人工耳蝸電極涂層研究進(jìn)展

王旨意 付勇

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（杭州 310000）

人工耳蝸將外界聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)植入鼓階內(nèi)的微電極直接刺激螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，將聽(tīng)覺(jué)信息傳入中樞。殘余螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（spiral ganglion neurons,SGN）數(shù)量少[1]，神經(jīng)纖維與電極的間距大[2]，電極植入阻力導(dǎo)致的聽(tīng)毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞損傷，及可能導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)[3-5]，鼓階內(nèi)纖維化、骨化，電極表面纖維組織形成而導(dǎo)致的電阻增加[6]均影響人工耳蝸植入后的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。精準(zhǔn)微創(chuàng)人工耳蝸植入[7]、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植與SGN及聽(tīng)毛細(xì)胞再生[8]、經(jīng)人工耳蝸電極載藥[9]等方案的提出為解決以上問(wèn)題提供了新的思路與方向，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們也不斷探索電極涂層在改善人工耳蝸植入效果中發(fā)揮的作用，本文將對(duì)目前已研究的電極涂層材料及其優(yōu)劣性進(jìn)行綜述。

1 海藻酸涂層

Verena Scheper等[10]將可產(chǎn)生腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells,MSC）包埋于超高粘滯海藻酸內(nèi)，作為電極涂層，植入豚鼠內(nèi)耳，4周后SGN密度顯著高于植入無(wú)涂層電極組，且不引起電極周?chē)睦w維化和電極電阻改變。Jana Schwieger等[11]將海藻酸置于模擬的內(nèi)耳環(huán)境28天，海藻酸珠的直徑以及海藻酸層的彈性均未見(jiàn)明顯改變，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。將過(guò)表達(dá)BDNF的MSC包埋于海藻酸內(nèi)，產(chǎn)生的BDNF足夠?qū)GN起保護(hù)作用，并促進(jìn)其突觸形成。被海藻酸包埋的MSC可存活超過(guò)3周，但21天后，海藻酸內(nèi)的MSC存活率只有40%；當(dāng)使用臨床最大脈沖寬度(400μs)和電流強(qiáng)度(2mA)的電極刺激時(shí)MSC大量減少，且海藻酸被破壞，1mA、0.88mA、0.66mA的電流強(qiáng)度亦減少M(fèi)SC數(shù)量，0.33mA則對(duì)MSC生存無(wú)明顯影響。Silke Hügl等[12]利用人耳蝸模型證明海藻酸電極涂層能增加電極表面親水性，減小電極植入阻力，并減少電極彎曲和尖端折疊的發(fā)生率，海藻酸涂層表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，并能避免所包埋MSC的分離與遷移。

2 納米涂層

2.1 三乙氧基硅烷端基44單位聚環(huán)氧乙烷（triethoxysi-lane-terminated polyethylene oxide with 44 ethylene oxideunits,PEO44-TES）

Alessandra Griffo[13]等將聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）電極表面等離子處理，使納米級(jí)涂層PEO44-TES與電極表面共價(jià)結(jié)合，制備的電極表面具有較好的抗污能力，能有效抑制牛血清白蛋白、纖維蛋白原的黏附，即使在2個(gè)月以后，仍保持較強(qiáng)的抗蛋白黏附能力，有效抑制金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、綠膿桿菌在電極表面的生長(zhǎng)；涂層在持續(xù)彎曲應(yīng)力下具有良好穩(wěn)定性，在900-2000 nm光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，PEO44-TES涂層基本可以全部透射，這一特性適用于光觸發(fā)的光學(xué)人工耳蝸。

