Impedanzoptimierung durch elektrophoretische Deposition von laser-generierten kolloidalen Nanopartikeln auf der Oberfläche von Platin-Iridium Makroelektroden für die tiefe Hirnstimulation und Platin-Wolfram-Mikroelektroden für die Ableitung neuronaler Aktivität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Professor Dr. Joachim Krauss
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 201925000

Elektroden werden routinemäßig für die chronische Stimulation oder Ableitung neuronaler Aktivität während therapeutischer oder diagnostischer neurochirurgischer Interventionen eingesetzt. Die Qualität dieser Elektroden wird insbesondere durch deren Impedanz beeinflusst. Während geringe und stabile Impedanzwerte für einen geringen Energieverbrauch während der tiefen Hirnstimulation sorgen, werden für die Ableitung neuronaler Aktivität hohe Impedanzen benötigt, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. In diesem Projekt wird untersucht, ob durch eine Beschichtung mit Platin- und Wolframoxid- Nanopartikeln (NP) die Impedanz von Ableit- und Stimulationselektroden gezielt eingestellt werden kann. Hierzu soll aufgeklärt werden ob ein systematischer Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Beschichtung (Oberflächenbedeckung, Partikelgröße, Material) und den elektrophysiologischen Eigenschaften der Elektrode in vitro und in vivo besteht. Während der ersten Förderperiode wurde erfolgreich ein Prozess zur elektrophoretischen Deposition (EPD) unter Verwendung lasergenerierter, ligandenfreier NP entwickelt, und es konnte herausgearbeitet werden, dass die in vitro gemessene Impedanz positiv mit der Dichte der Beschichtung, der Oberflächenladung und der Oberflächenoxidation korreliert. Chronische in vivo Experimente zur tiefen Hirnstimulation in Ratten zeigten, dass eine Beschichtung der Elektroden mit Pt-NP den Wert der Impedanz signifikant stabilisiert. Weiterhin konnten wir zeigen, dass die Beschichtungen stabil gegenüber mechanischer Belastung sind und diese biokompatibel sind. Während der zweiten Förderperiode beabsichtigen wir den Zusammenhang zwischen der initialen Impedanz der Elektrode in vitro und der nachfolgenden Änderung der Impedanz in vivo genauer zu untersuchen. Hierzu beabsichtigen wir für Stimulationselektroden optimierte Beschichtungsparameter einzusetzen, um eine für den klinischen Einsatz relevante reduzierte Impedanz zu erzielen. Weiterhin werden wir anhand chronischer in vitro Stimulationen untersuchen, ob Veränderungen der Impedanz über die Zeit von der Elektrode oder von Elektroden-Gewebe-Interaktionen stammen. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf der Charakterisierung von PtW-Ableitelektroden liegen, die mit Wolframoxid- oder Platin-NP beschichtet werden um eine hohe Impedanz zu erzielen. Nachfolgende in vivo Ableitexperimente sollen verifizieren ob eine durch die Beschichtung erzeugte hohe Impedanz die Qualität des neuronalen Signals, genauer gesagt das Signal-Rausch-Verhältnis, verbessern kann. Für in vivo Anwendungen ist dabei vor allem die Stabilität der Beschichtung von Bedeutung. Daher werden intensive Untersuchungen zum Bindungszustand der NP auf der Elektrode und zur Biokompatibilität durchgeführt. Komplettiert wird dieses Projekt durch partikelbasierte Simulationen des EPD-Prozesses, in denen ein genauerer Zusammenhang zwischen den Elektrodeneigenschaften und den Beschichtungsparametern hergestellt werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen