürfe für Mikroelektrodensysteme vorgestellt und die eigentliche Fertigung in ihren Einzelschritten dargestellt und dokumentiert. Abschließend folgt ein Kostenvergleich der verschiedenen Fertigungsverfahren.
Abstract:
This work summarizes the current state of use of microelctrodes in medicine and introduces various forms of electrode systems.
Further are explained the technical and biological requirements for implanted neural recording and stimulating microelectrode systems.
The common ways of fabrication for microstructures are explained in particular the processes of E - Beam - Lithography and mask - lithography. Also explained are the various possible coating processes including different materials for the fabricating and coating of electrodes with examples from works with different approaches.
Basing on these works some new microelectrode designs are presented and the steps of manufacturing are described.
Finally the costs for the different forms of microstructure manufacturing are evaluated.
Abkürzungsverzeichnis
AIROF = Activated Iridium Oxide Film
Å = Ångström (Längeneinheit 1 Å = 1 -10 Meter) CAD = Computer Aided Design
CI = Cochlea Implantat
CIC = Charge Injection Capacity CSC = Charge Storage Capacity
CVD = Chemical Vapor Deposition (Chemische Dampfabscheidung) DC = Direct Current (Gleichspannung) EIROF = Electrodeposited Iridium Oxide Film
ESA = Electrochemical Surface Area (~ Elektrochemische aktive Oberfläche) EUV = Extrem Ultra - Violette Strahlung HF = High frequency oder Hochfrequenz LaB6 = Lanthanhexaborid LIGA = Lithografisch - Galvanische Abformung LM = Line - Modus MM = Mäander - Modus PMMA = Polymethylmethacrylat
Quellenverzeichnis
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Analyse und Entwurf struktur- und oberflächenoptimierter 3D Mikroelektrodensysteme für die Neuroprothetik
1. Einleitung
Elektroden und Elektrodensysteme verschiedener Art und Größe sind fester Bestandteil der medizinischen Technik. Sie werden eingesetzt, um Nervenimpulse des menschlichen Körpers für diagnostische Zwecke auszulesen, aber auch um künstlich außerhalb des Körpers erzeugte, elektrische Impulse in den menschlichen Körper hinein oder innerhalb des Körpers zu übertragen und dort Reaktionen auszulösen. Bis vor wenigen Jahren waren überwiegend Elektroden üblich, die außen an den Körper geklebt oder durch Gurte oder ähnliche Hilfsmittel befestigt wurden. Für zeitlich begrenzte Zwecke ist dies auch heute noch sinnvoll, doch gerade im Bereich langfristiger Einsätze ist die Implantation von Elektrodensystemen und den dazugehörigen Geräten sinnvoller und mit dem Fortschritt der Technik auch einfacher umsetzbar geworden.
2. Aktueller Stand der Technik
Hierin werden verschiedene Faktoren der aktuellen Elektrodenfertigung näher beleuchtet, um Grundlagen für die Neuentwicklung im Rahmen des iNano - Projektes zu schaffen und alternative Vorgehensweisen aufzuführen.
2.1. Aufbau und Verbindungstechnik
Je nach Verwendungszweck und Einsatzort sind die implantierbaren Elektrodensysteme unterschiedlich konzipiert. Allerdings gibt es einige grundsätzliche Formen, die dann je nach Bedarf abgewandelt werden.
Die einfachste Form eines Elektrodensystems ist die Integration der Stimulations- oder Ausleseelektroden in das Verbindungskabel zum dazugehörigen Stimulator oder den ebenfalls implantierten Mikrocomputern. Dabei ist es bereits möglich, eine leitfähige Elektrode zu erhalten, indem man einfach die Isolierungsschicht des Kabels freilegt.
