人工耳蜗电极涂层研究进展

王旨意 付勇

浙江大学医学院浙江大学医学院附属儿童医院耳鼻咽喉头颈外科（杭州 310000）

人工耳蜗将外界声信号转换为电信号，通过植入鼓阶内的微电极直接刺激螺旋神经节细胞，将听觉信息传入中枢。残余螺旋神经节细胞（spiral ganglion neurons,SGN）数量少[1]，神经纤维与电极的间距大[2]，电极植入阻力导致的听毛细胞和螺旋神经节细胞损伤，及可能导致的炎症反应[3-5]，鼓阶内纤维化、骨化，电极表面纤维组织形成而导致的电阻增加[6]均影响人工耳蜗植入后的听觉体验。精准微创人工耳蜗植入[7]、骨髓间充质干细胞移植与SGN及听毛细胞再生[8]、经人工耳蜗电极载药[9]等方案的提出为解决以上问题提供了新的思路与方向，随着材料科学的发展，人们也不断探索电极涂层在改善人工耳蜗植入效果中发挥的作用，本文将对目前已研究的电极涂层材料及其优劣性进行综述。

1 海藻酸涂层

Verena Scheper等[10]将可产生脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）的间充质干细胞（mesenchymal stem cells,MSC）包埋于超高粘滞海藻酸内，作为电极涂层，植入豚鼠内耳，4周后SGN密度显著高于植入无涂层电极组，且不引起电极周围的纤维化和电极电阻改变。Jana Schwieger等[11]将海藻酸置于模拟的内耳环境28天，海藻酸珠的直径以及海藻酸层的弹性均未见明显改变，表现出良好的稳定性。将过表达BDNF的MSC包埋于海藻酸内，产生的BDNF足够对SGN起保护作用，并促进其突触形成。被海藻酸包埋的MSC可存活超过3周，但21天后，海藻酸内的MSC存活率只有40%；当使用临床最大脉冲宽度(400μs)和电流强度(2mA)的电极刺激时MSC大量减少，且海藻酸被破坏，1mA、0.88mA、0.66mA的电流强度亦减少MSC数量，0.33mA则对MSC生存无明显影响。Silke Hügl等[12]利用人耳蜗模型证明海藻酸电极涂层能增加电极表面亲水性，减小电极植入阻力，并减少电极弯曲和尖端折叠的发生率，海藻酸涂层表现出较好的稳定性，并能避免所包埋MSC的分离与迁移。

2 纳米涂层

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

Alessandra Griffo[13]等将聚二甲硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）电极表面等离子处理，使纳米级涂层PEO44-TES与电极表面共价结合，制备的电极表面具有较好的抗污能力，能有效抑制牛血清白蛋白、纤维蛋白原的黏附，即使在2个月以后，仍保持较强的抗蛋白黏附能力，有效抑制金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、绿脓杆菌在电极表面的生长；涂层在持续弯曲应力下具有良好稳定性，在900-2000 nm光波长范围内，PEO44-TES涂层基本可以全部透射，这一特性适用于光触发的光学人工耳蜗。

2.2 磷酸钙空心纳米球（calcium phosphate hollow nanospheres,CPHS）

Hao Li[14]等人利用可以载药的CPHS作为电极涂层，储存、释放BDNF与胶质细胞源性神经营养因 子（glia cell line-derived neurotrophic factor,GDNF），研究表明每1ng CPHS可储存0.1ng GDNF，该涂层存在前6小时纳米球表面GDNF的爆发式释放，释放约50%GDNF，随后6-17小时为纳米球内GDNF的线性缓慢释放，最后随着磷酸钙降解GDNF进一步释放，该阶段释放将更加缓慢；培养14天后涂层释放的GDNF或BDNF均能使SGN突触向涂层表面生长，GDNF-CPHS涂层能使原本有0.7mm间距的电极表面与SGN突触之间发生接触，而一般神经孔与电极之间的距离为0.5mm，蜗轴与电极之间的距离为1-1.5mm。

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

Antonina Wrzeszcz等[15]将地塞米松（dexameth-asone,DMS）晶体结合于电极PDMS内，表面覆盖sPEG，sPEG为纳米级不可降解材料，能抑制蛋白、细胞，包括成纤维细胞的附着；体外试验表明，DMS以及sPEG涂层均能使电极表面的成纤维细胞生长减少90%以上，而DMS加sPEG涂层则能使细胞减少99%，有效抑制细胞附着，减少电极表面纤维化；sPEG电极涂层使电极内DMS的释放速率减慢，无论有无覆盖sPEG，在第一周均会出现DMS爆发性释放，在实验时间90天后，仍有DMS持续释放，根据无sPEG涂层PDMS的DMS释放规律，推测其持续释放时间可超过2年，覆盖sPEG则会使释放时间更长。Antonina Wrzeszcz等[16]又将上述覆盖有sPEG的DMS结合PDMS电极进行体内试验，将其植入豚鼠内耳，发现DMS、DMS+sPEG、sPEG均能减少鼓阶与植入电极表面的粘连组织与其他不定形物质，分别降低85%、75%、30%，单纯sPEG涂层能减少电极表面组织黏附，对电极周围组织形成则无抑制作用，DMS+sPEG电极对组织形成抑制作用较单纯DMS差，可能与sPEG减缓DMS释放有关；使用人耳蜗模型体外试验表明，sPEG涂层轻度增加电极植入阻力，但体内试验表明涂层电极不增加电极植入造成的听阈提高，说明其不增加植入损伤。

