Schdelimplantate in der Hirnforschung Cihan Ipek Axel Klug

Schädelimplantate in der Hirnforschung Cihan Ipek Axel Klug Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung

MPI für biologische Kybernetik • Wahrnehmung, Kognition, Handlung • Physiologie kognitiver Prozesse • Empirische Inferenz • Hochfeld Magnetresonanz Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 2

Inhalt • Technik bis 1996 • Titan-Implantate • Kunststoff-Implantate Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 3

Funktion von Implantaten Unterschieden werden: - Kopfhalter zum Fixieren der Tiere - Ableitkammern Verschließbarer Zugang zum Gehirn Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 4

Stand 1996 • Kopfhalter bestehen aus Stahlbolzen mit Querstangen und Bohrungen • Ableitkammern sind angeschrägte Rohrstücke mit Nuten in der Außenwand • Befestigung durch Knochenzement auf dem Schädel Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 5

Neuer Ansatz Integration des Implantates in den Knochen, erreicht durch: - Dünne Schraubenbeinchen geringer Höhe - Verwendung von speziellen Knochenschrauben - An den jeweiligen Schädel angepasste Form - Hydroxyl-Apatit (HA)-Beschichtung, die das Knochenwachstum fördert. Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 6

Anforderungen an Implantate • Soll das Implantat im MRT verwendet werden • Ist das Tier beim Experiment wach oder anästhesiert • Welcher Gehirnbereich soll erreicht werden • Größe des Gehirnbereichs • Welcher Elektrodenvorschub wird in die Ableitkammer ein-/aufgebaut • Soll mit Optik ein Zugang zum Gehirn erstellt werden Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 7

Titan-Implantate Kopfhalter Cihan Ipek, Axel Klug Ableitkammer Schädelimplantate in der Hirnforschung 8

Verwendung von Titan-Implantaten • Elektrophysiologie - Im abgeschirmten Raum - Fixierung des Tieres - Einbringen von Elektroden in die Ableitkammer - Visuelle und akustische Stimulierung - Durch Abschirmung sind Messungen an der Zelle im µV-Bereich möglich Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 9

Kunststoff-Implantate Kopfhalter für wache Tiere Kopfhalter für anästhesierte Tiere Cihan Ipek, Axel Klug Ableitkammer Schädelimplantate in der Hirnforschung 10

Verwendung von Kunststoff-Implantaten • Kernspintomographie - Fixierung des Tieres - Einbringen von Elektroden in die Ableitkammer - Anschluss und Gehäuse von Spulen, um Gehirnbereiche anzuregen Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 11

Herstellung • Basis: MRT-Scan des Schädels • Konstruktion mit CATIA V 5 • Fertigungsvorbereitung mit CATIA-CAM • Fertigung: 5 -Achs-Bearbeitungszentrum Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 12

Herstellung von Titan-Implantaten • Kopfhalter werden „flach“ gefräst und dann einem Schädelmodell angepasst • Bei Ableitkammern wird die Schädelform direkt gefräst. • Werkstoff: Titan-Legierung (Ti 6 Al 4 V ELI) Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 13

Herstellung von Kunststoff-Implantaten • Jede Implantatform wird individuell gefräst • Werkstoff: PEEK Optima Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 14

Kunststoff-Implantate und HA-Beschichtung • Bis 2008: Keine Beschichtung, teilweise ungenügendes Verwachsen mit dem Schädelknochen • Versuche, PEEK Optima mit HA zu Beschichten bleiben erfolglos, der Kunststoff erweicht • Abhilfe: Schutzschicht aus Tantal als PVD-Beschichtung • Aufbringung der HA-Beschichtung auf Ta-Schutzschicht Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 15

Zukunft • Reduktion des Implantat-Bedarfs durch - neue Fixierungsmöglichkeiten - generische Ableitungskammern Cihan Ipek, Axel Klug Schädelimplantate in der Hirnforschung 16