2.1 Metalliska neurologiska implantat
Inplanterade metalliska anordningar som används terapeutiskt för att behandla olika neurologiska tillstånd är bland annat djupa hjärnstimulatorer för att behandla motoriska underskott i samband med Parkinsons sjukdom (Duker och Espay, 2013) och aneurysmklipp och endovaskulära spiraler som används för att försegla aneurysm i cerebrala blodkärl (Killer et al., 2010). Diagnostiskt kan de användas som komponenter i mikroelektroder för kronisk övervakning av hjärnans elektriska aktivitet. Implanterade neurologiska metalliska anordningar består av ett antal legeringar, bland annat titan (främst Ti6Al4V) och kobolt. Inspelningselektroder tillverkas ofta av rent platina, även om andra metaller som volfram, platina-iridiumlegering eller rostfritt stål (belagt med ett isolerande material) har använts (Prasad et al., 2012), och kiselbaserade material undersöks som icke-metalliska alternativ till metallegeringar för intrakraniella elektroder (Groothuis et al, 2014).
Den allmänna vävnadsreaktionen som uppstår efter implantation av legeringar i hjärnan innebär aktivering av gliaceller och bildning av ett glialärr (Griffith och Humphrey, 2006; Winslow och Tresco, 2010; Groothuis et al., 2014). Vissa metalliska material är mycket mer biokompatibla med hjärnvävnad än andra och fungerar därför som användbara material för tillverkning av neurologiskt implanterade anordningar. Stensaas och Stensaas (1978) genomförde en omfattande studie för att utvärdera det histopatologiska svaret på implanterade metalliska material i hjärnan. De fann att ledningar av rent germanium, silver, järn, koppar eller kobolt gav upphov till en mycket toxisk reaktion i kaninhjärnan efter implantation. Tantal, molybden och nickel-kromlegeringar gav upphov till en ”reaktiv” reaktion som kännetecknas av förekomsten av multinukleära jätteceller i den perimplantära vävnaden och ett tunt lager bindväv. Relativt icke-toxiska material i denna studie var aluminium, guld, volfram och platina. På samma sätt fann Yuen et al. (1987) att platinaskivor som implanterades subduralt i kanin hade en acceptabel biokompatibilitetsprofil, medan silver-silverkloridskivor gav upphov till en dramatisk vävnadsreaktion, inklusive ödem och glios. Mofid et al. (1997) utvärderade biokompatibiliteten hos metalliska fixeringsmaterial i kaninhjärnan och noterade den klassiska inflammatoriska reaktionen på de implanterade materialen, men observerade intressant nog att reaktionen på olika material varierade med tiden. Till exempel sågs ett stort inflammatoriskt svar i hjärnan 2 veckor efter implantationen av rent titan, men det histologiska svaret på titan försvann med tiden och liknade det som producerades av Vitallium (en kobolt-krom-molybdenlegering som ofta används för implanterade anordningar) och det negativa kontrollmaterialet (silikonelastomer) 26 veckor efter implantationen. Däremot gav rostfritt stål 316L upphov till ett progressivt ökande inflammatoriskt svar vid 8 och 26 veckor, och leukocytsvaret vid 26 veckor var större än det som gavs av titan eller Vitallium. Sammansättningen av den rostfria stållegeringen spelar en roll för hur allvarlig den histologiska reaktionen är efter implantation. Dujovny et al. (2010) rapporterade till exempel att olika rostfria stållegeringar (t.ex. 17-7PH, 405) inte var lämpliga för implantation i hjärnan på grund av den höga korrosionen och det ogynnsamma histologiska svaret. Däremot var 316MOS-stål, tillsammans med andra legeringar som titan och Egiloy (en koboltlegering), mer biokompatibelt. Ett antal fallrapporter har publicerats som beskriver utvecklingen av encefalopati hos patienter efter användning av aluminiumhaltigt bencement för otoneurokirurgi (Renard et al., 1994; Hantson et al., 1995; Reusche et al., 1995). Förhöjda nivåer av aluminium förekom i cerebrospinalvätskan när dura mater bröts upp, vilket gav metallen direkt tillgång till hjärnans parenkym.
Hjärnans histologiska reaktion på implanterade metalliska material har uppenbarligen en inverkan på valet av legeringar för tillverkning av neuralt implanterade anordningar. Andra faktorer, t.ex. kompatibilitet med magnetisk resonanstomografi (MRI), kan också spela en roll när det gäller att avgöra vilka material som är bäst lämpade för användning i neurologiska metallimplantat. Även om till exempel både Egiloy och titan har använts för att tillverka intrakraniella aneurysmklipp, är titan den föredragna legeringen eftersom den har den extra fördelen att den minimerar bildningen av artefakter vid radiologisk avbildning med datortomografi och MRT (Horiuchi et al., 2014).
Förutom att förstå den toxikologiska påverkan av metaller som frigörs från metallimplantat, är det ur ett kliniskt perspektiv också viktigt att ta hänsyn till den effekt som vävnadssvaret kan ha på anordningens prestanda. Denna faktor är särskilt relevant för prestanda hos kroniskt implanterade inspelningselektroder. Den främmande kroppsreaktion som elektroden ger upphov till i hjärnan, särskilt inkapslingen av elektroden i gliaceller, resulterar i en minskad förmåga hos elektroden att detektera neurala signaler från hjärnan. Det pågår ansträngningar för att identifiera material som minimerar hjärnans inflammatoriska reaktion på de implanterade elektroderna och som därför resulterar i bättre prestanda hos anordningen.
Sammanfattningsvis kan man konstatera att även om vissa metallegeringar ger upphov till en ogynnsam histopatologisk reaktion efter implantation i hjärnan eller annan neuronal vävnad, så har man i experimentella studier identifierat vissa legeringar som har en godtagbar biokompatibilitetsreaktion. Dessa resultat gör det möjligt för tillverkare av medicintekniska produkter att välja de material som ger den mest gynnsamma kliniska prestandan när de används för att utveckla implanterade neurologiska produkter. Faktorer att ta hänsyn till när man väljer ett metalliskt material för användning i en neurologiskt implanterad anordning är bland annat vävnadssvaret på legeringen, liksom varaktigheten av implantationen, det vävnadstrauma som uppstår vid insättning av implantatet och anordningens geometri (Groothuis et al., 2014).