Relativ einfache technische Mikrosysteme wie der Herzschrittmacher oder Hörprothesen im Innenohr vermögen bereits mit nur zwei bis zwanzig Elektroden bestimmte Nerven so zu reizen, daß das Herz wieder rhythmisch schlägt oder Taube eine Hörempfindung haben. Einige innovative mikroelektronische Systeme lassen sich zudem inzwischen so klein wie kleinste biologische Zellen herstellen. Eine neue Generation von Implantaten soll nun entwickelt werden, um Nervengewebe an zahlreichen Kontaktpunkten und in zeitlich versetzter Abfolge zu stimulieren beziehungsweise eine Vielzahl von Nervensignalen räumlich und zeitlich gut aufgelöst zu erfassen. Damit ließen sich normale neuronale Funktionen besser verstehen und ausgefallene ersetzen.

Ableitungen nervaler Impulse sind heutzutage Standard der Elektrophysiologie. Das geschieht mit Elektroden, die Potentialänderungen in oder an einzelnen Nervenzellen oder die Aktivität ganzer Gruppen von Neuronen als Summenpotentiale punktuell an der Oberfläche von Nervenfasern oder Strängen solcher Fasern registrieren. Man verwendet dabei häufig eine bipolare Anordnung, mißt also eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Elektroden; so vermag man den Störanteil des Signals zu reduzieren, weil dieser beide Elektroden gleichermaßen erreicht und somit durch Subtraktion der Meßsignale verschwindet.

Wie einzelne Neuronen auf einen Reiz reagieren und die Erregung weiterleiten wurde auf diese Weise weitgehend erforscht. Doch enthalten Gehirn und Rückenmark des Menschen etwa 10 bis 15 Milliarden Nervenzellen, die zudem mit großer Redundanz komplex verschaltet sind. Gegenwärtig scheint es eine unlösbare Aufgabe, Millionen einzelner Nervenzell-Aktivitäten individuell und auch gleichzeitig zu erfassen und ihre Bedeutung für die Wahrnehmung oder Bewegungssteuerung in Sekundenbruchteilen zu entschlüsseln.

Neuartige Implantate wie die Innenohr-Hörprothese legten allerdings den Grund für eine neue interdisziplinäre Wissenschaft, die sich in Deutschland als Neurotechnologie etabliert. Das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie erstellt derzeit einen entsprechenden Förderrahmen. Er wurde in den letzten beiden Jahren unter Mitwirkung von einem von uns (Meyer) durch eine Studie verbreitet, die zwei Leitprojekte vorsieht: ein Retina-Implantat, das zumindest Grundfunktionen der Augennetzhaut bei bestimmten Krankheiten ersetzt, und eine Stand-Gang-Prothese, die es Gelähmten ermöglichen soll, über intakte Neuronen Gliedmaßenprothesen direkt zu steuern; außerdem wird mittlerweile ein Greif-Reich-Implantat diskutiert.


Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik

Bisherige technologische Ansätze basieren im wesentlichen auf der Bearbeitung von einkristallinem Silicium. Einhergehend mit der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Bausteine wurden in den letzten Jahren Methoden entwickelt, in Silicium und andere Materialien winzige Vertiefungen definiert einzubringen. Der Sensor in Airbag-Systemen für Personenwagen ist ein Beispiel für eine dreidimensionale mikromechanische Struktur mit integrierter Mikroelektronik.

Silicium und seine Verbindungen sind aber steif und deshalb zur Kontaktierung biologischer Systeme wenig geeignet. Deshalb haben wir entsprechende mikromechanische Fertigungsverfahren für handelsübliche flexible, biokompatible und -stabile sowie leitfähige Polymere wie Polyimide, Silikone und Polyurethane an unserem Institut in den letzten Jahren grundlegend untersucht.