Abb. 1: Stabelektroden / Transkutane Elektroden der Firma Medtronic
Je nach Bedarf kann dann noch eine Beschichtung mit Materialien vorgenommen werden, welche die Ladungsübertragung an das Gewebe verbessern. Diese Elektrodensysteme können durch Blutgefäße oder andere, bereits im Körper vorhandene Hohlräume an ihren Bestimmungsort geschoben werden oder, sollte dies nicht möglich sein, können zumindest die Schäden bei der Platzierung minimiert werden. Elektroden dieses Typs finden Verwendung bei Herzschrittmachern, Kardiovertern (implantierten Defibrillatoren), sowie bei der Stimulation tiefer liegender Hirnareale, die ansonsten nur schwer oder gar nicht erreichbar wären. So aber können die Elektrodensysteme unter weit geringerem Aufwand, teilweise sogar nur unter örtlicher Betäubung im Körper platziert werden. Sie werden auch als transkutane Elektroden bezeichnet.
Mehr Aufwand bezüglich der Herstellung und Platzierung erfordern Cuff -, Kissen -, oder Siebelektroden, die im Rahmen eines operativen Eingriffes an den Einsatzort gebracht und dort verankert werden müssen. Bei den so genannten „Cuff - Elektroden“ („Cuff“ = engl. Manschette) handelt es sich um einen Kunststofffilm, auf dem die leitenden Strukturen aufgebracht werden und der an den Seiten über fingerartige Verlängerungen verfügt. Die Verankerung der Elektrode erfolgt mit Hilfe einer vorgeformten Silikonmanschette. Hierbei gibt es auch die Variante einer so genannten „Spiral cuff“- Elektrode, die sich mehrfach um den betreffenden Nerven windet. Hierdurch werden eine höhere Flexibilität und eine geringere Belastung des Nervengewebes erreicht.
Abb. 2: Cuff - Elektrode der Firma NeuroTECH
Kissenelektroden, die auch als Chirurgische Elektroden bezeichnet werden, besitzen die Form eines meist rechteckigen Kunststoffkissens mit abgerundeten Ecken, auf das mehrere,
in der Regel paarweise, angeordnete Stimulationselektroden (üblich sind bis zu 16 Stück) aufgebracht sind. Diese Form wird vor allem mit den so genannten Painkillern (elektrischen Stimulatoren, die mit Hilfe von elektrischem Strom chronische Schmerzen unterdrücken) eingesetzt, da sie vergleichsweise große Stromflüsse übertragen müssen und die Kissen sehr gut im umgebenden Gewebe verankert werden können.
Abb. 3: Chirurgische Elektroden der Firma Medtronic
Siebelektroden bestehen aus einem durchlöcherten Träger, meist einem Siliziumchip, auf den die leitenden Schichten aufgebracht werden und einem Führungskanal aus Kunststoff, in der Regel Silikon oder Polyimid. Die eigentlichen leitenden Strukturen sind dabei um die Löcher angelegt. Die Siebelektrode wird zwischen die beiden Enden eines zertrennten Nervenstranges platziert und dort verankert. Anschließend sollen sich die Nervenenden wieder miteinander verbinden, wobei der Kontakt durch die beschichteten Löcher erfolgen soll. Das Zustandekommen eines Kontaktes setzt jedoch die Regenerationsfähigkeit von Nervenfasern voraus, die in der Regel weit unter der von anderen Gewebearten liegt, weshalb nicht immer mit einem erfolgreichen Ergebnis gerechnet werden kann.
Abb. 4: Schematische Darstellung einer Siebelektrode mit Nervenstumpf und regenerierten
Axonfasern
Zu jeder Stimulations- oder Ausleseelektrode der aufgeführten Formen gehört ein Kabel, das die notwendigen Signale zwischen den Elektroden und dem zugehörigen medizinischen Gerät transportiert, beziehungsweise die Stromversorgung für die Stimulationsimpulse
gewährleistet. Der Durchmesser 1 der Kabel liegt dabei üblicherweise zwischen 1,3 und 1,5 mm.
2.2. Anwendungsspezifische Ausleseelektrodensysteme
Als klassische und ausgereifte Variante des Auslesens von Nervensignalen ist zunächst das bekannte Elektroenzephalogramm (EEG) zu nennen, also das Auslesen von Verteilung und Ausmaß der Hirnaktivität mittels externer am Kopf befestigter Oberflächenelektroden. Die Elektroden sind derart gestaltet, dass sie robust sind und leicht zu handhaben sind. Im Allgemeinen verfügen sie über eine vergleichsweise große leitfähige Fläche, während der Rest so geformt ist, dass er mit Hilfe eines Gumminetzes oder einer Haube auf der Kopfhaut fixiert werden kann.
