Teilprojekt D1 - Funktionalisierte Mittelohrprothesen

Funktionalisierte keramische Beschichtungen für Mittelohrprothesen

Projektbeschreibung:

Das Projekt hat die Entwicklung einer Mittelohrprothese zur Rekonstitution der Übertragungsfunktion der Gehörknöchelchenkette zum Ziel. Die Ergebnisse aus der ersten Förderperiode haben hierzu wertvolle Ansätze geliefert und gezeigt, dass den komplexen, lokal und funktionell unterschiedlichen Anforderungen nicht mit einem einheitlich aufgebauten Material Rechnung getragen werden kann. Ziele sind daher der Aufbau einer modular aufgebauten Prothese mit lokal unterschiedlichen, auf den jeweiligen Zweck abgestimmten Materialeigenschaften und die Optimierung der Prothesenform.

An eine Mittelohrprothese werden, im Vergleich zu anderen Implantaten, spezielle Anforderungen gestellt. Hierzu gehört insbesondere das Erfordernis der Schallübertragung. Des weiteren erfolgt die Implantation in ein ungewöhnliches, nämliches luftgefülltes Umfeld; diese spezielle Umgebung unterscheidet den Einsatzort von Mittelohrprothesen von den meisten anderen Implantaten.

Ein Ansatz in der vergangenen Förderperiode war es, auf der Basis organisch-anorganischer Kompositmaterialien (Chitosan-Hydroxylapatit) den Aufbau des natürlichen Knochens nachzuahmen und so zu einer verbesserten Schallübertragung zu gelangen. Audiologische Untersuchungen in einem im Rahmen des Projekts selbst entwickelten mechanischen Mittelohrmodell und im Felsenbeinmodell (also in anatomischen Mittelohrpräparaten) zeigten aber, dass den Eigenschaften des Basismaterials der Prothese für die Schallübertragung keine bedeutende Rolle zukommt. Die experimentellen Prothesen zeigten ein ähnliches Übertragungsverhalten wie heute standardmäßig verwendete Prothesen (dies allerdings bereits ohne eine Optimierung der Prothesenform). Dieser biomimetische Ansatz der Verwendung von Kompositmaterialien wird daher in der zweiten Förderperiode dieses Teilprojekts TP D1 nicht weiter geführt, wohl aber in einem anderen medizinischen Kontext im Rahmen des neuen TP D9.

In einem zweiten Ansatz wurde der Einfluss nanostrukturierter Oberflächen auf biologische Systeme untersucht, um auf diesem Weg die Gewebebildung an der Prothese zu kontrollieren. Wünschenswert wäre dabei eine feste Verankerung der Prothese am Trommelfell und am Innenohr, ohne dass eine vollständige knöcherne Fixierung stattfindet, da dies die Schallübertragungseigenschaften beeinträchtigen würde. Die nanostrukturierten Beschichtungen, die erprobt wurden, bestanden aus amorphem Siliciumdioxid, das auf der unteren Nanometerskala (5–12 nm) strukturiert ist. Zellkulturuntersuchungen zeigten eine gute Biokompatibilität der Beschichtungen, allerdings eine gegenüber dem bekannten Werkstoff Bioverit ® II reduzierte Bioaktivität. Dies bestätigte sich in Tierversuchen im Kaninchenmodell, wo sich ansatzweise eine geringgradig reduzierte Knochenneubildung und eine erhöhte Mucosabildung zeigten. Für den speziellen Fall der Mittelohrprothese ist ein solches Verhalten erwünscht.

In der zweiten Förderperiode wird daher das Prinzip der Beschichtung von Prothesen aus bekannten Materialien beibehalten. Das besondere Potenzial der nanoporösen Beschichtungen soll jetzt gezielt genutzt werden, einerseits um die Ankopplung der Prothese an die Mittelohrstrukturen zu fördern, andererseits um real auftretende Probleme (Infektion, Narbengewebsbildung) zu beheben. Die nanostrukturierten Beschichtungen bieten einerseits durch ihre Porosität die Möglichkeit, als Reservoirs für ein lokales drug delivery zu dienen; zum anderen zeigen sie eine hohe spezifische Oberfläche, die durch Silanolgruppen eine hohe Reaktivität aufweisen. Diese können nach chemischer Modifizierung zur Anbindung biologisch wirksamer Stoffe genutzt werden.

Im Hinblick auf die verbesserte Ankopplung der Prothese soll insbesondere deren zum Innenohr gerichtetes Ende so ausgerüstet werden, das hier eine feste knöcherne Anbindung an vorhandene Reste des Steigbügelknochens erfolgt. Dafür sollen dort – lokal begrenzt – die Knochenbildung fördernde Biomoleküle (wie BMP-2) an die Prothese angebunden. In realen Fällen ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der Vorgeschichte die Implantation häufig in ein infiziertes Gebiet hinein erfolgt; des weiteren beeinträchtigt oft die postoperative Bildung von Narbengewebszügen die Funktion der Prothese. Als Gegenmittel sollen Antibiotika bzw. antiproliferative Mittel lokal über das Porensystem der Beschichtung appliziert werden.

Neu aufgenommen in das Projekt werden Ansätze zur Simulation der gesunden Gehörknöchelchenkette und von Prothesen. Dabei sollen insbesondere auch die Gelenke zwischen und die Aufhängung der Gehörknöchelchen im Mittelohr mit behandelt werden. Die Ergebnisse werden anhand audiologischer Messungen überprüft. Neben einem vertieften Verständnis der Schallübertragung sollen diese Studien vor allen Dingen helfen, die Form von Mittelohrprothesen zu optimieren.

Die grundsätzliche Vorgehensweise im Projekt – von der Materialsynthese über die Zellbiologie und die Implantatgestaltung bis hin zu den Tierversuchen – bleibt erhalten. Neben den Tierversuchen im Kaninchenmodell, die vor allem der Verträglichkeitsprüfung sowie histologischen und funktionellen audiologischen Untersuchungen dienen, soll ein Maus-Mittelohrmodell neu etabliert werden, das vornehmlich der Analyse der Implantat-Gewebeinteraktion mittels molekulargenetischer Methoden dient.