So gelang es, flächig ausgedehnte Anordnungen (Arrays) elektrisch leitender, pyramidenförmiger Silikonelemente von jeweils 25 Mikrometern (tausendstel Millimetern) Kantenlänge auf elektrisch isolierenden, flexiblen Silikonsubstraten zu erzeugen (Bild 1). Dazu wurden zunächst nach entsprechender Maskenbelichtung pyramidenförmige Vertiefungen in Silicium geätzt; weil Lösungen wie Kalilauge das Material entlang verschiedener Kristallebenen unterschiedlich schnell abtragen, läßt sich der Vorgang durch Wahl der Kristallorientierung und der Ätzzeit präzise steuern. Die so hergestellte Form wurde zunächst mit leitendem und anschließend mit isolierendem Silikon bestrichen; nachdem die Polymere bei einer Temperatur von 150 Grad Celsius vernetzt waren, konnte das Array wie eine Waffel vom Eisen abgezogen werden. Würden die einzelnen leitenden Silikonnoppen nunmehr mit elektrischen Zuleitungen versehen, könnte man mit dieser Struktur Nervensignale an vielen Stellen gleichzeitig erfassen oder stimulieren.

Auf ähnliche Weise fertigten wir winzige glasklare Rechteckbehälter aus Polyurethan. In ihnen ließen sich beispielsweise Nervenzellen kultivieren und mikroskopisch beobachten.


Nervumschließende Elektrodenstrukturen

Manschetten- und spiralfederartige Kontaktstrukturen werden seit 15 Jahren erfolgreich eingesetzt, etwa um Bein oder Fuß bei Lähmungen sowie Blase oder Zwerchfell bei funktioneller Schwäche zu stimulieren, chronische Schmerzen zu unterdrücken oder Elektroneurogramme abzuleiten. Sie umschließen Stränge des peripheren Nervensystems oder spinale Vorderhornwurzeln (Bereiche, wo motorische Nerven aus dem Rückenmark austreten) und leiten Summenpotentiale von der Oberfläche ab oder stimulieren das jeweilige Areal.

Diese sogenannten Cuff-Elektroden erfordern im Vergleich zu anderen Verfahren den geringsten Operationsaufwand; weil sie aber herkömmlich von Hand gefertigt werden, sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Außerdem enthalten sie lediglich bis zu zwölf Kontakte, so daß sich damit nur großflächig stimulieren läßt. Eine selektive Reizung einzelner Nervenfasern ist nicht möglich. Desgleichen ist die Auflösung bei der Ableitung von Nervensignalen mit diesen Systemen entsprechend gering.

Besser sind Cuff-Elektroden mit bis zu vier tripolaren Elektrodenkonfigurationen, also jeweils einem reizwirksamen Pol und zwei Gegenpolen. Das Feld breitet sich dadurch im Nerveninnern gleichmäßiger aus; hält man die Pole nahe beieinander, läßt es sich zudem auf einen kleinen Bereich einschränken.

Ein Nervenstrang enthält dicke, schnell leitende und dünne, langsam leitende Fasern; erstere aktivieren schnell, letztere langsam kontrahierende Muskelfasern. Um diese unterschiedlichen Fasertypen selektiv zu erregen und damit ein Zusammenspiel einzelner Muskelpartien zu erreichen, bedient man sich bei der tripolaren Anordnung einer zusätzlichen Steuerelektrode auf der gegenüberliegenden Seite des erregenden Pols. Der Reizstrom wird so quer durch den ganzen Strang geleitet.

Durch eine geschickte zeitliche und räumliche Steuerung des Reizstroms läßt sich das erregende elektrische Feld so gestalten, daß dicke Fasern, deren Erregungsschwellen niedriger sind, blockiert und die dünnen und höherschwelligen Nervenfasern deshalb selektiv aktiviert werden. Auf diese Weise könnten sich Neuroprothesen realisieren lassen, die gelähmte Gliedmaßen zumindest in bescheidenem Maße wieder funktionstüchtig machen.

