Analyse und Simulation von Wechselwirkungen von Implantaten ...

Analyse und Simulation von Wechselwirkungen von Implantaten und
Biosystemen
Analysis and simulation of electrical interactions of implants with biosystems
van Rienen, U. 1 , Appali R. 1 , Bader R. 2 , Baumann W. 3 , Beck, U. 4 , Behrend D. 5 , Benecke, R. 6 , Biala K. 4 , Birkholz H. 7 ,
Burkel E. 8 , Engel K. 7 , Ewald H. 1 , Gimsa J. 3 , Gimsa U. 13 , Gongadze E. 1 , Grünbaum A. 9, 1 , Haba, Y. 2 , Liese F. 7 , Liu B.
7 , Lüder M. 10 , Matschegewski C. 11 , Mittelmeier W. 2 , Mix E. 6 , Nebe J.B. 11 , Nowak K.A. 6 , Pahnke J. 6 , Pau H.W. 9 ,
Pauleweit S. 12 , Petersen, S. 1 , Polnick S. 3 , Reimer T. 3 , Rott G. 8 , Salomon R. 10 , Vinter E. 1 , Weihe T. 3 , Wolkenhauer
O. 12
1 Universität Rostock, Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Rostock, Deutschland
2 Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Deutschland
3 Universität Rostock, Institut für Biowissenschaften, Rostock, Deutschland
4 Universität Rostock, Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik, Rostock, Deutschland
5 Universität Rostock, Institut für Biomedizinische Technik, Rostock, Deutschland
6 Universität Rostock, Zentrum für Nervenheilkunde, Klinik für Neurologie und Poliklinik, Rostock, Deutschland
7 Universität Rostock, Institut für Mathematik, Rostock, Deutschland
8 Universität Rostock, Institut für Physik, Rostock, Deutschland
9 Universität Rostock, Klinik u. Poliklinik f. Hals-Nasen-Ohrenkrankheiten, Kopf- u. Halschirurgie, Rostock, Deutschl.
10 Universität Rostock, Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik, Rostock, Deutschland
11 Universität Rostock, Biomedizinisches Forschungszentrum, Klinik für Innere Medizin, Rostock, Deutschland
12 Universität Rostock, Institut für Informatik, Rostock, Deutschland
13 Leibniz-Institut für die Biologie landwirtschaftlicher Nutztiere Dummerstorf, Deutschland
ursula.van-rienen@uni-rostock.de
Kurzfassung
Trotz zahlreicher Erfolge mit implantierten technischen Systemen zur Unterstützung von Körperfunktionen, die durch
Krankheit, Unfall oder Alter eingeschränkt wurden, besteht ein weit gespannter Forschungsbedarf mit den Zielstellungen
verbesserter Funktion, höherer Verträglichkeit und längerer Haltbarkeit von Implantaten. Ein erheblicher Teil der daraus
entstehenden Fragestellungen ist direkt mit einem möglichst tiefgehenden Verständnis der Prozesse an der Grenzfläche
zwischen Implantat und dem umgebenden biologischen Gewebe verbunden, was seinerseits eine detaillierte Kenntnis der
dort stattfindenden elektrochemischen Vorgänge, gegebenenfalls beeinflusst durch extern angelegte elektromagnetische
Felder, voraussetzt. Die möglichst präzise modellhafte Beschreibung dieser Vorgänge sowohl aus biologisch/medizinischer
als auch aus physikalisch/elektrotechnischer Sicht ist der zentrale Forschungsinhalt des DFG-
Graduiertenkollegs 1505/1 „Analyse und Simulation elektrischer Wechselwirkungen zwischen Implantaten und Biosystemen”
1 mit dem Akronym „welisa“. Dieser Beitrag liefert eine Übersicht über die welisa-Projekte.
Abstract
Numerous technical implant systems have been successful in supporting impaired body functions caused, e.g., by chronic
diseases, trauma and aging. However, there is still a need to improve the functionality, compatibility and durability of
these implants. This requires basic research on the interactions of implants with the surrounding organic tissue. In particular,
a deeper insight into the electro-chemical processes at the implant-cell interface and the cellular and molecular
reactions induced by external stimuli, such as varying electromagnetic fields and nano-structured titanium surfaces is
very essential. The central goal of our project is the mathematical modelling of implant-cell interaction processes from
the biological, medical, physical and electrical engineering point of view. This paper presents a panoramic view of the
individual research topics of the DFG Research Training Group 1505/1 “Analysis and simulation of electrical interactions
of implants with bio-systems”, acronymed as “welisa”.

