2.1 Metalen neurologische implantaten
Metalen implantaten die therapeutisch worden gebruikt om verschillende neurologische aandoeningen te behandelen, zijn onder meer diepe hersenstimulatoren om motorische stoornissen bij de ziekte van Parkinson te behandelen (Duker en Espay, 2013), en aneurysmaclips en endovasculaire spoelen die worden gebruikt om aneurysma’s in cerebrale bloedvaten af te dichten (Killer et al., 2010). Diagnostisch kunnen zij worden gebruikt als componenten van micro-elektrode-arrays voor de chronische monitoring van de elektrische activiteit van de hersenen. Geïmplanteerde metalen neurologische apparaten zijn samengesteld uit een aantal legeringen, waaronder titanium (voornamelijk Ti6Al4V) en kobalt. Opname-elektroden zijn vaak gemaakt van zuiver platina, hoewel andere metalen zoals wolfraam, platina-iridiumlegering of roestvrij staal (bekleed met een isolerend materiaal) zijn gebruikt (Prasad et al., 2012), en op silicium gebaseerde materialen worden onderzocht als niet-metalen alternatieven voor metaallegeringen voor intracraniële elektroden (Groothuis et al., 2014).
De algemene weefselreactie die optreedt na implantatie van legeringen in de hersenen omvat de activering van gliale cellen en de vorming van een gliaal litteken (Griffith en Humphrey, 2006; Winslow en Tresco, 2010; Groothuis et al., 2014). Sommige metaalhoudende materialen zijn veel biocompatibeler met hersenweefsel dan andere en dienen daarom als nuttige materialen voor de vervaardiging van neurologisch geïmplanteerde hulpmiddelen. Stensaas en Stensaas (1978) voerden een uitgebreide studie uit om de histopathologische respons van geïmplanteerde metallische materialen in de hersenen te evalueren. Zij ontdekten dat draden gemaakt van zuiver germanium, zilver, ijzer, koper, of kobalt na implantatie een zeer toxische reactie in de hersenen van het konijn teweegbrachten. Tantaal, molybdeen en een nikkel-chroom legering produceerden een “reactieve” reactie, gekenmerkt door de aanwezigheid van multinucleate reuscellen in het peri-implant weefsel en een dunne laag bindweefsel. Relatief niet-toxische materialen in deze studie waren aluminium, goud, wolfraam en platina. Evenzo ontdekten Yuen et al. (1987) dat platina schijven, subduraal geïmplanteerd bij het konijn, een aanvaardbaar biocompatibiliteitsprofiel hadden, terwijl zilver-leverchloride schijven een dramatische weefselreactie veroorzaakten, inclusief oedeem en gliosis. Mofid et al. (1997) evalueerden de biocompatibiliteit van metalen fixatiematerialen in de hersenen van konijnen en merkten de klassieke ontstekingsreactie op de geïmplanteerde materialen op, maar merkten interessant genoeg op dat de reactie op verschillende materialen in de tijd varieerde. Zo werd bijvoorbeeld een grote ontstekingsreactie in de hersenen waargenomen 2 weken na de implantatie van zuiver titanium, maar de histologische reactie op titanium loste na verloop van tijd op en was vergelijkbaar met die van Vitallium (een kobalt-chroom-molybdeenlegering die op grote schaal voor implantaten wordt gebruikt), en met het negatieve controlemateriaal (siliconenelastomeer) 26 weken na de implantatie. Roestvrij staal 316L veroorzaakte daarentegen een progressief toenemende ontstekingsreactie op 8 en 26 weken, en de leukocytenrespons op 26 weken was groter dan die van titanium of Vitallium. De samenstelling van de roestvrije staallegering speelt een rol in de ernst van de histologische reactie na de implantatie. Dujovny et al. (2010) meldden bijvoorbeeld dat verschillende roestvrijstalen legeringen (bv. 17-7PH, 405) niet geschikt waren voor implantatie in de hersenen omwille van hun hoge corrosie en de ongunstige histologische respons. 316MOS staal daarentegen was, samen met andere legeringen zoals titanium en Egiloy (een kobaltlegering), meer biocompatibel. Er is een aantal casusrapporten gepubliceerd waarin de ontwikkeling van encefalopathie bij patiënten wordt beschreven na het gebruik van aluminiumhoudend botcement voor otoneurochirurgie (Renard et al., 1994; Hantson et al., 1995; Reusche et al., 1995). Verhoogde aluminiumgehaltes kwamen voor in de cerebrospinale vloeistof wanneer de dura mater werd verbroken, waardoor het metaal directe toegang kreeg tot het hersenparenchym.
De histologische reactie van de hersenen op geïmplanteerde metalen materialen is uiteraard van invloed op de keuze van legeringen voor de vervaardiging van neuraal geïmplanteerde hulpmiddelen. Andere factoren, zoals de compatibiliteit met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), kunnen ook een rol spelen bij het bepalen van de beste materialen voor gebruik in metalen neurologische implantaten. Hoewel bijvoorbeeld zowel Egiloy als titanium zijn gebruikt om intracraniële aneurysmaclips te maken, heeft titanium de voorkeur omdat het het extra voordeel heeft van het minimaliseren van artefactvorming tijdens computertomografie en MRI-radiologische beeldvorming (Horiuchi et al., 2014).
Naast het begrijpen van de toxicologische impact van metalen die vrijkomen uit metalen implantaten, is het vanuit een klinisch perspectief ook belangrijk om het effect te overwegen dat de weefselrespons kan hebben op de prestaties van het hulpmiddel. Deze factor is vooral relevant voor de prestaties van chronisch geïmplanteerde registratie-elektroden. De lichaamsvreemde reactie van de elektrode in de hersenen, met name de inkapseling van de elektrode door gliacellen, leidt tot een verminderd vermogen van de elektrode om neurale signalen uit de hersenen te detecteren. Er wordt gewerkt aan het identificeren van materialen die de ontstekingsreactie van de hersenen op de geïmplanteerde elektroden minimaliseren en daardoor resulteren in betere prestaties van het apparaat.
Samenvattend, hoewel sommige metaallegeringen een ongunstige histopathologische reactie veroorzaken na implantatie in de hersenen of ander neuraal weefsel, hebben experimentele studies enkele legeringen geïdentificeerd met een aanvaardbare biocompatibiliteitsrespons. Deze bevindingen stellen fabrikanten van medische hulpmiddelen in staat de materialen te kiezen die de gunstigste klinische prestaties leveren wanneer zij worden gebruikt voor de ontwikkeling van geïmplanteerde neurologische hulpmiddelen. Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een metalen materiaal voor gebruik in een neurologisch geïmplanteerd hulpmiddel omvatten de weefselrespons op de legering, evenals de duur van de implantatie, het weefseltrauma dat wordt geproduceerd tijdens het inbrengen van het implantaat, en de geometrie van het hulpmiddel (Groothuis et al., 2014).