2.1 Metallische neurologische Implantate
Zu den implantierten metallischen Geräten, die therapeutisch zur Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen eingesetzt werden, gehören tiefe Hirnstimulatoren zur Behandlung motorischer Defizite im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit (Duker und Espay, 2013) sowie Aneurysmaclips und endovaskuläre Spulen, die zum Verschluss von Aneurysmen in zerebralen Blutgefäßen verwendet werden (Killer et al., 2010). In der Diagnostik können sie als Bestandteile von Mikroelektroden-Arrays zur chronischen Überwachung der elektrischen Aktivität des Gehirns eingesetzt werden. Implantierte metallische neurologische Geräte bestehen aus einer Reihe von Legierungen, darunter Titan (hauptsächlich Ti6Al4V) und Kobalt. Aufzeichnungselektroden werden häufig aus reinem Platin hergestellt, obwohl auch andere Metalle wie Wolfram, Platin-Iridium-Legierung oder Edelstahl (beschichtet mit einem Isolatormaterial) verwendet wurden (Prasad et al., 2012), und Materialien auf Siliziumbasis werden als nichtmetallische Alternativen zu Metalllegierungen für intrakranielle Elektroden erforscht (Groothuis et al., 2014).
Die allgemeine Gewebereaktion, die nach der Implantation von Legierungen im Gehirn auftritt, beinhaltet die Aktivierung von Gliazellen und die Bildung einer Glia-Narbe (Griffith und Humphrey, 2006; Winslow und Tresco, 2010; Groothuis et al., 2014). Einige metallische Werkstoffe sind mit Hirngewebe viel besser biokompatibel als andere und eignen sich daher als nützliche Materialien für die Herstellung von neurologisch implantierten Geräten. Stensaas und Stensaas (1978) führten eine umfassende Studie durch, um die histopathologische Reaktion von implantierten metallischen Materialien im Gehirn zu bewerten. Sie fanden heraus, dass Drähte aus reinem Germanium, Silber, Eisen, Kupfer oder Kobalt im Kaninchenhirn nach der Implantation eine hochtoxische Reaktion hervorriefen. Tantal, Molybdän und eine Nickel-Chrom-Legierung führten zu einer „reaktiven“ Reaktion, die durch das Vorhandensein von vielkernigen Riesenzellen im periimplantären Gewebe und einer dünnen Bindegewebsschicht gekennzeichnet war. Relativ ungiftige Materialien in dieser Studie waren Aluminium, Gold, Wolfram und Platin. In ähnlicher Weise stellten Yuen et al. (1987) fest, dass Platinscheiben, die subdural in Kaninchen implantiert wurden, ein akzeptables Biokompatibilitätsprofil aufwiesen, während Silber-Silberchlorid-Scheiben eine dramatische Gewebereaktion, einschließlich Ödemen und Gliose, hervorriefen. Mofid et al. (1997) untersuchten die Biokompatibilität von metallischen Fixierungsmaterialien im Kaninchengehirn und stellten die klassische Entzündungsreaktion auf die implantierten Materialien fest, beobachteten aber interessanterweise, dass die Reaktion auf verschiedene Materialien im Laufe der Zeit variierte. So wurde beispielsweise 2 Wochen nach der Implantation von reinem Titan eine starke Entzündungsreaktion im Gehirn beobachtet, aber die histologische Reaktion auf Titan klang im Laufe der Zeit ab und war ähnlich wie die auf Vitallium (eine Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung, die häufig für implantierte Geräte verwendet wird) und auf das negative Kontrollmaterial (Silikonelastomer) 26 Wochen nach der Implantation. Im Gegensatz dazu führte Edelstahl 316L nach 8 und 26 Wochen zu einer progressiv zunehmenden Entzündungsreaktion, und die Leukozytenreaktion war nach 26 Wochen größer als die von Titan oder Vitallium. Die Zusammensetzung der nichtrostenden Stahllegierung spielt eine Rolle für die Schwere der histologischen Reaktion nach der Implantation. So berichteten Dujovny et al. (2010), dass verschiedene Edelstahllegierungen (z. B. 17-7PH, 405) aufgrund ihrer hohen Korrosion und der ungünstigen histologischen Reaktion nicht für die Implantation in das Gehirn geeignet sind. Im Gegensatz dazu waren 316MOS-Stahl und andere Legierungen wie Titan und Egiloy (eine Kobaltlegierung) besser biokompatibel. Es wurde eine Reihe von Fallberichten veröffentlicht, in denen die Entwicklung einer Enzephalopathie bei Patienten nach der Verwendung von aluminiumhaltigem Knochenzement in der Otoneurochirurgie beschrieben wurde (Renard et al., 1994; Hantson et al., 1995; Reusche et al., 1995). Erhöhte Aluminiumkonzentrationen traten in der Zerebrospinalflüssigkeit auf, wenn die Dura mater durchbrochen wurde, wodurch das Metall direkten Zugang zum Hirnparenchym erhielt.
Die histologische Reaktion des Gehirns auf implantierte metallische Werkstoffe wirkt sich natürlich auf die Auswahl der Legierungen für die Herstellung von neural implantierten Geräten aus. Andere Faktoren, wie die Kompatibilität mit der Magnetresonanztomographie (MRT), können ebenfalls eine Rolle bei der Bestimmung der besten Materialien für die Verwendung in metallischen neurologischen Implantaten spielen. Obwohl beispielsweise sowohl Egiloy als auch Titan für die Herstellung von intrakraniellen Aneurysmaclips verwendet wurden, ist Titan die bevorzugte Legierung, da es den zusätzlichen Vorteil hat, dass es die Bildung von Artefakten bei der Computertomographie und der radiologischen MRT-Bildgebung minimiert (Horiuchi et al., 2014).
Neben dem Verständnis der toxikologischen Auswirkungen von Metallen, die aus metallischen Implantaten freigesetzt werden, ist es aus klinischer Sicht auch wichtig, die Auswirkungen zu berücksichtigen, die die Reaktion des Gewebes auf die Leistung der Vorrichtung haben kann. Dieser Faktor ist besonders relevant für die Leistung chronisch implantierter Aufzeichnungselektroden. Die von der Elektrode im Gehirn hervorgerufene Fremdkörperreaktion, insbesondere die Einkapselung der Elektrode durch Gliazellen, führt zu einer verminderten Fähigkeit der Elektrode, neuronale Signale aus dem Gehirn zu erfassen. Derzeit wird nach Materialien gesucht, die die Entzündungsreaktion des Gehirns auf die implantierten Elektroden minimieren und somit zu einer besseren Leistung des Geräts führen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einige Metalllegierungen zwar eine ungünstige histopathologische Reaktion nach der Implantation im Gehirn oder in anderem Nervengewebe hervorrufen, in experimentellen Studien jedoch einige Legierungen mit einer akzeptablen Biokompatibilitätsreaktion ermittelt wurden. Diese Erkenntnisse ermöglichen es den Herstellern von Medizinprodukten, die Materialien auszuwählen, die bei der Entwicklung von implantierten neurologischen Geräten die günstigsten klinischen Eigenschaften aufweisen. Zu den Faktoren, die bei der Auswahl eines metallischen Werkstoffs für die Verwendung in einem neurologisch implantierten Gerät zu berücksichtigen sind, gehören die Reaktion des Gewebes auf die Legierung sowie die Dauer der Implantation, das beim Einsetzen des Implantats verursachte Gewebetrauma und die Geometrie des Geräts (Groothuis et al., 2014).