Abb. 5: EEG mit Steckplätzen für Elektroden
Alternativ können für die EEG- Ableitung auch feine Nadelelektroden verwendet werden, die direkt in die Kopfhaut gestochen werden. Auf diese Variante wird meist bei Bewusstlosen zurückgegriffen oder in Fällen, in denen es auch auf minimale Ausschläge der EEG- Kurve ankommt, wie es zum Beispiel bei Komapatienten der Fall ist oder beim Verdacht auf den Hirntod des Patienten.
Abb. 6: EEG - Nadelelektrode von Medtronic / Dantec
Daneben gibt es die Elektroneurographie, die quasi eine Überschneidung von Stimulation- Ausleseverfahren darstellt und zur Überprüfung der Nervenleitgeschwindigkeit bei degenerativen Erkrankungen des Nervensystems verwendet wird. Dabei wird über eine aufgeklebte Oberflächenelektrode ein Impuls abgegeben und eine weitere Elektrode registriert die Dauer bis zum entsprechenden Nervenantwortpotential und die Stärke des Potentials.
2.3. Anwendungsspezifische Stimulationselektrodensysteme
Die Stimulation von Nervensträngen mit Hilfe von elektrischem Strom ist ein altbekanntes Verfahren, das bereits in der Antike Anwendung fand. Hier allerdings unter weit primitiveren Umständen, da hierfür ein Zitteraal verwendet wurde. Damals diente sie der Schmerzbekämpfung. Heute ist das Einsatzgebiet stark erweitert und die Technik bedeutend verfeinert worden. Grundsätzlich werden künstliche elektrische Impulse in der Medizin in zwei Formen eingesetzt. Die erste Variante ist als Elektrostimulation in der Therapie von chronischen Schmerzen verbreitet, wird aber auch zur Linderung des Tremors bei Morbus Parkinson eingesetzt. Bei chronischem Schmerz liegt eine Nervenschädigung vor, die dazu führt, dass ohne entsprechenden Anreiz von außen ein Schmerzempfinden ausgelöst wird. Dies kann durch eine infektiöse Erkrankung oder traumatische Einwirkung (zum Beispiel durch einen Unfall oder Quetschung) hervorgerufen werden. Nach Amputationen kann es zu einem Schmerzempfinden in dem entfernten Körperteil kommen, dem so genannten Phantomschmerz, der mit medikamentösen Mitteln meist nicht in angemessener Weise zu behandeln ist. Hier kann mit der Implantation eines Neurostimulators, einem so genannten „Painkiller“, Abhilfe geschaffen werden. Der Stimulator gibt über Elektroden, die rückenmarksnah im Rückenmarkskanal verankert werden, Stimulationsimpulse ab, um durch gezielte Überlagerung der Phantomschmerzimpulse dem Patienten Linderung zu verschaffen.
Abb. 7: Schematische Lage eines Nervenschrittmachers/Painkillers
Bei Morbus Parkinson liegt eine Schädigung der dopaminergen Neuronen, also der Nervenzellen, die den Neurotransmitter Dopamin produzieren vor. Dopamin ist ein Botenstoff, der die Aktivität anderer Neurotransmitter hemmt. Neben anderen Erscheinungen kommt es zu einem Tremor, einem meist rhythmischen Muskelzittern, das auch im Ruhezustand nicht aussetzt. Ein so genannter Hirnschrittmacher ist in der Lage, über Elektroden, die in den krankhaften Hirnarealen implantiert werden, die ungezügelte neuronale Übertragung durch „Störimpulse“ einzuschränken und somit die Bewegungsstörung sichtbar zu mindern.