2.2 磷酸鈣空心納米球（calcium phosphate hollow nanospheres,CPHS）

Hao Li[14]等人利用可以載藥的CPHS作為電極涂層，儲(chǔ)存、釋放BDNF與膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因 子（glia cell line-derived neurotrophic factor,GDNF），研究表明每1ng CPHS可儲(chǔ)存0.1ng GDNF，該涂層存在前6小時(shí)納米球表面GDNF的爆發(fā)式釋放，釋放約50%GDNF，隨后6-17小時(shí)為納米球內(nèi)GDNF的線性緩慢釋放，最后隨著磷酸鈣降解GDNF進(jìn)一步釋放，該階段釋放將更加緩慢；培養(yǎng)14天后涂層釋放的GDNF或BDNF均能使SGN突觸向涂層表面生長(zhǎng)，GDNF-CPHS涂層能使原本有0.7mm間距的電極表面與SGN突觸之間發(fā)生接觸，而一般神經(jīng)孔與電極之間的距離為0.5mm，蝸軸與電極之間的距離為1-1.5mm。

2.3 星形聚乙二醇(star-shaped polyethylene glycol prepolymers,sPEG)

Antonina Wrzeszcz等[15]將地塞米松（dexameth-asone,DMS）晶體結(jié)合于電極PDMS內(nèi)，表面覆蓋sPEG，sPEG為納米級(jí)不可降解材料，能抑制蛋白、細(xì)胞，包括成纖維細(xì)胞的附著；體外試驗(yàn)表明，DMS以及sPEG涂層均能使電極表面的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)減少90%以上，而DMS加sPEG涂層則能使細(xì)胞減少99%，有效抑制細(xì)胞附著，減少電極表面纖維化；sPEG電極涂層使電極內(nèi)DMS的釋放速率減慢，無(wú)論有無(wú)覆蓋sPEG，在第一周均會(huì)出現(xiàn)DMS爆發(fā)性釋放，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間90天后，仍有DMS持續(xù)釋放，根據(jù)無(wú)sPEG涂層PDMS的DMS釋放規(guī)律，推測(cè)其持續(xù)釋放時(shí)間可超過(guò)2年，覆蓋sPEG則會(huì)使釋放時(shí)間更長(zhǎng)。Antonina Wrzeszcz等[16]又將上述覆蓋有sPEG的DMS結(jié)合PDMS電極進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)，將其植入豚鼠內(nèi)耳，發(fā)現(xiàn)DMS、DMS+sPEG、sPEG均能減少鼓階與植入電極表面的粘連組織與其他不定形物質(zhì)，分別降低85%、75%、30%，單純sPEG涂層能減少電極表面組織黏附，對(duì)電極周?chē)M織形成則無(wú)抑制作用，DMS+sPEG電極對(duì)組織形成抑制作用較單純DMS差，可能與sPEG減緩DMS釋放有關(guān)；使用人耳蝸模型體外試驗(yàn)表明，sPEG涂層輕度增加電極植入阻力，但體內(nèi)試驗(yàn)表明涂層電極不增加電極植入造成的聽(tīng)閾提高，說(shuō)明其不增加植入損傷。

3 可降解材料涂層

生物可降解材料涂層可被用于短期耳蝸內(nèi)局部給藥。電極植入的直接損傷或損傷導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)，以及異物反應(yīng)引起的炎癥都可能在電極植入早期引起SGN、聽(tīng)毛細(xì)胞和血管紋細(xì)胞的退化，因此植入早期的局部藥物干預(yù)對(duì)于提高植入效果很有價(jià)值。其他短期局部給藥方式存在藥物濃度不均勻，藥物劑量難以控制，增加感染風(fēng)險(xiǎn)等不足[17]，可降解電極涂層或可成為人工耳蝸植入后短期耳蝸局部給藥的理想方式。上述CPHS也為可降解材料，不再贅述。