1 Einleitung
1.1 Profil des Graduiertenkollegs welisa
Technische Implantatsysteme müssen bestimmte Körperfunktionen,
die auf Grund hohen Alters, Unfalls, schwerer
Erkrankung oder durch Behinderung eingeschränkt sind,
unterstützen oder gänzlich ersetzen. Um Verbesserungen
gegenüber bestehenden Systemen in der Applikation zu
erreichen, sind zahlreiche offene Fragen zum Wechselspiel
zwischen Implantat und Biosystem noch zu beantworten.
Im interdisziplinären DFG-Graduiertenkolleg 1505/1 „welisa“
werden gemeinsame Forschungsprojekte bearbeitet,
die in die Entwicklung neuartiger aktiver und passiver
Implantatsysteme münden sollen.
Experimentelle Analysen zur material- und oberflächenabhängigen
Zelladhäsion von Osteoblasten, biophysikalische
Experimente zur elektrischen Kopplung von Nervenzellnetzwerken
mit Sensorchips, elektromagnetische Feldberechnungen
auf unterschiedlichen Größenskalen sowie
funktionale Modelle der Zellphysiologie dienen dem tieferen
Verständnis der Wechselwirkungsvorgänge. Die Konzepte
werden in direktem Bezug zur Anwendung (Tiefe
Hirnstimulation, Cochlea-Implantate, elektrostimulative
Implantate zur Regeneration von Knochendefekten) entwickelt
und getestet. Hierzu ist ein enges Zusammenwirken
etlicher Disziplinen (Medizin, Materialwissenschaft, Oberflächen-
und Biophysik, Zellbiologie, Elektrotechnik, Informatik
und Mathematik) zwingend erforderlich und wird
seit Oktober 2008 erfolgreich in welisa praktiziert.
In mehreren Beiträgen zu dieser Tagung präsentieren unsere
Doktorandinnen und Doktoranden erste Ergebnisse.
1.2 Wissenschaftliche Problemstellung
Viele Wechselwirkungen zwischen Implantaten und Biosystemen
sind elektrischer oder elektrochemischer Natur.
Daher ist zu deren Analyse eine Kombination von experimentellen
Untersuchungen mit elektromagnetischen Feldberechnungen
auf unterschiedlichen Größenskalen von
makroskopischen Gewebsbereichen bis hinab zu subzellulären
Strukturen notwendig. Für die Verbesserung von
Biomaterialien wäre die Vorhersage zellulärer Antworten
auf die Veränderung diverser „Inputs“ mittels eines adäquaten
in-vitro-Modells ein wichtiger Beitrag. Dies erfordert
die mathematische Beschreibung der Zelle in ihrer
Umgebung.
Der Ansatz im Rahmen von welisa liegt darin, funktionale
Zusammenhänge zwischen Ursachen (Merkmale der Implantate
– wie Oberflächentopographie, Elektrochemie der
Phasengrenze, elektrische Stimuli) und Wirkungen (Zellverhalten)
zu finden. Dabei sind neben zytomechanischen
und molekularen Eigenschaften insbesondere Grenzflächen-
und elektrische Doppelschichtphänomene, elektrochemische
Oberflächenvorgänge, Redoxreaktionen sowie
korrosive Prozesse in die Zell-Implantat-Wechselwirkung
einzubeziehen. Es handelt sich um ein anspruchsvolles Unterfangen,
denn in der Zellbiologie wird die Erfassung der
Komplexität zellulärer Reaktionen als die größte Herausforderung
der Forschungsarbeiten im 21. Jahrhundert postuliert.