Ein weiteres, großes Anwendungsgebiet ist die gezielte Stimulation von Nerven. In der Regel geht es hier um die Überbrückung geschädigter Nervenfasern, zum Beispiel, um bestimmte Sinneswahrnehmungen oder die Funktionsfähigkeit eines Organs oder einer Extremität wiederherzustellen oder zu ersetzen. Im Falle des unten abgebildeten „Freehand
- Systems“, das von der mittlerweile nicht mehr existierenden Firma NeuroControl entwickelt wurde, muss die Ansteuerung der gelähmten Hand allerdings noch über ein externes Kontrollgerät erfolgen. Dieses Kontrollgerät wird an der gegenüberliegenden Schulter oder Brust befestigt, so dass durch gezielte Schulterbewegungen eine Steuerung der Hand erfolgen kann. Dadurch sind einfache Handbewegungen wie zugreifen und loslassen, oder auch das Packen einer Türklinke möglich, wodurch das Leben gelähmter Menschen bedeutend erleichtert werden kann.
Abb. 8: „Freehand - System“ für tetraplegische Patienten
Vergleichsweise häufig eingesetzt werden heute die Cochlea- Implantate (englisch Cochlea Implant) oder kurz „CI“. Dieses Implantat wird bei Menschen eingesetzt, die so stark schwerhörig sind, dass ein gewöhnliches Hörgerät die notwendige Leistung nicht mehr erbringen kann oder bei vollständig ertaubten Personen. Voraussetzung ist jedoch, dass die Verminderung der Hörfähigkeit auf einer Schädigung der Hörsinneszellen beruht und nicht auf einer zentralen Schädigung im Gehirn. Bei der Implantation eines Cochlea Implantates wird ein feines Elektrodenkabel in die Schnecke eingeführt und das Hauptgerät (meist) hinter dem Ohr implantiert. Ein Mikrofon nimmt die Geräuschimpulse von außen auf, danach werden von einem Prozessor die für die Spracherkennung wichtigen Frequenzanalysen durchgeführt und als elektrische Signale an das Elektrodenkabel in der Schnecke weitergeleitet. Die geschädigten Hörsinneszellen werden umgangen, indem die Elektroden direkt elektrische Impulse an den Hörnerven übertragen. Trotz 10jähriger Entwicklungsphase befinden sich die so genannten Retinaimplantate noch im Entwicklungsstadium. Dabei handelt es sich um Geräte, die es Blinden in einem gewissen Rahmen ermöglichen sollen, wieder optische Eindrücke zu erhalten. Die Stimulation soll über Elektroden erfolgen, die mit den Sinneszellen des Auges gekoppelt sind. Dazu sind weitere Forschungen, insbesondere im Bereich der Mikrosystemtechnik, Mikroelektronik und Implantattechnik (zum Beispiel Fixation), erforderlich. Allerdings ist davon auszugehen, dass Menschen mit diesen Implantaten das Sehen quasi „neu“ erlernen müssen, da die über die Elektroden vermittelten Eindrücke die Komplexität des natürlichen Sehens nicht annähernd werden erreichen können. Ein zunächst schemenhaftes Sehen wird erwartet.
2.4. Kombinierte Auslese - und Stimulationselektrodensysteme
Ein weiteres Forschungsgebiet liegt wie bei der Auslese von Nervenimpulsen im Bereich der Prothetik. Allerdings soll hier über die Stimulierung der Nerven dem Prothesenträger ein Eindruck des Fühlens vermittelt werden, um zum Beispiel den Druck einer künstlichen Hand auf ein Ei oder ein Glas bewusst steuern zu können. Es soll damit ein Regelkreis entstehen („closed loop“ Betrieb).
Allerdings sorgen die komplexen Verbindungen des Nervensystems dafür, dass ein großer Teil dieser Anwendungen noch geraume Zeit auf den Einsatz im Forschungsbereich beschränkt bleiben wird.