3.1 左旋聚乳酸（poly(L-lactide),PLLA）和聚-4-羥基丁酸（poly(4-hydroxybutyrate),P(4HB)）

P.Ceschi等[18]將PLLA,P(4HB)涂層電極植入豚鼠內(nèi)耳1～6月后，與無(wú)涂層電極對(duì)照組相比，不改變ABR閾值，且涂層電極周?chē)鷥H形成少量纖維組織，說(shuō)明涂層及其降解產(chǎn)物并不引起強(qiáng)的組織反應(yīng)，具有較好的生物相容性。在豚鼠內(nèi)耳6月后，PLLA沒(méi)有降解，P(4HB)則幾乎完全降解，且在電極植入過(guò)程中PLLA涂層表現(xiàn)出與電極硅表面的結(jié)合不夠牢固，因此推測(cè)P(4HB)更適合作為可降解涂層用于局部給藥。Anne Bohl等[19]的體外試驗(yàn)也表明P(4HB)的生物降解能力更強(qiáng)，更適合作為電極涂層；PLLA增加電極表面粗糙度，P(4HB)則表面光滑、均勻，多孔性的粗糙表面會(huì)增加細(xì)菌繁殖，更限制了PLLA的使用；P(4HB)也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；P(4HB)釋放地塞米松速率較快，且在前24h內(nèi)出現(xiàn)藥物爆發(fā)性釋放，PLLA釋放速率慢，且無(wú)爆發(fā)性釋放階段，P(4HB)初期的爆發(fā)性釋放可減少CI手術(shù)創(chuàng)傷帶來(lái)的聽(tīng)力損失。

3.2 聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly lactic-co-gly-colic acid,PLGA)

Haoran Yu等[20]使用PLGA和三氯甲烷作為載藥電極涂層，所載藥物為地塞米松磷酸鈉，鹽酸阿糖胞苷，或煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，PLGA涂層使電極厚度和質(zhì)量增加，表面光滑度增加，親水性增加，且不增加電極電阻抗；體外藥物釋放試驗(yàn)證明第1天藥物快速釋放，釋放63.4%，后14天釋放穩(wěn)定，15天內(nèi)基本全部釋放，藥物釋放率與涂層厚度、藥物種類(lèi)和藥物劑量無(wú)明顯關(guān)系。該涂層可根據(jù)不同病人的需要，在手術(shù)時(shí)15min以內(nèi)快速定制，50：50的乳酸和乙醇酸聚合物表現(xiàn)出最快降解速率，該實(shí)驗(yàn)50：50聚合物30天降解，覆蓋了術(shù)后的炎癥水腫期。

3.3 明膠

Yayoi S Kikkawa等[21]以明膠作為電極涂層，吸附胰島素樣生長(zhǎng)因子、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子，體外試驗(yàn)表明，明膠涂層可有效吸附胰島素樣生長(zhǎng)因子，在膠原酶環(huán)境中，前1小時(shí)有爆發(fā)式釋放，隨后48h持續(xù)緩慢釋放，增加涂層厚度可提高藥物吸附量和釋放量；豚鼠內(nèi)耳電極植入試驗(yàn)表明，明膠涂層可降低由電極植入導(dǎo)致的ABR閾值升高，而含有生長(zhǎng)因子的涂層則可持續(xù)降低ABR閾值，可能是生長(zhǎng)因子持續(xù)促進(jìn)SGN存活和突觸形成的結(jié)果。涂層可增加電極植入后SGN的生存數(shù)量，4周實(shí)驗(yàn)期內(nèi)涂層未導(dǎo)致耳蝸功能上、組織學(xué)上的不良反應(yīng)。

4 導(dǎo)電聚合物涂層

CI電極被植入到充滿外淋巴的鼓階內(nèi)，與目標(biāo)神經(jīng)元存在著一定距離，電極產(chǎn)生的電刺激需要經(jīng)過(guò)液體、骨、軟組織的傳導(dǎo)，這些傳導(dǎo)介質(zhì)使電阻增加，降低信號(hào)的精確傳遞，需增加刺激電壓，而電壓提高將導(dǎo)致組織損傷，并引起非特異性的SGN刺激。導(dǎo)電聚合物可改善電荷傳輸，提高刺激信號(hào)強(qiáng)度比，減少非特異性SGN刺激，減少纖維化[22]。