3 可降解材料涂层

生物可降解材料涂层可被用于短期耳蜗内局部给药。电极植入的直接损伤或损伤导致的炎症反应，以及异物反应引起的炎症都可能在电极植入早期引起SGN、听毛细胞和血管纹细胞的退化，因此植入早期的局部药物干预对于提高植入效果很有价值。其他短期局部给药方式存在药物浓度不均匀，药物剂量难以控制，增加感染风险等不足[17]，可降解电极涂层或可成为人工耳蜗植入后短期耳蜗局部给药的理想方式。上述CPHS也为可降解材料，不再赘述。

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

P.Ceschi等[18]将PLLA,P(4HB)涂层电极植入豚鼠内耳1～6月后，与无涂层电极对照组相比，不改变ABR阈值，且涂层电极周围仅形成少量纤维组织，说明涂层及其降解产物并不引起强的组织反应，具有较好的生物相容性。在豚鼠内耳6月后，PLLA没有降解，P(4HB)则几乎完全降解，且在电极植入过程中PLLA涂层表现出与电极硅表面的结合不够牢固，因此推测P(4HB)更适合作为可降解涂层用于局部给药。Anne Bohl等[19]的体外试验也表明P(4HB)的生物降解能力更强，更适合作为电极涂层；PLLA增加电极表面粗糙度，P(4HB)则表面光滑、均匀，多孔性的粗糙表面会增加细菌繁殖，更限制了PLLA的使用；P(4HB)也表现出良好的稳定性；P(4HB)释放地塞米松速率较快，且在前24h内出现药物爆发性释放，PLLA释放速率慢，且无爆发性释放阶段，P(4HB)初期的爆发性释放可减少CI手术创伤带来的听力损失。

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

Haoran Yu等[20]使用PLGA和三氯甲烷作为载药电极涂层，所载药物为地塞米松磷酸钠，盐酸阿糖胞苷，或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，PLGA涂层使电极厚度和质量增加，表面光滑度增加，亲水性增加，且不增加电极电阻抗；体外药物释放试验证明第1天药物快速释放，释放63.4%，后14天释放稳定，15天内基本全部释放，药物释放率与涂层厚度、药物种类和药物剂量无明显关系。该涂层可根据不同病人的需要，在手术时15min以内快速定制，50：50的乳酸和乙醇酸聚合物表现出最快降解速率，该实验50：50聚合物30天降解，覆盖了术后的炎症水肿期。

3.3 明胶

Yayoi S Kikkawa等[21]以明胶作为电极涂层，吸附胰岛素样生长因子、肝细胞生长因子，体外试验表明，明胶涂层可有效吸附胰岛素样生长因子，在胶原酶环境中，前1小时有爆发式释放，随后48h持续缓慢释放，增加涂层厚度可提高药物吸附量和释放量；豚鼠内耳电极植入试验表明，明胶涂层可降低由电极植入导致的ABR阈值升高，而含有生长因子的涂层则可持续降低ABR阈值，可能是生长因子持续促进SGN存活和突触形成的结果。涂层可增加电极植入后SGN的生存数量，4周实验期内涂层未导致耳蜗功能上、组织学上的不良反应。

4 导电聚合物涂层

CI电极被植入到充满外淋巴的鼓阶内，与目标神经元存在着一定距离，电极产生的电刺激需要经过液体、骨、软组织的传导，这些传导介质使电阻增加，降低信号的精确传递，需增加刺激电压，而电压提高将导致组织损伤，并引起非特异性的SGN刺激。导电聚合物可改善电荷传输，提高刺激信号强度比，减少非特异性SGN刺激，减少纤维化[22]。