2.5. Anforderungen an implantierte Mikroelektroden
Elektrodensysteme, wie sie hier behandelt werden, fallen in die Klasse der Langzeitimplantate, das heißt, es ist nicht vorgesehen, sie nach Ablauf einer Frist oder beim Eintreffen eines bestimmten Ereignisses wieder aus dem Körper zu entfernen. Implantate, die nicht in diese Kategorie fallen, sind entweder Kurzzeitimplantate (Schrauben, Nägel und Platten zur Unterstützung von Heilprozessen an Knochen) oder sogar Ultrakurzzeitimplantate (Chirurgische Instrumente, die nur während einer Operation im Körper eingesetzt werden). Alle Materialien, die für den permanenten Einsatz innerhalb des menschlichen Körpers vorgesehen sind, müssen, abhängig von ihrer Funktion im Implantat, verschiedene chemische, biochemische und physikalische Anforderungen und Auflagen erfüllen, die mitunter für jede Anwendung neu geprüft werden müssen.
2.5.1. Biokompatibilität
Der Begriff Biokompatibilität wurde ursprünglich nur für die biologische und chemische Verträglichkeit eines Materials mit lebendem Gewebe verwendet. Allerdings ist er in den letzten Jahren beträchtlich erweitert worden. So umfasst er heute sämtliche Faktoren der Interaktion zwischen technischen und biologischen Systemen, einschließlich der Ökokompatibilität bei der späteren Entsorgung. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Biokompatibilität jedoch die Wechselwirkungen zwischen einem medizinischen Gerät, das für die Implantation bestimmt ist und dem umgebendem Gewebe oder Gewebeteilen.
Je nach Ausmaß der biologischen Verträglichkeit unterscheidet man unterschiedliche Grade der Biokompatibilität. Dabei unterscheidet man:
Toxisch: Das Implantat verursacht Gewebsnekrosen mit Absterben des Umgebungsgewebes. Außerdem sind weitergehende Vergiftungserscheinungen möglich, wenn die toxischen Partikel über Blutkreislauf oder Lymphsystem verbreitet werden. Biologisch Inert: Die Bildung von körpereigenem Bindegewebe führt zu einer Einkapselung des Implantates, da es als körperfremdes Material erkannt wird, jedoch findet keine Abwehrreaktion statt. Da Bindegewebe sehr schlecht Strom leitet, kann die Funktion des Implantates beeinträchtigt werden. Außerdem kann es zu einer Verschiebung des Implantates kommen, wenn sich die Gewebestruktur verändert.
Bioaktiv: Bei bioaktiven Materialien treten positive biochemische Interaktionen zwischen Gewebe und Implantat auf. Dies kann beispielsweise das Einwachsen von knöchernen Strukturen in entsprechend präparierte Implantate sein, wodurch ein bedeutend besserer Halt erreicht wird.
Degradabel: Degradable Materialien werden im Laufe der Zeit aufgelöst und durch körpereigenes Gewebe ersetzt. Eine solche Reaktion ist bei modernen Nahtmaterialien zu finden, die sich nach einer Frist zersetzten und nicht mehr entfernt werden müssen. Je nach Funktion kann ein Implantat bestimmte Grade gar nicht erreichen, ein Herzschrittmacher kann aufgrund seiner Funktion maximal inert sein. Zusätzlich kann eine anfänglich vorhandene, gute Biokompatibilität im Laufe der Zeit oder durch Interaktion mit dem umgebenden Gewebe nachlassen oder ganz verschwinden, so dass eine Entfernung des Implantates notwendig wird. Aktuelle Forschungsarbeiten befassen sich mit Methoden der Oberflächenmodifikation, mit denen künstliche Oberflächen „Gewebe - ähnlich“ gemacht werden sollen.
Der Faktor Toxizität definiert die eigentliche gesundheitsschädliche Wirkung, die ein Stoff oder dessen Reaktions- oder Abbauprodukte auf lebendes Gewebe besitzt. Die Toxizität eines Stoffes wird getestet, indem bei so genannten „in - vitro“ Tests verschiedene Zellkulturen dem Material über einen festgelegten Zeitraum hinweg ausgesetzt werden und anschließend überprüft wird, wie sich die Anzahl der lebenden Zellen in diesem Zeitraum verändert hat. Bei diesen Zellkulturen handelt es sich im Allgemeinen um standardisierte Zelllinien von Maus oder Mensch. In einem späteren Stadium werden dann Zellen der Gewebeart den Materialien exponiert, die später in Kontakt mit dem Implantat kommen können. Neben dem toxischen Aspekt eines Materials gilt es auch die so genannte Oberflächenkompatibilität sicherzustellen. Dies bedeutet, dass die Oberfläche der äußeren Hülle derart gestaltet ist, dass keine traumatisierenden Effekte auf das umgebende Gewebe
zu erwarten sind, in der Regel also geglättet und poliert sind, sowie nicht über scharfe Ecken oder Kanten verfügen.