Für die Modellierung sind ferner Nichtlinearitäten,
Anisotropien und Frequenzgänge der biologischen und
technischen Systemelemente zu berücksichtigen. Dazu
werden anwendungsorientierte Fragestellungen (medizinische
Therapie, Tiermodelle) mit Fragestellungen der
Grundlagenforschung (Einzelzellen und Multizellsysteme
wie Neurochips) und mit Modellierungen kombiniert.
Bild 1 Forschungsthemen des Graduiertenkollegs
Das Kolleg gliedert sich in zwei wesentliche Forschungsschwerpunkte:
A: Einfluss von strukturierten Implantatoberflächen auf
angrenzende Biosysteme und dessen mathematische
Modellierung,
B: Elektrische Wechselwirkung zwischen technischem
Implantatsystem und Biosystem.
Die breite interdisziplinäre Zusammensetzung des Kollegs
erlaubt die Einbeziehung vielfältiger Analysemethoden mit
dem Ziel einer angemessenen Modellierung und Simulation
der Prozesse im Biosystem (mit und ohne Implantate)
und im Ergebnis die Entwicklung neuartiger Implantate.
Bild 2 Morphologie eines MG-63 Osteoblasten nach 24 h
Kultivierung auf einer mikrostrukturierten Titanoberfläche
(Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme (REM) – Elektronen-Mikroskopisches
Zentrum der Medizinischen Fakultät,
AB Zellbiologie).
2 Projektübersicht
Aus Platzgründen muss die Beschreibung der Projekte sehr
knapp gehalten werden. Sofern bereits Publikationen vorliegen,
wird bzgl. Details und wissenschaftlichen Referenzen
auf diese verwiesen.

2.1 Einfluss geometrisch strukturierter Titanoberflächen
auf die Zellfunktion von
Osteoblasten
In vorangegangenen Untersuchungen von stochastischen
Titanoberflächen wurde ein Zusammenhang zwischen der
Struktur der Oberfläche im Nano- und Mikrometerbereich
und dem Verhalten von Osteoblasten nachgewiesen [1].
Dies motiviert eine Grundlagenforschung von funktionellen
Zusammenhängen zwischen Oberflächenparametern
und Zellfunktionen. Hierbei sollen klar definierte geometrische
Oberflächenstrukturen, z. B. Pfosten- und Grabenstrukturen,
einen neuen systematischen Ansatz liefern.
Die Charakterisierung dieser geometrischen Oberflächen
wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM),
der Chronoamperometrie (CA) und der Elektrochemischen
Impedanzspektroskopie (EIS) vorgenommen. Damit werden
Parameter der Oberfläche, wie z. B. die Ladung und
Kapazität der elektrochemischen Doppelschicht, gemessen
[2]. Die Auswertungen der EIS-Messungen zeigen hierbei
eine lineare Korrelation der Kapazität und der Gesamtfläche
der oben genannten Strukturen. Im Weiteren wurde
beobachtet, dass die Zellen ihre Morphologie der Struktur
der Oberfläche anpassen, z.B. richten sich die Osteoblasten
in Abhängigkeit von der Oberflächengeometrie aus.
Mit Hilfe eines mathematischen Modells der elektrochemischen
Doppelschicht (EDL) und dessen numerischen Simulationen
der Feldverteilung an diesen Strukturen konnte
gezeigt werden, dass die klassischen Modelle die zuvor mit
EIS gemessenen Kapazitäten der EDL generell überschätzen
[3]. Um die Hypothese der Proteinadsorption in Abhängigkeit
der Feldverteilung zu verifizieren, werden die
Modelle für die EDL weiter verfeinert.
Die Abhängigkeit der initialen Adhäsion von Osteoblasten
von Strukturmerkmalen der Oberflächen wurde mittels
Single-Cell Spectroscopy Experimenten untersucht. Der
geschwindigkeitsbestimmende Schritt während zelladhäsiver
Vorgänge ist die viskoelastische Ausbreitung der Zelle.
Dies wird in einem verfeinerten Modell betrachtet.
