Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung:

Die Fibrose um den Elektrodenträger stellt eine erhebliche Einschränkung für die Funktionalität von Cochlea-Implantaten dar. Es kommt zu einer erhöhten Impedanz für die Stimulation des Hörnervs und einer nicht vorhersehbaren Reizausbreitung. Die Fibrose beginnt mit der Adsorption von Proteinen und der Adhäsion von Fibroblasten (Bindegewebszellen). Für die Beeinflussung der Bindegewebsbildung kann die Oberfläche des Elektrodenträgers mit hydrophoben, zellabweisenden Materialien strukturiert werden. Am Institut für Mehrphasenprozesse wird hierzu ein Elektrospinnverfahren mit dem hydrophoben Polymer PVDF-TrFE verwendet. Die bisherige Charakterisierung des Beschichtungsverfahrens wurde auf bestehenden Trommelkollektoren von größerem Durchmesser durchgeführt. Das Ergebnis des Elektrospinnprozesses ist allerdings auch abhängig von den Dimensionen des beschichteten Objekts.

Im Rahmen einer Bachelor- oder Studienarbeit soll die Übertragbarkeit des Elektrospinnprozesses auf Elektrodenträger von Cochlea-Implantaten untersucht werden. Dazu ist zuerst ein geeigneter Kollektor für die Einspannung der Elektrodenträger zu entwickeln. Anschließend soll untersucht werden, wie sich die Übertragung des Elektrospinnprozesses von etablierten Trommelkollektoren auf Modellelektroden auswirkt. Hierzu sind vergleichende Versuche durchzuführen sowie Faserdurchmesser und Flächengewicht zu bestimmen. Am Ende der Arbeit soll exemplarische ein reales Cochlea-Implantat besponnen werden.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Inbetriebnahme und Überarbeitung einer Kollektors für das Beschichten von Cochlea-Implantaten

• Durchführung von Elektrospinnversuchen mit Modellelektroden

• Beschichten eines Cochlea-Implantats

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Kurzbeschreibung:

Zur Behandlung von Knochenfrakturen kommen derzeit nicht‑abbaubare Metallimplantate, bspw. aus Titan, zum Einsatz. Insbesondere bei jungen Patientinnen und Patienten weisen solche Implantate jedoch den Nachteil auf, dass es aufgrund des Wachstums des Knochens zu Problemen zwischen Implantat und Gewebe kommen kann, da sich die z.B. die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Um dieses Problem zu beseitigen ist häufig ein zweiter operativer Eingriff zur Entfernung des Implantats erforderlich.

Zur Bewältigung dieser Problematik werden bioresorbierbare Implantate als vielversprechende Alternative diskutiert und zeigen bereits positive Ergebnisse in klinischen Anwendungen. Magnesium (Mg) gilt wegen seiner Nichttoxizität, Biokompatibilität und Abbaubarkeit als besonders geeignetes Biomaterial für medizinische Implantate.

Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch weiterhin darin, den Abbau dieser Implantate  und den Einfluss auf den menschlichen Körper zu verstehen. Die komplexe biologische Umgebung des Knochens sowie die chemischen Veränderungen, die durch die Abbauprodukte des Implantats hervorgerufen werden, führen zu vielschichtigen Wechselwirkungen zwischen der Knochenneubildung und der Degradation des Implantats. Um die verwendeten Magnesiumlegierungen gezielt für spezifische Anwendungen zu optimieren und ein Implantat mit einem idealen Eigenschaftsprofil für den jeweiligen Einsatz zu entwickeln ist ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen unumgänglich.

Osteozyten sind die zahlenmäßig häufigsten Knochenzellen und übernehmen eine zentrale Funktion im Knochenumbau und damit auch der Knocheneigenschaften. Als wesentliche Regulatoren der Knochenremodellierung steuern sie die Rekrutierung und Aktivität von Osteoblasten/Osteoklasten und beeinflussen damit sowohl die Knochenmasse als auch die strukturelle Anpassung des Gewebes. Diese Osteozyten befinden sich in der Lacuna des Lacnuca-Canaliculi-Netzwerks (LCN), wobei die Canaliculi ein dreidimensional vernetztes System bilden, das maßgeblich für die Kommunikation zwischen den Osteozyten verantwortlich ist. Aufgrund der Schwierigkeit, das dreidimensionale Osteozytennetzwerk innerhalb der Knochenmatrix direkt zu untersuchen, wird das LCN häufig als Ersatz zur Analyse der Präsenz, Morphologie und Vernetzung von Osteozyten herangezogen. Die morphologische Anpassung der Osteozyten liefert wertvolle Einblicke in die Knochenremodellierung und damit in die Knochenregeneration im Umfeld bioresorbierbarer Implantate. Darüber hinaus reagiert das LCN sowohl auf mechanische Belastungen als auch auf chemische Stimuli, wie etwa Abbauprodukte der degradierten Implantate, die Morphologie und Dichte beeinflussen können. Derzeit besteht jedoch eine Wissenslücke hinsichtlich der Struktur des LCN in der Umgebung nicht‑abbaubarer und abbaubarer Implantate, als auch hinsichtlich einer möglichen Veränderung des Verhaltens des Netzwerkes bei mechanischer Belastung. 

Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden ex vivo Proben bestehend aus dem Knochen aus der Grenzfläche um Titan, als auch WE43 (Mg-Legierung) Implantaten extrahiert und mittels Synchrotron nano-CT untersucht. Des Weiteren wurden Nanoindentationsversuche durchgeführt, um die Veränderung des LCN in Bezug auf mechanische Belastungen zu untersuchen. Dies wurde am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) durchgeführt, welches durch den Einsatz von Synchrotronstrahlung eine ultra-hochauflösende Bildgebung ermöglicht.

In der Masterarbeit geht es um die Analyse dieser Datensätze. Nach der Rekonstruktion der nano-CT Bilddaten soll mittels Segmentierungen, unterstützt durch ein zu trainierendes neuronales Netz, die Größe, Dichte und Formen der Lacunae untersucht werden. Zusätzlich sollen Strömungssimulationen durchgeführt werden, um die Konnektivität des Netzwerks zu analysieren. Ziel ist es hierbei Veränderungen des LCN im Laufe der Knochenheilung als auch in Folge von mechanischer Belastung zu untersuchen. 

Die Bewertung der Masterarbeit passiert über das Institut für metallische Biomaterialien (Helmholtz-Zentrum hereon) insbesondere der Abteilung für Bildgebung und Datenwissenschaften (MBS), und dem Institut für Mehrphasenprozesse (Leibniz Universität Hannover). Das tägliche Arbeitsumfeld während der Masterarbeit befindet sich in der Außenstelle von MBS auf dem DESY Campus in Bahrenfeld, Hamburg. 

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