Metalle müssen dabei besonders hinsichtlich ihrer Verträglichkeit beurteilt werden, da sowohl edle als auch unedlere Metalle, die dauerhaft den Einflüssen von lebendem Gewebe ausgesetzt sind, stark zu Korrosion und Zersetzung tendieren. Dies gilt noch in stärkerem Maß, wenn es sich dabei um stromführende Komponenten handelt. Wenn es sich nicht um Bestandteile handelt, die aktiv mit der Umgebung interagieren, ist eine Isolierung durch Beschichtung oder Verkapslung mit Kunststoffen oder Keramiken möglich, um die Abgabe von Metallpartikeln in die Umgebung zu unterbinden Einige unedlere Metalle und Legierungen wie der so genannte Chirurgenstahl 316LVM oder die Kobalt-Chrom-Legierung MP35N bilden von sich aus Oxidschichten, welche die darunter liegenden Schichten schützen. Hier ist allerdings darauf zu achten, dass die Oxidschichten in der Regel durch elektrischen Strom zerstört werden und sich nicht schnell genug regenerieren, um ihre Schutzfunktion ausreichend gewährleisten zu können [1]. Ist die Möglichkeit einer Isolierung nicht gegeben, existieren verschiedene Faktoren, welche die Freisetzung von Metallpartikeln beeinflussen. Dazu zählt zunächst die Zusammensetzung einer Legierung. Ein hoher Anteil an edlen Metallen wie Gold, Platin oder Iridium und eine homogene Verteilung der Bestandteile verringern das Risiko von Partikelfreisetzung. Vergleichsweise unedle Metalle wie Kupfer, Nickel oder Zink und eine heterogene Mischung erhöhen diese Gefahr. Letztere Metalle sind zwar in vielen Legierungen enthalten, die bei Implantaten eingesetzt werden, jedoch handelt es sich hierbei in der Regel um Implantate, die knochenersetzend oder -unterstützend verwendet werden. Dabei handelt es sich zum Beispiel um künstliche Gelenke oder Schrauben und Platten, die nach komplizierten Frakturen der Stabilisierung der Knochen dienen. Ebenfalls von Bedeutung ist die Oberflächenbeschaffenheit eines Materials. Speziell bei metallischen Elektrodensystemen ist eine mikroskopisch zerklüftete Oberfläche zur Erhöhung der Ladungsübertragung in das Gewebe erwünscht. Andererseits bietet eine mikroskopisch zerklüftete Oberfläche eine ideale, aber unerwünschte Haftunterlage für Bakterien, Erythrozyten und Fibrin. Man spricht hier auch von Oberflächenkompatibilität. Die Oberflächenkompatibilität besitzt mehrere Aspekte, die je nach Material und Einsatz in unterschiedlichem Maße erwünscht sind oder nicht. Eine gute Oberflächenkompatibilität kann zur einfachen Integration des Implantates in den Körper führen, was zum Beispiel bei Gelenkersatz auch erwünscht ist, da durch die Einbindung der Verankerungen eine höhere Haltbarkeit und Patientennutzen erzielt werden kann. Bei Elektroden führt eine solche
Einbettung in körpereigenes Gewebe zu einer Erhöhung des Übertragungswiderstandes, da das entstehende Bindegewebe nur sehr schlechte elektrische Eigenschaften besitzt. Hierdurch sinkt die effektive Leistung des Implantates ab. Theoretisch kann mit einer Erhöhung der Spannung gegengesteuert werden, jedoch verkürzt dies die Lebensdauer der Batterie oder erfordert einen schnelleren Ladungszyklus des Akkus.