Weiterhin werden die unterschiedlichen Oberflächenstrukturen
benutzt, um Unterschiede im Aktivierungszustand
intrazellulärer Signalproteine und dessen Auswirkungen
auf die Zellfunktionen zu analysieren. Mittels Fluoreszenzmessungen
wurden hierbei die in dem vom Integrin-
Rezeptor beeinflussten Signalwege enthaltenen Proteine
gemessen. Untersuchungen des Aktinzytoskeletts mittels
konfokaler Mikroskopie zeigten, dass je weniger Aktinstressfasern
von den Osteoblasten formiert werden, desto
weniger sind diese Zellen in der Lage, extrazelluläre
Matrixproteine (z.B. Kollagen-I) zu synthetisieren. Es
konnte eine Abhängigkeit der Zellfunktion von der Zellarchitektur
nachgewiesen werden [4].
Für die Auswertung dieser zellbiologischen Daten aus
bildgebenden Verfahren wird eine Software entwickelt, um
mit Hilfe einer Gratdetektion im Helligkeitsprofil, eine automatische
Auswertung dieser zu ermöglichen [5]. Eine
Validierung der Software wird durch numerische Experimente
eines stochastischen Modells durchgeführt. Hierbei
werden Kenngrößen des Aktinzytoskeletts, wie die Anisotropie
und die Längen der Stressfasern, identifiziert und
berechnet. Die Gesamtlängenabweichung liegt dabei unter
10%.
Da der Einfluss des Oberflächen-Designs auf die intrazellulären
Signalwege und deren Auswirkungen auf die Aktinpolymerisation
äußerst komplex ist, wird mit Hilfe eines
systembiologischen Ansatzes ein mathematisches Modell
dieser Zusammenhänge entwickelt. Ein Ergebnis der Simulation
unter verschiedenen Bedingungen zeigt eine Abhängigkeit
der Stabilität der Aktinpolymerisation von der
Affinität des Integrin-Rezeptors zur aktivierten Fokalen
Adhäsionskinase. Eine neue Datenlage, welche aus den
anderen Projekten resultiert, ermöglicht zukünftig ein verfeinertes
Modell.
2.2 Applikation und Analysen von elektrischen
Stimulationen an neuronalem Gewebe
In vorhergehenden Untersuchungen wurde gezeigt, dass
derzeit vorhandene Systeme für die elektrische Stimulation
von Nervengewebe noch deutliche Mängel aufweisen. Es
ist bekannt, dass z.B. die Elektroden für die Cochlea-
Stimulation ein eventuell vorhandenes Restgehör zerstören
[6] oder Elektroden für die Tiefe Hirnstimulation (THS,
engl. DBS) bei falscher Materialwahl elektrochemisch angegriffen
werden, was gewebeschädigend wirken kann [7].
Um unter anderem diese Defizite zu verringern, sollen
funktionelle Implantate optimiert werden. Ein weiteres
Ziel ist es, Tierversuche durch mathematische Modellierung
elektrischer Wechselwirkungen zwischen Biosystem
und Implantat sowie den Einsatz von Neurochips zu reduzieren.
Mit dem in der Biophysik Rostock entwickelten Glas-
Neurochip werden simultan die Aktionspotentiale verschiedener
Neuronen eines Netzwerks über das in den
Chip integrierte multielectrode array (MEA) gemessen. In
kleinen kortikalen Netzwerken geringer Zelldichte konnten
verschiedene Neuronentypen anhand ihrer Aktivitätsmuster
sowie immunozytochemisch identifiziert werden. Weitere
Versuche zeigten, dass für die Signaltransmission zwischen
den verschiedenen Neuronen neben chemischen Synapsen
Gap Junctions essentiell sind.
Darüber hinaus werden erfolgreich Patch-Clamp Messungen
auf diesem Neurochip durchgeführt. Das Ziel hierbei
ist die aktive Beeinflussung der Spontanaktivitätsmuster
durch die elektrische Stimulation mit Parametern der THS.
Die Zuhilfenahme dieser zukünftigen Stimulationsexperimente
erlaubt weitere Untersuchungen des Einflusses
elektrischer Felder auf Neurone. Es wird ein chronisch instrumentiertes
Kleintiermodell etabliert, welches ein möglichst
stressfreies und natürliches Verhalten der zu untersuchenden
Tiere gestattet. Dadurch wird die Auswirkung
auf die Histologie und die Motorik durch die THS in neuen
Zielgebieten und mit neuen Stimulationsparametern erschlossen.
