Mittelohrimplantat - Wiederherstellung der Hörfähigkeit

Das Mittelohr des Menschen, die luftgefüllte "Paukenhöhle", enthält eine mechanische Funktionsgruppe, die aus dem "Trommelfell" als schwingungsfähige Membran, der Kette von Gehörknöchelchen "Hammer", "Amboss" und "Steigbügel" und dem ebenfalls membranartig verschlossenen Eingang in den Raum des Innenohrs besteht.

Die natürliche Funktionsweise

Diese kleinsten Knochen des Körpers bilden eine Winkelhebel-Kette, da sie durch Gelenke miteinander verbunden und durch feine Sehnenbänder schwingend an der Innenwandung der Paukenhöhle sind. Bei der Schallleitung nimmt der "Hammer-Stiel" die Membran-Schwingungen auf und gibt sie unter Verstärkung auf die Folgeelemente weiter, bis sie als stempelartige Bewegungen der "Fußplatte" am "Steigbügel" in die flüssigkeitsgefüllte Innenohr-"Schnecke" eingekoppelt werden.

Das Problem

In bestimmten Fällen, z.B. bei einer Otosklerose, versteifen sich die Gelenke und die mechanische Schallleitungskette wird unter einem chirurgischen Eingriff durch ein kompaktes Keramik-Stäbchen ersetzt, welches jetzt die Verbindung zwischen Trommelfell und Schnecke herstellt. Allerdings weist dieser Ersatz einen entscheidend veränderten Frequenzgang auf, so dass der Höreindruck des Patienten deutlich verfälscht wird und bei der Aufnahme sehr hoher Schalldrücke außerdem die Sinneszellen im Innenohr beschädigt werden.

Der technische Anspruch und die Entwicklung eines Simulation - Modells

Für die vorgegebene Größenordnung der natürlichen Struktur (der "Bauraum") in unserem Hörorgan gab es bisher noch keine technologischen Möglichkeiten, ein dynamisches System herzustellen, welches aus bioanalog schwingungsfähigen Elementen besteht. Erst seit der Entwicklung der Mikromechanik ist man in der Lage, derart filigrane Körper, Gelenke und Federn zu realisieren und "aus einem Stück" ohne aufwendige Montageschritte herauszuarbeiten.

Im Falle des Mittelohr-Implantats führt die Bionische Modellmethode zu einem gekoppelten Feder-Massen-Dämpfer-Modell mit den entsprechenden Werten für die Elastizität und Viskosität der Membranen, Gelenke und Bänder; die Hebellängen und Massen der Knöchelchen sowie die Frequenz-Amplituden-Kennlinie aus der audiometrischen Diagnostik.

Die Umsetzung als Konstruktions-Model für eine technologisch realisierbare Struktur

Mikrotechnologie ist zur Zeit noch an die Erzeugung ebener Strukturen gebunden, weshalb statt der räumlichen Geometrie der Knochenkette der Entwurf, abweichend vom natürlichen Vorbild, als planares Getriebe ausgeführt werden muss. In ihm ermöglichen die als Mäander geformten Federgelenke eine rotatorische Relativbewegung der konzentrisch aufgehangenen Glieder beim Schwingungsvorgang. Das mikrotechnische Design ist so berechnet, dass aber weiterhin die Gesamtfunktion mit annähernd gleichen Parametern der Schallübertragung (Phasengang- und frequenzabhängige Verstärkerwirkung = mechanische Impedanz) erhalten bleibt.

Probleme des Einsatzes im biologischen System

Abgesehen von der Wahl des Werkstoffes (Glas, Silizium, Titan, Polymere ?), der Variation der Gesamtgröße und der Auslegung einzelner Federstegbreiten zur individuellen Anpassung, müssen Restriktionen der Biokompatibilität beachtet werden. So besteht noch Entwicklungsbedarf hinsichtlich der räumlichen Fixierung des Außenringes in der Kuppel der Paukenhöhle, die eine sichere Verwachsung mit dem körpereigenen Substrat voraussetzt. Biokompatible Materialien sind in der "Makro-Implantologie" schon Standard, aber in der Mikrotechnologie noch nicht in der geforderten Genauigkeit strukturierbar. Auch ist der operative Zugang der bevorzugt endoskopisch arbeitenden HNO-Chirurgie zum Einsatz dieses empfindlichen Teils noch nicht erprobt.