Elektrodenoptimierung für Neuroprothesen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Boris Chichkov; Professorin Dr. Andrea Hoffmann; Professor Dr. Anaclet Ngezahayo
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241753622

Für eine Weiterentwicklung implantierbarer Neuroprothesen sind Elektroden ein zentrales Forschungsgebiet, da zukünftig weiche, biokompatible Materialien mit optimalen elektrochemischen Eigenschaften genutzt werden sollten. Ziel dieses Antrags ist es, Polymere auf Basis organischer Makromoleküle zur Optimierung von Neuroprothesen nutzbar zu machen. Dies soll durch drei Module erreicht werden, die neuartige Ansätze aus materialwissenschaftlicher und aus biologischer Sicht enthalten: die Herstellung elektrochemisch attraktiver weicher Polymere mittels ausgewählter Additive, eine Oberflächen-Mikrostrukturierung dieser Polymere und den biologischen Nachweis neuronaler Aktivitäten in geeigneten Zellkultursystemen. Die Verbindung dieser drei Module stellt einen einzigartigen Ansatz in der Neuroprothetik dar. Dazu ist folgendes Vorgehen geplant:Um elektrochemischen Anforderungen gerecht zu werden, sollen im Vergleich zum prototypischen Elektrodenmaterial Platin leitfähige (Poly-3,4-ethylen¬dioxythiophen: PEDOT) und nicht-leitfähige (Polydimethylsiloxan: PDMS, Polyurethan: TPU) Polymere untersucht werden. Die Leitfähigkeit von PDMS und TPU wird dabei durch Herstellung von Kompositmaterialien auf Basis von Gold-, Eisen-, Platinnanopartikeln und Carbonnanotubes sowie verschiedenen Kombinationen dieser erreicht.Geeignete Oberflächen-Mikrostrukturie¬rungen (durch großflächige Spikes und Rillenstrukturen im Mikrometerbereich), die die Adhäsion und eine optimale Ausrichtung der Neuriten unterstützen, sollen mit Hilfe der so genannten negativen Mikroreplikationstechnik realisiert werden, bei der laser-generierte Masterstrukturen komplementär in weiche Materialien reproduziert werden können. Die Generierung der leitfähigen Materialien und ihre Mikrostrukturierung werden von umfangreichen technischen und biologischen Analysen zur Materialoptimierung begleitet. Bei den hier geplanten in vitro-Studien erfolgt der biologische Nachweis neuronaler Aktivitäten und einer adäquaten Zelladhäsion (Outside-in-Signalkaskaden) mit humanen mesenchymalen Stammzellen, da primäre humane Nervenzellen nicht im nötigen Umfang zur Verfügung stehen. Mesenchymale Stammzellen reagieren auf Materialeigenschaften und haben ein inhärentes Potenzial zur neuronalen Differenzierung. Die Wirksamkeit der ausgewählten Materialien wird über zellbiologische, molekularbiologische und elektrophysiologische Verfahren untersucht. Durch diese Maßnahmen soll die Funktionalität von Zellen auf dem Implantat einschließlich ihrer Vernetzung mit Neuronen des umgebenden Gewebes erhöht werden. Es soll demonstriert werden, dass die Materialien die neuronale Entwicklung der Zellen fördern und ihre Vernetzung untereinander im Sinn eines neuronalen Netzwerkes unterstützen. Durch ein in vitro Proof-of-Principle-Experiment mit Neuronen aus dem Colliculus inferior soll dies bestätigt werden. Diese Studien bilden die Grundlage für spätere klinische Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Athanasia Warnecke