Um die Elektrodenzahl deutlich zu erhöhen, damit sogar fein abgestimmte Bewegungen möglich werden, entwickelten wir einen neuen Typ von flexibler Cuff-Elektrode mit ineinandergreifenden Fingerstrukturen (flexible interdigitale Cuff-Elektrode, FLIC). Mit den beschriebenen Fertigungsverfahren werden dafür auf nichtleitendem Silikonkautschuk Leiterbahnen und Elektroden aus leitfähigem Silikonkautschuk aufgebracht. Der Prototyp hat auf jeder Seite vier Finger mit zunächst ebenso vielen Elektroden (Bild 2).

Das Material der Deckschicht steht unter Zugspannung, so daß sich die Finger nach Implantation der Neuroprothese von selbst um den Nervenstrang krümmen. Weil die Elektroden erhaben sind, ist die effektive Berührungsfläche sehr klein; das sollte die empfindlichen Nervenfasern schonen. Zudem könnten Stoffwechselprodukte durch die Zwischenräume diffundieren, was die Regeneration des Gewebes unterstützen würde. Auch ein Ödem nach der Operation sollte keinen zusätzlichen Druck erzeugen, weil die flexiblen Finger der Elektrode nachgeben.

Motorische Nerven im Bereich der Vorderhornwurzeln wurden seit Mitte der siebziger Jahre an etwa 700 Patienten, deren Blasenmuskulatur gelähmt war, konventionell mit Cuff- und Helixstrukturen sowie mit speziellen Buchelektroden kontaktiert. Letztere bestehen aus einem Silikongummi-Block mit drei Schlitzen, in denen sich jeweils drei Platinelektroden befinden. Die faserigen Vorderhornwurzeln werden in diese kammartige Struktur eingelegt und durch einen meist aus Silikon hergestellten Deckel darin fixiert. Mit Mikrostrukturierungstechniken ließen sich sowohl die Zahl der Schlitze wie die der Elektroden bei gleicher Baugröße um ein Vielfaches erhöhen.


Intraneurale Implantate

Messungen aus dem Innern statt von der Oberfläche des Nervs verbessern die räumliche und zeitliche Auflösung des Signals. Dafür eignen sich Kontaktstifte, wie sie das Center for Integrated Sensors and Circuits der Universität von Michigan in Ann Arbor als Schaft-Multielektroden entwickelt hat (Bild 3): Dünnfilm-Elektroden auf einem Siliciumsubstrat, gegenüber diesem und der Umgebung isoliert, sind mit einem integrierten Schaltkreis zur Signalverarbeitung verbunden. Mit diesen Sonden hat man bereits im Tierexperiment Bereiche des Großhirns stimuliert. Eine ähnliche Bauform wird gegenwärtig an der Universität Twente in Enschede (Niederlande) zur Stimulation und Ableitung peripherer Nerven eingesetzt. Von Nachteil ist indes wieder die starre Bauform, zumal der Nerv beim Implantieren der Sonde oder infolge ihrer mechanischen Beanspruchung durch angrenzendes Gewebe leicht geschädigt werden kann.

Unser Institut hat deshalb mit der Entwicklung einer flexiblen Nervenplatte begonnen, die sich zwischen den Faserbündeln im Nervenstrang plazieren läßt (Bild 4). Auf dem Substrat, gegenwärtig Polyimid, sollen beidseitig Mikroelektroden aus Platin, Iridium oder Iridiumoxid in dichtem Raster aufgebracht werden: Zur Stimulation genügen etwa 250, für die Ableitung von Summenaktionspotentialen sind etwa 80 Mikrometer Abstand erforderlich. Von den Mikroelektroden führen mehrlagige Leiterbahnen auf einem Flexband zum Beispiel zu signalvorverarbeitenden Mikrochips.

Die Maße der Platte betragen etwa 2 mal 12 Millimeter. Ein Einzelfaserkontakt ist nicht beabsichtigt. Bei der Konfiguration und Ansteuerung der Kontakte kann man auf Cuff-Techniken wie tripolare Elektroden zurückgreifen.