4.1 聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（poly(3,4-ethylene-dioxythiophene),PEDOT）

PEDOT是一種新型有機(jī)導(dǎo)電材料，具有較好的導(dǎo)電性，電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性[23]。Jennifer A.Chikar等[24]將精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginineglycine-aspartic acid,RGD）功能化的海藻酸水凝膠與PEDOT聚合物混合，制作水凝膠/PEDOT電極涂層，水凝膠用于遞送BDNF。體外實(shí)驗(yàn)表明，涂層可降低電極電阻，并且BDNF釋放可持續(xù)2周以上，且早期存在爆發(fā)式釋放；在6個(gè)月的豚鼠體內(nèi)試驗(yàn)中，無(wú)涂層的電極電阻隨時(shí)間逐漸升高，而水凝膠/PEDOT涂層植入電極在所有頻率均保持低電阻值，短期內(nèi)BDNF釋放對(duì)SGN等細(xì)胞起保護(hù)作用，長(zhǎng)時(shí)間水凝膠/PEDOT涂層電極植入也不影響SGN生存，無(wú)細(xì)胞毒性。Rachelle T.Hassarati等[25]以聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol),PVA）、肝素甲基丙烯酸兩種水凝膠，與PEDOT、對(duì)甲苯磺酸鹽（para-tolu-enesulfonate,pTS）混合物組成水凝膠/導(dǎo)電聚合物電極涂層，對(duì)該導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行的體外試驗(yàn)表明，涂層可降低電極電阻，提高其電荷傳遞能力，增加電極電荷儲(chǔ)存能力，且在電極植入耳蝸模型的過(guò)程中涂層未見(jiàn)明顯破壞，說(shuō)明其良好的穩(wěn)定性。

4.2 鉑銥合金

Curtis D.Lee等[26]將鉑銥合金作為電極涂層，以電沉積的方式結(jié)合于鉑電極表面，體外實(shí)驗(yàn)表明，相比于無(wú)涂層鉑電極，在臨床使用的電脈沖下，該涂層電極可使極化電阻抗降低90%以上。Ashley N Dalrymple等[27]將上述涂層電極植入大鼠耳蝸5周，并予以適當(dāng)電刺激；結(jié)果表明相比于無(wú)涂層鉑電極，涂層電極在電極植入前后均具有較高的電荷儲(chǔ)存能力和電荷注入極限，但電壓瞬態(tài)阻抗僅在植入后1周內(nèi)較低，可能與電極表面纖維蛋白形成有關(guān)；涂層不增加電極植入所引起的組織反應(yīng)；不增加螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞丟失和神經(jīng)元功能的損傷。

Ashley N Dalrymple等[28]對(duì)PEDOT/pTS-PVA導(dǎo)電水凝膠、電沉積鉑銥合金導(dǎo)電涂層的電化學(xué)特性進(jìn)行的體外研究結(jié)果表明，相比于無(wú)涂層鉑電極，兩種導(dǎo)電涂層電極在經(jīng)過(guò)21天較強(qiáng)電脈沖刺激的前后均有較高電荷儲(chǔ)存能力和電荷注入極限，及較低電阻抗，且涂層無(wú)明顯腐蝕。

5 其他材料涂層

5.1 聚多巴胺（polydopamine,PD）

PD可提高不同基底材料的親水性，促進(jìn)細(xì)胞的表面黏附，具有良好的生物相容性[29]。Philipp Schendzielorz等[30]對(duì)PD涂層電極的體外研究表明，PD可增加硅電極表面的親水性和黏附性，并使黏附的脂肪干細(xì)胞維持正常形態(tài)、分布和功能，使干細(xì)胞存活數(shù)量增加，且涂層略微降低電極鼓階植入阻力，植入電極后也較少有細(xì)胞脫落。