Ebenfalls sollen neue Elektrodenmaterialien
und -designs getestet werden.
Mit Hilfe der mathematischen Modellierung elektromagnetischer
Felder von Elektroden für die THS zur Humantherapie
wird die Feldverteilung durch in silico Experimente

untersucht. Etablierte Modelle benutzen die Annahme eines
isotropen und homogenen Hirngewebes. Durch die Berücksichtigung
der Anisotropie für die Leitfähigkeit des
Gehirns, konnte gezeigt werden, dass sich das elektrische
Feld der Stimulationselektrode nicht gleichmäßig im Gehirn
ausbreitet. Zukünftig wird in dem Modell zusätzlich
eine Berücksichtigung der Doppelschichteffekte zwischen
Implantat und Gewebe implementiert.
Neben der makroskopischen Betrachtung des neuronalen
Gewebes wird für eine mikroskopische Untersuchung das
Solitonenmodell [8] für die Modellierung der Kopplung
von Aktionspotentialen und Elektroden zur Ausbreitung
der Nervenimpulse verwendet. Anschließend wird dieses
mit den Maxwellschen Gleichungen gekoppelt. Dieses
neue Modell soll helfen, die Auslösung und Weiterleitung
von Aktionspotentialen von Nervenzellen zu verstehen und
auch das Design des Neurochips zu optimieren.
Eine weitere durch die Human- und Implantatforschung
motivierte Entwicklung stellt die Verbesserung von Cochlea-Implantaten
in Hinblick auf Form der Stimulationselektrode
und verminderte Destruktivität durch diese dar.
Für die Parametrisierung eines verfeinerten mathematischen
Modells der Cochlea wurde ein neues detailgetreueres
Geometriemodell aus einem Stapel von µCT-Bildern
erstellt. Dadurch können neue Elektrodenformen und
-platzierungen untersucht werden.
Diese Elektrodenformen bedürfen einer angepassten Ansteuerung,
welche als Basis die Messung des Stapedius-
Reflexes nutzt. Dies dient der Optimierung der Reflexmessung
und ermöglicht eine automatische Justierung der
Lautstärke des Implantates.
2.3 Entwicklung von Implantaten und Ersatzmaterialien
für die Knochenregeneration
und Optimierung der Material- und Stimulationsparameter
Es werden elektrische und mechanische Stimulationen an
verschiedenen humanen Zelllinien durchgeführt, wie z.B.
primäre humane Osteoblasten, um die optimalen Stimulationsparameter
für Knochengewebe zu erfassen.
Zur elektrischen und mechanischen Stimulation dieser Zellen
werden ebenfalls Glas-Neurochips mit einem darunter
montierten Piezo-Kristall verwendet. Ein hierfür entwickeltes
mathematisches Modell zeigt die strukturmechanische
Auswirkung auf den Glas-Neurochip. Einen weiteren
Ansatz stellt die elektrische und magnetische Stimulation
von Osteoblasten dar. Es werden hierzu zellbiologische
Untersuchungen durchgeführt und die geeigneten Stimulationsparameter
in Abhängigkeit von der Feldverteilung im
Gewebe und patientenindividuellen Knochenqualität evaluiert.
Die gefundenen osteostimulativ wirkenden Konfigurationen
werden in die numerische Feldsimulation integriert.
Für dieses Modell sowie für die Optimierung der
Implantate und Stimulationsparameter ist die Ermittlung
der elektrischen Leitfähigkeiten mittels Impedanzmessungen
essentiell [9]. Diese werden an frischen humanen
Femurköpfen durchgeführt. Zudem werden deren mechanische
Kenndaten ermittelt. Die ermittelten Knochenmaterialparameter
ermöglichen u.a. die interdisziplinäre Entwicklung
moderner Biokeramiken auf Calciumtitanat-
Basis. Diese Knochenersatzmaterialien können in verschiedenen
porösen und hochverdichteten Varianten unterschiedlicher
Knochenarten im Körper des Menschen angepasst
werden.
3 Literatur
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[9] Haba, Y.; Kröger, W.; Ewald, H.; Souffrant, R.; Otterstein,
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Comsol Conf. Proc. (2009).