Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Introduction to the Nano World of Cochlear Implant (CI) Surfaces

Aliuos, Pooyan

Sensorineuronal hearing loss (SNHL) is caused by the loss of inner ear hair cells and the degeneration of neurites of spiral ganglion neurons (SGN). Despite the degeneration of their neurites, cell bodies of SGNs survive for several years. Cochlear implants (CIs) are used to restore the hearing in patients with SNHL. The function of CIs is based on electrical stimulation of the cell bodies of SGNs via an electrode array, consisting of a number of platinum electrodes, which are enclosed in a silicone electrode carrier. The performance of CIs depends on the state of the electrode-nerve-interface. The encapsulation of CI-electrodes with connective tissues as a result of insertion trauma leads to an increase of the electrode-nerve impedance. Higher power consumption of the implant and a loss of selective stimulation of hearing nerve fibres are caused by the increased impedance. Therefore, the limitation of the adhesion and growth of connective tissue cells on the electrodes and electrode carriers of CIs is desired. The adhesion of cells to their environment regulates diverse cellular cues, such as migration and proliferation. Cell adhesion is highly dependent on physiochemical properties of material surfaces. These properties can be modulated for selective adhesion and growth of particular cells. The aim of this study was to investigate the effects of physically and chemically modified substrate surfaces on adhesion of fibroblasts as a model for connective tissue cells. In order to investigate the adhesion strength of fibroblasts, single cell force spectroscopy based on atomic force microscopy was used. It was hypothesized that anti-wetting surfaces as a result of altering surface topographies decrease the adhesion of fibroblasts. We further hypothesized that hydrophilic polymer surfaces reduce the strength of cell adhesion. The results indicate that cells can adjust their morphology in response to material surface topography changes. Consequently, the adhesion of cells correlated with the cell-surface contact area positively. We concluded that physical alteration of surfaces for producing anti-adhesive surfaces should be rather based on reducing the cell-surface contact area than on the reduction of surface wettability. The second hypothesis was proved and the adhesion of fibroblasts to hydrophilic polymer surfaces was diminished. It was concluded that due to the leak of proper polymer surface-bound extracellular matrix the attachment of cells to surfaces was inhibited. In conclusion, the modification of material surfaces influenced the adhesion of cells by two mechanisms: first, by changing the cell-surface contact area and second, by affecting the adsorption of the extracellular matrix components.

Sensorineurale Schwerhörigkeit (SNHL) ist charakterisiert durch den Verlust der Haarzellen in der Hörschnecke und die Degeneration der Neuriten der Spiralganglien-neurone (SGN). Trotz der Degeneration der Neuriten, stehen die Zellkörper von SGN einer elektrischen Stimulation zur Verfügung. Cochlear-Implantate (CI) ersetzen das Hören bei Patienten mit SNHL, indem sie die Hörnerven in der Hörschnecke elektrisch stimulieren. Hierzu werden aktive Platin-Elektroden, die in einem Elektrodenträger aus Silikon eingebettet sind, in die Scala tympani inseriert. Die Leistung von CIs hängt vom Zustand der Elektroden-Nerv-Schnittstelle ab. Eine postoperative Einkapselung des Implantates mit Bindegewebe führt zu einer Erhöhung der Impedanz an der Elektroden-Nerv-Schnittstelle. Der Anstieg der Impedanz ist verantwortlich für die Erhöhung des Energieverbrauchs des Implantats. Dem zufolge ist eine Minimierung der Adhäsion und des Wachstums der Bindegewebszellen auf den Elektrodenoberflächen erwünscht. Die Adhäsion von Zellen zu ihrer Umgebung reguliert viele zelluläre Prozesse wie die Zellmigration und -proliferation. Physiochemische Eigenschaften der Implantatoberflächen können moduliert werden, um die Zelladhäsion zu beeinflussen. Ziel dieser Studie war die Untersuchung des Einflusses von physikalisch und chemisch modifizierten Oberflächen auf der Adhäsion von Bindegewebszellen am Modell der Fibroblasten. Die Zelladhäsion wurde mittels der rasterkraftmikroskopischen Methode der single cell force spectroscopy quantitativ untersucht. Zwei Hypothesen wurden untersucht: 1. Oberflächenstrukturen mit geringer Benetzbarkeit reduzieren die Zell-adhäsionskräfte. 2. Hydrophile Polymerbeschichtungen stellen anti-adhäsive Ober-flächen für Fibroblasten dar. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Zellen an Oberflächentopografien anpassten, indem sie morphologische Veränderungen eingingen. Dies führte zu einer Veränderung der Zell-Substrat-Kontaktfläche und zur Beeinflussung der Zelladhäsions-kräfte. Somit reichte die Reduzierung der Benetzbarkeit einer Oberfläche durch Strukturierung nicht aus, um zellabweisende Oberflächen herzustellen. Des Weiteren wurde die Adhäsion von Zellen zu hydrophilen Polymerbeschichtungen verhindert. Es ist davon auszugehen, dass dies aufgrund einer schwachen Bindung zwischen der extrazellulären Matrix und den hydrophilen Oberflächen geschehen ist. Zwei Mechanismen beeinflussten die Adhäsion von Fibroblasten zu modifizierten Materialoberflächen: 1. Die Veränderung der Zell-Substrat-Kontakt-fläche. 2. Die Beeinträchtigung der Adsorption der Moleküle extrazellulärer Matrix.

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Aliuos, Pooyan: Introduction to the Nano World of Cochlear Implant (CI) Surfaces. Hannover 2013. Tierärztliche Hochschule.

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