5.2 2-（甲基丙烯酰氧基）乙基-三甲基乙胺氯化物（poly([2-methacryloyloxy)ethyl]trimethylammo-niumchlorid),PMTA）

C.Hadler等[31]分別對(duì)聚N,N-二甲基丙烯酰胺，聚（2-乙基噁唑啉），PMTA三種高分子聚合物膜對(duì)成纖維細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、SGN生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了體外研究，發(fā)現(xiàn)只有PMTA表面有膠質(zhì)細(xì)胞明顯附著，有較高的SGN存活率和明顯的突觸生長(zhǎng)，前二者則顯著減少SGN的存活和突觸形成，同時(shí)聚（2-乙基噁唑啉）表面有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)。

5.3 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽（2-methacry-loyloxyethyl phosphorylcholine,MPC）

MPC是一種模仿細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的新型生物材料，MPC中的磷酰膽堿的強(qiáng)極性使其對(duì)水有很高的親和力，丙烯酸基團(tuán)則提供了與其它單體形成聚合物的可能性[32]。Makoto Kinoshita等[33]以MPC為電極涂層植入豚鼠耳蝸，實(shí)驗(yàn)表明涂層顯著降低電極植入阻力，可能與電極親水性增加有關(guān)；涂層組耳蝸底周SGN存活率明顯高于無(wú)涂層組，耳蝸底周內(nèi)、外毛細(xì)胞存活率無(wú)明顯差異，而耳蝸?lái)斨芡饷?xì)胞存活率明顯高于無(wú)涂層組，可能是電極植入引起的損傷以及炎癥反應(yīng)在涂層組沒(méi)有向上蔓延；在機(jī)械應(yīng)力和電刺激情況下，該涂層表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

6 小結(jié)與展望

至今研究的電極涂層材料眾多，主要用于裝載神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子或其他藥物、裝載成體干細(xì)胞、減小植入阻力、抑制纖維蛋白黏附、增加電極導(dǎo)電性等。一方面，對(duì)已研究的涂層材料需要進(jìn)一步探索，包括涂層在耳蝸環(huán)境中的理化特性、生物學(xué)性質(zhì)，藥物釋放規(guī)律，局部藥代動(dòng)力學(xué)，在常規(guī)電壓、電流刺激下涂層的性質(zhì)以及電刺激對(duì)所包埋細(xì)胞、藥物的影響，涂層植入后的長(zhǎng)期表現(xiàn)及對(duì)正常組織細(xì)胞、耳蝸內(nèi)環(huán)境和聽(tīng)力的影響等，未來(lái)需要更多完善的基礎(chǔ)研究來(lái)推動(dòng)進(jìn)一步臨床研究的實(shí)現(xiàn)。另一方面，需要繼續(xù)發(fā)現(xiàn)更適用于人工耳蝸電極涂層的新材料。目前納米技術(shù)發(fā)展迅速，納米材料表現(xiàn)出很多獨(dú)特的性質(zhì)，納米涂層表現(xiàn)出很好的抗污能力，載藥和藥物釋放能力。可降解材料也是理想的選擇方向，可實(shí)現(xiàn)短期局部給藥，也可用于減小電極植入阻力，也無(wú)須擔(dān)心涂層長(zhǎng)期存在造成的不確定后果，但在研究可降解材料包埋活細(xì)胞甚至異基因重組細(xì)胞時(shí)，需保證活細(xì)胞在存活期間內(nèi)得到可降解材料的有效包裹，否則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞遷移或受到自體細(xì)胞免疫攻擊。如何將兩種材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)值得進(jìn)一步探索?？傊姌O涂層在改善人工耳蝸植入效果中具有廣闊發(fā)展前景，但目前研究還處于起步階段，探索出合適的涂層材料并應(yīng)用于臨床，將是人工耳蝸植入領(lǐng)域一個(gè)新的熱點(diǎn)和方向。