2.5.2. Chemische Stabilität
Die chemische Stabilität umfasst alle chemischen und elektrochemischen Einflüsse, denen ein Implantat im Körper eines Menschen oder eines Tieres ausgesetzt sein kann. Blut und andere Körperflüssigkeiten, mit denen ein Material im Normalfall in Kontakt kommen
kann, sind neutral bis leicht basisch (pH-Wert um 7,41) 2 und wirken daher in unterschiedlichem Masse korrodierend auf die meisten Metalle, die in implantierten Strukturen Verwendung finden. Weiter kann eine körpereigene Abwehrreaktion zu einem lokalen Anstieg von Stoffwechselreaktionen führen. Die dabei ablaufenden Prozesse im Rahmen einer entzündlichen Reaktion können zu Schädigungen der Implantatoberfläche führen.
Um die chemische Stabilität zu erhöhen, greifen die Hersteller je nach zu schützendem Material zu unterschiedlichen Mitteln. Einige Metalle bilden eine Oxidschicht aus, die ihre Oberfläche von aggressiven Flüssigkeiten schützt. Dies ist zum Beispiel der Fall bei den Legierungen 316LVM, dem so genannten Chirurgenstahl, MP35N oder Elgiloy. Letztere sind Legierungen auf der Grundlage von Kobalt. Allerdings wird diese Oxidschicht sehr schnell durch elektrische Stromflüsse geschädigt und bietet dann keinen hinreichenden Schutz mehr.
Andere besonders edle Metalle wie Gold, Platin oder Iridium, sowie deren Legierungen besitzen von Natur aus einen hohen Widerstand gegen chemische Korrosion, der allerdings durch das Überschreiten der reversiblen Grenzen der Ladungsübertragung (Verlassen des so genannten Wasserfensters) in unterschiedlichem Maß beeinträchtigt werden kann. Als Wasserfenster bezeichnet man den Spannungsbereich, in dem gefahrlos Ladung ins Gewebe abgegeben werden kann, ohne dass es zu irreversiblen Reaktionen wie Auflösungserscheinungen an den Elektroden oder der elektrolytischen Spaltung von Wasser kommt, wobei die Elektrolyse dem Wasserfenster seiner Namen verliehen hat. Keramiken sind zwar als Verkapselungen aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität durchaus verwendbar, jedoch sollen die Gehäuse in vielen Fällen zum Beispiel bei
Herzschrittmachern und den als innere Defibrillatoren bekannten Kardiovertern als Gegenelektrode dienen und müssen daher zumindest teilweise eine leitfähige Grundstruktur besitzen, die in direktem Kontakt mit dem umgebenden Gewebe liegt. Verschiedene Polymere, insbesondere die Gruppe der Parylene, sind als Isolationsmaterialien oder für Gehäuse sehr gut geeignet, da sie chemisch sehr beständig sind und gut geformt werden können, um sie den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Unabhängig vom verwendeten Material stellen Schnitt- und Übergangsstellen zwischen zwei Materialien, wie zum Beispiel die Eintrittpunkte der Kabel in den Stimulator oder der Übergang vom isolierten Kabel zur freiliegenden Stimulationselektrode, grundsätzlich Schwachpunkte in der Konstruktion dar, da hier bei Beschädigungen Flüssigkeiten eindringen und unerwünschte Reaktionen auslösen können, beziehungsweise die Funktionsfähigkeit des Implantates beeinträchtigen können.
2.5.3. Mechanische Stabilität
Dies ist ein besonderer Faktor, da die verwendeten Materialien unterschiedliche Aufgaben erfüllen müssen. Ausschlaggebend für die Betrachtung sind das spätere Einsatzgebiet und die Form der Elektrodensysteme. Elektrodensysteme, die durch Blutgefäße oder andere natürliche Höhlungen im Körper an ihren Bestimmungsort vorgeschoben werden, müssen so fest sein, dass sie sich vorschieben lassen und im Falle eines Verkantens dem Anwender ausreichend Widerstand bieten, damit der Anwender dies feststellen kann. Andererseits müssen sie flexibel genug sein, um den natürlichen Biegungen eines Blutgefässes folgen zu können, da ansonsten Verletzungen drohen, die je nach verwendetem Gefäß gefährliche Folgen haben können.