Weil das Substrat nicht leitfähig ist, werden die beidseits liegenden Teile des Nervenstrangs elektrisch isoliert. So läßt sich bei Bedarf eine Hälfte stimulieren, während man gleichzeitig von der anderen Summenpotentiale ableitet. Werden simultan mit mehreren Elektroden Elektroneurogramme erstellt, ist das Signal zeitlich und räumlich gut aufzulösen.


Biohybride Systeme

Die Ankopplung an einzelne Neuronen ließe sich eventuell besonders günstig mit biohybriden Systemen bewerkstelligen. Diese bestehen aus einer technischen Mikrostruktur und einer Grenzfläche mit kultivierten Nervenzellen als Sonden. Kontakte mit den Zielneuronen stellen sie idealerweise her, indem sie spezifische synaptische Verbindungen ausbilden, wo dann – wie im normalen Nervensystem – Aktionspotentiale biochemisch übertragen werden.

Die Grenzfläche zwischen Mikrostruktur und Sondenneuronen besteht bei unserem System-Konzept aus Funktionsschichten verschiedener Materialien, welche die Zelladhäsion unterstützen und das Wachstum fördern. Der Aufbau des Substrats aus Küvetten oder Führungsgräben mit maschenartigem Boden dient ebenfalls dazu, die Sondenneuronen zu fixieren und ihre Vitalität zu erhalten. Darin integrierte Mikroelektroden verbinden sie mit der Elektronik.

Weil solche biohybriden Mikrosysteme quasi auf natürliche Weise an Nervengewebe ankoppeln würden, müßten sich die Meßsignale noch stärker örtlich und zeitlich differenzieren lassen. In jedem Falle ließen sich damit gut neue Konzepte zur wirkungsbezogenen Ansteuerung und funktionalen Interpretation von komplexen Nervensignalen entwickeln.


Biostabilität und -kompatibilität

Die erfolgreiche Ankopplung von Implantaten an das Nervensystem wird von vielerlei Faktoren wie chemischen, mechanischen und geometrischen Eigenschaften, Materialauswahl und Oberflächenbeschaffenheit sowie der Wahl geeigneter Stimulationsmuster abhängen. Eine Grundvoraussetzung für ihren Einsatz aber ist die Prüfung, ob solche Systeme für den Organismus ungiftig und gewebeverträglich sind und unter den elektrochemischen Bedingungen des Körpermilieus intakt bleiben.

Die Biokompatibilität von Mikrostrukturen läßt sich an Zellkulturen und in Tierexperimenten untersuchen. Die ersten und wichtigsten Tests überprüfen, ob die Zellhaftung am Substrat, die Membranfunktionen, die Zellteilung und die Überlebensrate der Zellen beeinträchtigt werden. Wir nutzen dazu unter anderem die sehr empfindlich reagierenden, aber leicht zu kultivierenden Mausfibroblasten (Bildungszellen für Bindegewebe, ein Standardtestsystem). Untersuchungen an Nervenzellkulturen beispielsweise der Substrathaftung von sensorischen Neuronen des Rückenmarks, schließen sich an.

Prüfungen zur Biostabilität betreffen die elektrische und elektrochemische Beständigkeit, Funktionalität und Zuverlässigkeit. An unserem Institut wurde eigens ein rechnergestützter Meßplatz eingerichtet, um Mikrokontaktstrukturen in ionenhaltigen Lösungen zu untersuchen. Damit lassen sich der Wechselstrom- widerstand des Elektroden-Elektrolyt-Übergangs und maximal mögliche Ladungsdichten für die Stimulation bestimmen, des weiteren Leckstrommessungen nach Isolierung der Elektrodenzuleitungen etwa durch Beschichten sowie Langzeit-Funktionsüberprüfungen unter Betriebsbedingungen durchführen. Die Ergebnisse dienen dazu, die Elektrodencharakteristik zu optimieren beziehungsweise den günstigsten Arbeitsbereich noch vor dem Tierexperiment zu bestimmen, um eine Nervenschädigung möglichst auszuschließen.

