Die Therapie von Patienten mit fortgeschrittener sensorineuraler Schwerhörigkeit oder Taubheit mit auditorischen Implantaten ist heute Standard in der medizinischen Versorgung. Durch direkte elektrische Stimulation der noch vorhanden auditorischen Neurone wird versucht, die physiologische Informationsübertragung entlang der Hörbahn künstlich nachzubilden. Strukturierte Halbleiterelektrodenträger aus Silizium stellen dabei eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Kabelbündel-Elektrodenträgern heutiger Implantate dar. Durch die Möglichkeit der Abstandsverringerung zwischen Stimulationselektroden und Nervenfasern sowie durch die Möglichkeit der Erhöhung der Anzahl an Stimulationselektroden könnte die Leistungsfähigkeit heutiger Implantate verbessert werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Wachstumsverhalten corticaler neuronaler Vorläuferzellen der Maus auf strukturierten Siliziumhalbleitern zu untersuchen und das Wachstumsverhalten näher zu charakterisieren. Zwei unterschiedliche Oberflä-chenstrukturen wurden durch den Einsatz der Elektronenstrahllithografie auf Silizi-umwafern erzeugt. Zylinder auf der Oberfläche der Halbleiter wurden als Modellstruktur gewählt, um eine erhöhte Anzahl an Elektrodenkontakten zu simulieren und die neuronale Interaktion mit diesen zu untersuchen. Daneben wurden Furchen auf Siliziumoberflächen verwendet, um die Wachstumsrichtung der neuronalen Zellen zu beeinflussen.
Die durchgeführten Untersuchungen konnten zeigen, dass strukturierte Halbleiter-elektrodenträger in zukünftigen auditorischen Implantaten grundsätzlich eine Alternative zu den Kabelbündel-Elektrodenträgern heutiger Implantate sein könnten. Durch den Einsatz der Elektronenstrahllithografie konnten Siliziumwafer mit präziser Oberflächenstrukturierung hergestellt werden und deren Biokompatibilität durch Kultivierung neuronaler Zellen gezeigt werden. Die Geometrie der eingeätzten Oberflächenstruktur hatte dabei entscheidenden Einfluss auf das Wachstumsverhalten der Zellen. Während durch Furchen die Orientierung der Neurone gezielt beeinflusst werden konnte und die Neuritenlängen mit zunehmender Ätztiefe abnahmen, konnten derartige Effekte bei den untersuchten Zylindern nicht beobachtet werden.
Die durchgeführten rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen gaben Auf-schluss über die Interaktion der Neurite mit der Oberflächenstruktur. Auf vertikalen Wachstumsstress reagierten die kortikalen neuronalen Vorläuferzellen unabhängig von der Oberflächenstruktur mit der Ausbildung von neuronalen Brücken. Der Modus der Brückenbildung war bei beiden Strukturen dabei gleich, jedoch wurden unterschiedliche Verankerungspunkte an der Siliziumoberfläche beobachtet. Darüber hinaus konnte durch Echtzeituntersuchungen an lebenden Zellen gezeigt werden, dass diese während des Wachstums ihre Lage verändern konnten und somit nicht dauerhaft mit der Oberfläche verbunden waren.
Die Ergebnisse zeigen, dass die beiden untersuchten Oberflächenstrukturen grundsätzlich für den Einsatz auf zukünftigen Halbleiterelektrodenträgern geeignet sind, jedoch noch weiterführende Untersuchungen nötig sind, um diese weiter zu optimieren. / The treatment of patients with advanced sensorineural hearing loss or deafness with auditory implants is standard in health care today. Structured silicon semiconductors could be an alternative to the conventional wire-bundle-electrodes of today's implants. The possibility of reducing the distance between stimulation electrodes and nerve fibers as well as the possibility of increasing the number of stimulation electrodes could improve the performance of today's implants.
Aim of the present study was to investigate the growth behavior of cortical neuronal precursor cells of the mouse on structured silicon semiconductors and to characterize the growth behavior. Two different surface structures were created on silicon semiconductors through the use of electron beam lithography. Cylinders on the surface of the semiconductors were chosen as model structure for an increased number of electrode contacts. In addition, grooves on Silicon surfaces were used to influence the direction of the axonal outgrowth.
The investigations showed that structured semiconductors basically could be an alternative to the cable-bundle-electrodes of today's implants. The geometry of the surface structure had decisive influence on the growth behavior of cells. While the orientation of the neurons could be influenced by grooves and the axon lengths with etching depth declined, such effects were not observed at the cylinders.
Investigations on the scanning electron microscope showed the interaction of the axons with the surface structure. The neuronal precursor cells responded to vertical growth stress regardless of the surface structure with the formation of neural bridges. The mode of bridging was basically equal on both surfaces, but different anchor points on the silicon surface were observed. In real time studies on living cells the dynamic of neuronal growth was investigated. The Observation shoes, that neurons could change their position during growth and that they were not permanently connected to the surface.
The results shows that the two observed semiconductor surfaces are generally suitable for the use in auditory implants. Further investigations should follow to optimize the surface structures for future implants.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10443 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Kohm, Fabian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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