Chemische Strategien zur Verbesserung der Biokompatibilität und Funktion neuronaler Elektroden

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung funktionaler Elektroden-Beschichtungen auf der Basis verschiedener Kohlenstoff-Nanomaterialien. Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung für Elektroden neuraler Schnittstellen werden die Vorgehensweise und Methoden dementsprechend ausge-wählt. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung im Hinblick auf die Eignung des Einsatzes als Bestandteil des Elektroden-Arrays des Cochlea-Implantats. Das Cochlea-Implantat ist eine Hörprothese, die es ermöglicht von Schwerhö-rigkeit und Taubheit betroffenen Menschen wieder einen Höreindruck zu vermitteln bzw. eine deutliche Verbesserung des Hörvermögens zu ermöglichen. Dabei werden die Audiosignale der Umgebung von einem am Kopf befindlichen Mikrofon aufge-nommen und an einen im Schädel befindlichen Signalprozessor weitergeleitet, der die-se Signale in elektrische Impulse umsetzt, mit denen über das im Innenohr implantierte Elektroden-Array die Nervenzellen des Innenohres direkt stimuliert werden. Als Beschichtungsmaterial kommen dabei Kohlenstoff-Nanoröhren sowie nano-poröser Kohlenstoff zum Einsatz. Im Falle der Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs; engl.: carbon nanotubes) werden kommerziell erhältliche CNTs unterschiedlichen Typs und Reinheit verwendet. Die CNTs werden mittels eines nasschemischen Verfahrens aufge-reinigt und mit sauerstoff-haltigen funktionellen Gruppen modifiziert. Dieses Verfah-ren ermöglicht die Herstellung stabiler wässriger CNT-Dispersionen. Der exemplarisch für die Gruppe der nanoporösen Kohlenstoffe ausgewählte CMK 3 (Carbon Mesostruc-tured by KAIST-3) wird über eine Templat-gestützte Synthese hergestellt. Der Einsatz verschiedener Polymere als Dispergierhilfsmittel macht es möglich auch vom nanopo-rösen Kohlenstoff stabile Dispersionen zu erhalten. Über die Beschichtungsverfahren der Rakel- und der automatisierten Sprühbeschichtung lassen sich mit Hilfe dieser Dis-persionen homogene Filme mit einheitlicher guter Qualität reproduzierbar in größerer Anzahl herstellen. Die Schichtdicken der Filme liegen für die sprühbeschichteten CNT-Filme im Bereich von 100 nm und für die sprüh- und rakelbeschichteten Filme des na-noporösen Kohlenstoffs im unteren µm-Bereich. Neben der detaillierten Charakterisie-rung der morphologischen und strukturellen Eigenschaften sowie der chemischen Zu-sammensetzung der Filme konnten zudem die mechanische Stabilität sowie die Stabili-tät gegenüber wässrigen Lösungen gezeigt werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Filme und ihre elektrochemischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Impedanzspekt-roskopie und Cyclovoltammetrie nachgewiesen. Im Hinblick auf die mögliche Anwendung im menschlichen Körper als Implan-tat-Material wird in ausführlichen Zellkultur-Untersuchungen mit verschiedenen Fib-ro¬blasten-Zelllinien aber auch mit Spiral-Ganglion Zellen – den Nervenzellen des In-nenohres – die Zytokompatibilität untersucht, um erste Aussagen über die allgemeine Biokompatibilität und generelle Eignung der Materialien treffen zu können.

This thesis examines the manufacturing and characterization of functionalized coatings for electrodes based on carbon nanomaterials. With regard to the possible ap-plication for neural interfaces electrodes, procedures and methods are chosen accord-ingly. The focus is set on the investigation of the feasibility of a usage as component of the electrode arrays of the cochlear implant. The cochlear implant is a neuroprosthetic device that enables people with severe hearing loss to improve their hearing ability or deaf people even to (re-)gain auditory impressions. Surrounding audio signals are recorded by a microphone that is located at the patient’s head. The signals are transmitted to a signal processor implanted in the skull that transduces these signals into electric pulses. These electric pulses stimulate the neurons of the inner ear by an electrode array implanted directly in the inner ear. For the electrode coatings, carbon nanotubes (CNTs) and nanoporous carbons are used. In case of the carbon nanotubes, commercially available CNTs of different type and purity are utilized. The CNTs are treated via a wet chemical process in order to become purified and modified with oxygen-containing functional groups. This treatment enables after further processing to obtain stable aqueous dispersion of the CNTs. The CMK 3 (Carbon Mesostructured by KAIST-3) is selected as an example for the group of nanoporous carbons and synthesized via a template-based procedure. Using different polymers as dispersing agent, it is possible to obtain stable dispersions of the nanoporous carbon as well. With these dispersions, homogenous films with uniformly good quality can be produced with good reproducibility via two coating methods – doc-tor blading and automated spray-coating. Spray-coated CNT films have a thickness of about 100 nm. The spray-coated and doctor-bladed films of the nanoporous carbon show film thickness in the low µm-range. In addition to the detailed characterization of the morphological and structural properties and the chemical composition of the films, the mechanical stability and the stability against aqueous solvents is also achieved and tested. The electrical conductivity of the films and their electrochemical properties are proven via impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. For the possible application in the human body as implant material, the cyto-compatibility is investigated via detailed cell culture investigations with different cell lines of fibroblasts and spiral ganglion cells – the neurons of the inner ear. With these investigations it is possible to make first statements regarding the biocompatibility and general suitability of the used carbon nanomaterials.