Entwicklung eines neuartigen Nanokompositmaterials für die Freisetzung bioaktiver Substanzen von neuronalen Elektroden

Abstract

Hörverlust kann durch verschiedene Ursachen ausgelöst werden, wobei in vielen Fällen die Sinneszellen im Innenohr verantwortlich sind. Bei intakten Spiralganglion-Neuronen (SGNs, Nervenzellen im Innenohr) und intaktem Hörnerv kann ein Cochlea-Implantat eingesetzt werden. Diese elektrische Reizprothese ist in der Lage, Schall in elektrische Signale umzuwandeln, mit denen die SGNs direkt stimuliert werden können. Dieses Implantat findet bereits Anwendung und ist in der Lage, ein gutes Sprachverständnis unter ruhigen Bedingungen wiederherzustellen. Liegen Störgeräusche vor, gestaltet sich das Hören schwieriger. Neben technischen Verbesserungen des Cochlea-Implantats sind eine Therapie des erkrankten Innenohrs und das Sichern des Überlebens der vorhandenen SGNs Ziele der aktuellen Forschung. So können Steroide (z.B. Dexamethasonphosphat) und Wachstumsfaktoren wie BDNF (brain derived neurotrophic factor) bei der Wiederherstellung des Gleichgewichtes im Innenohr helfen. Damit die Medikation möglichst lokal und kontrolliert ablaufen kann, wird ein implantat-assoziiertes Medikament-Freisetzungs-System benötigt. Zu diesem Zweck soll im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Kompositsystem aus nanoporösem Platin (NPPt) und nanoporösen Silica-Nanopartikeln (NPSNPs) entwickelt werden. Dieses Kompositmaterial besäße die elektrochemischen Eigenschaften des NPPt und die NPSNPs könnten als Freisetzungssystem genutzt werden. Beide Materialien zeichnen sich durch ihre initiale Biokompatibilität aus, die dann auch das Hybridsystem aufweisen soll. Das Kompositmaterial wurde über das Abscheiden harter Template und anschließende elektrochemische Deposition von Platin aufgebaut. Als harte Template wurden Silica- Polystyrol-Kern-Schale-Nanopartikel eingesetzt, welche im ersten Teil der Arbeit synthetisiert und charakterisiert wurden. Dabei konnten erfolgreich zwei verschiedene Partikelsysteme generiert werden, die unterschiedlich dicke Polymerhüllen besitzen. Im Anschluss an die Deposition des Platins wurde Polystyrol durch ein Extraktionsverfahren entfernt. Die porösen Systeme wiesen NPSNPs in den Poren des NPPt auf, was zu einer insgesamt vergrößerten spezifischen Oberfläche führte. Das elektrochemische Verhalten entsprach dem des herkömmlichen porösen Platins. Das Freisetzungsverhalten wurde anhand von Methylenblau (MB), DMP und BDNF untersucht. Für MB konnte ein initial burst release beobachtet werden. Für DMP trat dieser wahrscheinlich auch ein, jedoch lassen die geringen, detektierten Konzentrationen keine quantitative Aussage zu. Für BDNF konnte kein Unterschied zwischen den porösen Systemen und dichtem Platin nachgewiesen werden. Die porösen Materialien zeigten keinen cytotoxischen Effekt auf NIH 3T3-Fibroblasten und führten im Zellkulturexperiment mit SGNs zu ähnlichen Überlebensraten wie dichtes Platin. Diese Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie – EXC 2177/1 - Project ID 390895286 unterstützt.

Hearing loss can occur due to many causes. Often, damaged sensory cells of the inner ear are responsible. If the spiral ganglion neurons (SGNs, nerve cells of the inner ear) as well as the hearing nerve are still intact, a cochlear implant (CI) can be utilized. This prosthesis is able to transduce soundwaves into electrical pulses und thus to stimulate the SGNs directly. This implant finds wide application and is able to restore understanding of speech under silent circumstances. If the conditions are noisy, the hearing outcome is often worse. In addition to technical improvements of the cochlea implant, a therapy of the sick inner ear and the safeguarding of the survival of the SGNs present are the goals of topical research. For this purpose, steroids as dexamethasone phosphate (DMP) or growths factors, such as BDNF (brain derived neurotrophic factor) can be applied. To realise a local and controlled medication, an implant-associated drug delivery system is needed. For this purpose, a composite material, composed of nanoporous platinum (NPPt) and nanoporous silica nanoparticles (NPSNPs) is presented within the present work. This composite should offer the electrochemical properties of NPPt while the NPSNPs can be employed to deliver drugs. Both initial materials exhibit an excellent biocompatibility, which is supposed to be conferred upon the composite. The composite material was assembled in several steps. First, a hard template structure was deposited into which porous platinum is then deposited via pulsed electrodeposition. As hard template particles, silica-core-polystyrene-shell-nanoparticles were utilized. Those were synthesized and characterized within the first part of the present work. Two particle systems with differently sized polystyrene shells were established. After platinum was deposited, polystyrene was removed by means of extraction. The porous material consisted of NPSNPs enclosed within the pores of the porous platinum, leading to an enhanced specific surface area as compared to nanoporous platinum only. The electrochemical behaviour was similar to NPPt without any NPSNPs. In order to investigate the release characteristics, methylene blue (MB), DMP and BDNF were applied. In the case of MB, an initial burst release was observed. This might be present for the DMP as well. However, in the latter case the concentrations were below the limit of detection, thus quantification was not possible. As for BDNF no difference in behaviour between the porous systems and dense platinum occurred. The porous materials showed no cytotoxic effects against NIH3T3 fibroblasts. In cell culture experiments with SGNs. the cell viability of the synthesized materials was comparable to that observed with dense platinum. This work was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC 2177/1 - Project ID 390895286.