2.1 Metaliczne implanty neurologiczne
Implantowane urządzenia metalowe stosowane terapeutycznie w leczeniu różnych schorzeń neurologicznych obejmują głębokie stymulatory mózgu do leczenia deficytów motorycznych związanych z chorobą Parkinsona (Duker i Espay, 2013) oraz klipsy do tętniaków i spirale wewnątrznaczyniowe stosowane do zamykania tętniaków w mózgowych naczyniach krwionośnych (Killer i in., 2010). Diagnostycznie mogą być wykorzystywane jako elementy matryc mikroelektrodowych do przewlekłego monitorowania aktywności elektrycznej mózgu. Implantowane metaliczne urządzenia neurologiczne składają się z wielu stopów, w tym tytanu (głównie Ti6Al4V) i kobaltu. Elektrody rejestrujące są często wykonane z czystej platyny, chociaż stosowano również inne metale, takie jak wolfram, stop platyny z irydem lub stal nierdzewną (pokrytą materiałem izolacyjnym) (Prasad i in., 2012), a materiały oparte na krzemie są badane jako niemetaliczne alternatywy dla stopów metalicznych dla elektrod wewnątrzczaszkowych (Groothuis i in., 2014).
Ogólna odpowiedź tkanki, która występuje po implantacji stopów w mózgu, obejmuje aktywację komórek glejowych i tworzenie się blizny glejowej (Griffith i Humphrey, 2006; Winslow i Tresco, 2010; Groothuis i in., 2014). Niektóre materiały metaliczne są znacznie bardziej biokompatybilne z tkanką mózgową niż inne i dlatego służą jako użyteczne materiały do produkcji urządzeń wszczepianych neurologicznie. Stensaas i Stensaas (1978) przeprowadzili kompleksowe badania w celu oceny odpowiedzi histopatologicznej materiałów metalicznych wszczepionych do mózgu. Stwierdzili, że przewody wykonane z czystego germanu, srebra, żelaza, miedzi lub kobaltu produkowane wysoce toksyczną odpowiedź w mózgu królika po implantacji. Tantal, molibden i stop niklowo-chromowy wywołały „reaktywną” odpowiedź charakteryzującą się obecnością wielojądrzastych komórek olbrzymich w tkance okołowszczepowej i cienką warstwą tkanki łącznej. Względnie nietoksyczne materiały w tym badaniu obejmowały aluminium, złoto, wolfram i platynę. Podobnie Yuen i wsp. (1987) stwierdzili, że krążki platynowe wszczepione podgłośniowo królikowi miały akceptowalny profil biokompatybilności, podczas gdy krążki z chlorku srebra-srebra powodowały dramatyczną odpowiedź tkanek, w tym obrzęk i glejozę. Mofid i wsp. (1997) oceniali biokompatybilność metalowych materiałów mocujących w mózgu królika i zauważyli klasyczną odpowiedź zapalną na wszczepione materiały, ale co ciekawe zaobserwowali, że odpowiedź na różne materiały zmieniała się w czasie. Na przykład, duża odpowiedź zapalna była widoczna w mózgu 2 tygodnie po implantacji czystego tytanu, ale odpowiedź histologiczna na tytan ustąpiła z czasem i była podobna do tej wytworzonej przez Vitallium (stop kobaltowo-chromowo-molibdenowy szeroko stosowany w implantowanych urządzeniach) oraz do negatywnego materiału kontrolnego (elastomer silikonowy) 26 tygodni po implantacji. W przeciwieństwie do tego, stal nierdzewna 316L produkowała stopniowo rosnącą odpowiedź zapalną w 8 i 26 tygodniu, a odpowiedź leukocytów w 26 tygodniu była większa niż ta produkowana przez tytan lub Vitallium. Skład stopu stali nierdzewnej odgrywa rolę w nasileniu odpowiedzi histologicznej po implantacji. Na przykład, Dujovny et al. (2010) donosili, że różne stopy stali nierdzewnej (np. 17-7PH, 405) nie były odpowiednie do implantacji w mózgu z powodu ich wysokiej korozji i niekorzystnej odpowiedzi histologicznej. Z kolei stal 316MOS, wraz z innymi stopami, takimi jak tytan i Egiloy (stop kobaltu), były bardziej biokompatybilne. Opublikowano wiele opisów przypadków rozwoju encefalopatii u pacjentów po zastosowaniu cementu kostnego zawierającego aluminium do zabiegów otoneurochirurgicznych (Renard i in., 1994; Hantson i in., 1995; Reusche i in., 1995). Podwyższony poziom aluminium wystąpił w płynie mózgowo-rdzeniowym, gdy doszło do przerwania opony twardej, co dało metalowi bezpośredni dostęp do miąższu mózgu.
Reakcja histologiczna mózgu na wszczepione materiały metaliczne ma oczywiście wpływ na wybór stopów do produkcji urządzeń wszczepianych neuronalnie. Inne czynniki, takie jak zgodność z obrazowaniem rezonansu magnetycznego (MRI), mogą również odgrywać rolę w określaniu najlepszych materiałów do stosowania w metalowych implantach neurologicznych. Na przykład, chociaż zarówno Egiloy, jak i tytan były używane do wytwarzania klipsów do tętniaków wewnątrzczaszkowych, tytan jest preferowanym stopem, ponieważ ma dodatkową zaletę minimalizowania powstawania artefaktów podczas obrazowania radiologicznego tomografii komputerowej i MRI (Horiuchi i in., 2014).
Oprócz zrozumienia toksykologicznego wpływu metali uwalnianych z metalowych implantów, z perspektywy klinicznej ważne jest również rozważenie wpływu, jaki odpowiedź tkanek może mieć na działanie urządzenia. Czynnik ten jest szczególnie istotny w przypadku działania przewlekle implantowanych elektrod rejestrujących. Odpowiedź ciała obcego wywołana przez elektrodę w mózgu, w szczególności zamknięcie elektrody przez komórki glejowe, skutkuje zmniejszoną zdolnością elektrody do wykrywania sygnałów neuronowych z mózgu. Trwają prace nad identyfikacją materiałów, które minimalizują odpowiedź zapalną mózgu na wszczepione elektrody, a tym samym skutkują lepszym działaniem urządzenia.
Podsumowując, chociaż niektóre stopy metali wywołują niekorzystną odpowiedź histopatologiczną po implantacji w mózgu lub innej tkance nerwowej, badania eksperymentalne zidentyfikowały niektóre stopy o akceptowalnej odpowiedzi biokompatybilności. Te odkrycia pozwalają producentom urządzeń medycznych wybrać materiały, które dają najbardziej korzystne wyniki kliniczne, gdy są stosowane do opracowywania implantowanych urządzeń neurologicznych. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiału metalicznego do zastosowania w urządzeniu wszczepianym neurologicznie, obejmują odpowiedź tkanki na stop, a także czas trwania implantacji, uraz tkanki powstały podczas wprowadzania implantu oraz geometrię urządzenia (Groothuis et al., 2014).
.