In der Regel erhalten die Kabel eine innere Struktur, die der einer Helix entspricht, da diese Form eine ausreichende Flexibilität besitzt, um den Anforderungen während der Implantation zu begegnen, andererseits aber auch später den Bewegungen innerhalb des menschlichen Körpers unbeschädigt und ohne Verletzungsgefahr zu folgen vermag. Bei den eigentlichen Stimulationselektroden hängt die Gewichtung der vorgenannten Aspekte davon ab, wie sie konstruiert sind und wie sie eingesetzt werden sollen. Handelt es sich um einfache Knopfelektroden oder freigelegte Abschnitte in der Isolierung, sind sie aufgrund dieser Form ohnehin nicht bruchgefährdet. Allerdings kann es bei einer Beschichtung zu Abrieberscheinungen kommen. Die dabei entstehenden Abriebpartikel dürfen ebenfalls keine Schädigung des Gewebes durch chemische Reaktionen oder elektrische Wechselwirkungen mit den eigentlichen Elektroden auslösen.
Anders sieht es im Fall von penetrierenden Elektroden aus, die zum Beispiel in Nervenfasern eindringen müssen. Sie müssen eine hinreichende Stabilität und Starrheit aufweisen, um das Gewebe ohne Beschädigungen, die die Leistungsfähigkeit der Elektrode beeinträchtigen, zu durchdringen. Zudem müssen sie robust genug sein, um mechanischen Belastungen aufgrund von Muskelbewegungen oder anderen, im Körperinneren wirkenden Belastungen zu widerstehen.
Wie jedes medizinische Hilfsmittel, das am eröffneten menschlichen Körper oder innerhalb des Körpers eingesetzt werden soll, müssen auch implantierbare Elektrodensysteme sterilisiert werden, um einer möglichen Infektion vorzubeugen. Auch wenn es mittlerweile unterschiedliche Verfahren gibt, die man nach dem zu behandelnden Material auswählen kann, stellen alle Möglichkeiten dennoch eine Belastung dar, der die jeweiligen Stoffe widerstehen müssen. Stählernes Operationsbesteck und andere metallene Strukturen können zum Beispiel problemlos mit Hitze oder Strahlung behandelt werden, aber gerade die Sterilisation mit hohen Temperaturen ist nicht für alle Materialien beziehungsweise ihre Kombination in komplexen Elektrodensystemen geeignet. Um ein fehlerloses Funktionieren der Elektroden gewährleisten zu können, dürfen zum Beispiel keine Verformungen infolge der Sterilisation durch Hitze auftreten. Zudem dürfen durch aggressive Sterilisationsmethoden wie zum Beispiel durch die Einwirkung von Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) weder die Isolierung angreifen, noch Reaktionen auslösen oder begünstigen, die zu Schäden an der Hülle führen.
2.5.4. Übertragungskapazität
Eine gute Ladungsübertragungskapazität (CIC = charge injection capacity) ist eine der wichtigsten Anforderungen, die an eine Substanz gestellt werden, da sie grundlegend den maximal möglichen Wirkungsgrad des gesamten Systems bestimmt. Beim Einsatz in lebendem Gewebe, wie er bei Implantaten vorkommt, wird auch der Begriff der sicheren Ladungsübertragungskapazität (safe charge injection capacity) verwendet. Dabei bestimmt der Wert dieser Kapazität die Schwelle, bis zu der elektrischer Strom von der Elektrode ins Gewebe übertragen werden kann, bevor unerwünschte Reaktionen und Reaktionsprodukte erzeugt werden [2]. Hierbei orientiert man sich an den Grenzen, in denen Wasser stabil bleibt und nicht aufgrund elektrochemischer Vorgänge reagiert. Grundsätzlich jedoch gilt, dass mit einer höheren Spannung, die angelegt wird, auch der entsprechende Stromfluss ansteigt. Da jedoch die Möglichkeiten der Stromversorgung bei Implantaten recht eingeschränkt sind, kann die Spannung nicht nach Belieben erhöht werden. Zusätzlich darf
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