Danach testen wir unsere Multikontaktstrukturen am Tiermodell, beispielsweise in Zusammenarbeit mit dem Neurophysiologen Hans-Georg Heinzel von der Universität Bonn an einem weniger als ein fünftel Millimeter dicken Nerv aus dem Magennervensystem des Taschenkrebses. Dies ist das weltweit am besten untersuchte neuronale Netzwerk, das rhythmische motorische Aktivitätsmuster erzeugt.


Geplante Anwendungen

Jedes Jahr verlieren etwa 2500 Menschen in Deutschland ihr Augenlicht. Sind durch krankhafte Prozesse lediglich die Photorezeptoren geschädigt, Teile der weiterleitenden Strukturen der Netzhaut, der Sehnerv und die Signalverarbeitung im Gehirn jedoch intakt, könnte ein Mikroelektroden-Implantat als vielkanaliger Stimulator dienen.

Allein der geschichtete Aufbau der Netzhaut und ihre starke Durchblutung stellen insgesamt extrem hohe, dazu unterschiedliche Anforderungen an entsprechende Mikrokontaktstrukturen: Sie müssen hochelastisch sein und eventuell tieferliegende Bereiche erreichen; sie dürfen kaum Gewebereaktionen hervorrufen und die Versorgung der Netzhaut nicht behindern.

Verschiedene Bauformen lassen sich denken. Insbesondere würden Filamente – also fadenartige Erhöhungen – die zweite Forderung erfüllen, hingegen konische und netzartige Strukturen mit ihren kleineren Kontaktflächen eher die dritte und vierte.

Des weiteren entwickelt unser Institut im Rahmen des ESPRIT-Projekts der Europäischen Union INTER (Intelligentes neuronales Interface) gemeinsam mit fünf europäischen Partnern eine implantierbare Mikrokontaktstruktur, die langfristig als intelligente Schnittstelle zwischen peripheren Nerven und externer Elektronik eingesetzt werden soll, zum Beispiel zur Ansteuerung von künstlichen Gliedmaßen. Zwischen den operativ getrennten Enden eines peripheren Nervenstrangs wird nun dazu ein Silicium-Chip mit siebartiger Membran implantiert, deren Löcher teils mit Mikroelektroden versehen sind. Ätztechniken für möglichst runde Öffnungen stehen mittlerweile zur Verfügung. Die Siebplatte soll in einem Polyurethan-Schlauch fixiert werden (Bild 5), der auch als Führungskanal für die wieder aussprossenden Nervenfasern dient (periphere Nervenfasern können, anders als solche des Zentralnervensystems, regenerieren).

Der Kunststoff wird zur Fertigung auf eine Form aus Glaskapillaren aufgespritzt, durch Erwärmung vernetzt und dann abgezogen. Dabei läßt sich der Silicium-Chip gleich mit einbringen, wie der italienische Projektpartner Paolo Dario von der Scuola Superiore Sant' Anna in Pisa bereits demonstriert hat. Die Platinelektroden der Siebplatte dienen zur Ableitung der Nervenimpulse (Bild 6).

Die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften dieser neurotechnologischen Schnittstelle werden gegenwärtig untersucht. In einigen Zellkulturtests erwies sich der verwendete Kunststoff zwar als leicht toxisch; trotzdem wuchsen bei Experimenten an Ratten regenerierende Nervenfasern in ausreichender Zahl durch die Siebstruktur. Nun gilt es, davon an vielen Stellen Impulse abzuleiten. Begleitend zu dem Projekt entwickeln wir flexible mikroperforierte Kontaktstrukturen, um die signalweiterführenden Leitungen und Anschlüsse in das Substrat zu integrieren, ohne zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechniken verwenden zu müssen.

Auch ein solches subtil auf organische Strukturen und Funktionen abgestimmtes System wird verlorengegangene neuronale Fähigkeiten allerdings nicht wiederzuherstellen vermögen. Aber eine Steuerung einfacher Bewegungen künstlicher Gliedmaßen dürfte damit anzustreben sein.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1995, Seite 98
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