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

PEDOT是一种新型有机导电材料，具有较好的导电性，电化学稳定性和生物相容性[23]。Jennifer A.Chikar等[24]将精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginineglycine-aspartic acid,RGD）功能化的海藻酸水凝胶与PEDOT聚合物混合，制作水凝胶/PEDOT电极涂层，水凝胶用于递送BDNF。体外实验表明，涂层可降低电极电阻，并且BDNF释放可持续2周以上，且早期存在爆发式释放；在6个月的豚鼠体内试验中，无涂层的电极电阻随时间逐渐升高，而水凝胶/PEDOT涂层植入电极在所有频率均保持低电阻值，短期内BDNF释放对SGN等细胞起保护作用，长时间水凝胶/PEDOT涂层电极植入也不影响SGN生存，无细胞毒性。Rachelle T.Hassarati等[25]以聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol),PVA）、肝素甲基丙烯酸两种水凝胶，与PEDOT、对甲苯磺酸盐（para-tolu-enesulfonate,pTS）混合物组成水凝胶/导电聚合物电极涂层，对该导电水凝胶进行的体外试验表明，涂层可降低电极电阻，提高其电荷传递能力，增加电极电荷储存能力，且在电极植入耳蜗模型的过程中涂层未见明显破坏，说明其良好的稳定性。

4.2 铂铱合金

Curtis D.Lee等[26]将铂铱合金作为电极涂层，以电沉积的方式结合于铂电极表面，体外实验表明，相比于无涂层铂电极，在临床使用的电脉冲下，该涂层电极可使极化电阻抗降低90%以上。Ashley N Dalrymple等[27]将上述涂层电极植入大鼠耳蜗5周，并予以适当电刺激；结果表明相比于无涂层铂电极，涂层电极在电极植入前后均具有较高的电荷储存能力和电荷注入极限，但电压瞬态阻抗仅在植入后1周内较低，可能与电极表面纤维蛋白形成有关；涂层不增加电极植入所引起的组织反应；不增加螺旋神经节细胞丢失和神经元功能的损伤。

Ashley N Dalrymple等[28]对PEDOT/pTS-PVA导电水凝胶、电沉积铂铱合金导电涂层的电化学特性进行的体外研究结果表明，相比于无涂层铂电极，两种导电涂层电极在经过21天较强电脉冲刺激的前后均有较高电荷储存能力和电荷注入极限，及较低电阻抗，且涂层无明显腐蚀。

5 其他材料涂层

5.1 聚多巴胺（polydopamine,PD）

PD可提高不同基底材料的亲水性，促进细胞的表面黏附，具有良好的生物相容性[29]。Philipp Schendzielorz等[30]对PD涂层电极的体外研究表明，PD可增加硅电极表面的亲水性和黏附性，并使黏附的脂肪干细胞维持正常形态、分布和功能，使干细胞存活数量增加，且涂层略微降低电极鼓阶植入阻力，植入电极后也较少有细胞脱落。

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]分别对聚N,N-二甲基丙烯酰胺，聚（2-乙基噁唑啉），PMTA三种高分子聚合物膜对成纤维细胞、胶质细胞、SGN生长的影响进行了体外研究，发现只有PMTA表面有胶质细胞明显附着，有较高的SGN存活率和明显的突触生长，前二者则显著减少SGN的存活和突触形成，同时聚（2-乙基噁唑啉）表面有成纤维细胞生长。

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

MPC是一种模仿细胞膜结构的新型生物材料，MPC中的磷酰胆碱的强极性使其对水有很高的亲和力，丙烯酸基团则提供了与其它单体形成聚合物的可能性[32]。Makoto Kinoshita等[33]以MPC为电极涂层植入豚鼠耳蜗，实验表明涂层显著降低电极植入阻力，可能与电极亲水性增加有关；涂层组耳蜗底周SGN存活率明显高于无涂层组，耳蜗底周内、外毛细胞存活率无明显差异，而耳蜗顶周外毛细胞存活率明显高于无涂层组，可能是电极植入引起的损伤以及炎症反应在涂层组没有向上蔓延；在机械应力和电刺激情况下，该涂层表现出较好的稳定性。

6 小结与展望

至今研究的电极涂层材料众多，主要用于装载神经营养因子或其他药物、装载成体干细胞、减小植入阻力、抑制纤维蛋白黏附、增加电极导电性等。一方面，对已研究的涂层材料需要进一步探索，包括涂层在耳蜗环境中的理化特性、生物学性质，药物释放规律，局部药代动力学，在常规电压、电流刺激下涂层的性质以及电刺激对所包埋细胞、药物的影响，涂层植入后的长期表现及对正常组织细胞、耳蜗内环境和听力的影响等，未来需要更多完善的基础研究来推动进一步临床研究的实现。另一方面，需要继续发现更适用于人工耳蜗电极涂层的新材料。目前纳米技术发展迅速，纳米材料表现出很多独特的性质，纳米涂层表现出很好的抗污能力，载药和药物释放能力。可降解材料也是理想的选择方向，可实现短期局部给药，也可用于减小电极植入阻力，也无须担心涂层长期存在造成的不确定后果，但在研究可降解材料包埋活细胞甚至异基因重组细胞时，需保证活细胞在存活期间内得到可降解材料的有效包裹，否则会导致细胞迁移或受到自体细胞免疫攻击。如何将两种材料的优势结合起来值得进一步探索。总之，电极涂层在改善人工耳蜗植入效果中具有广阔发展前景，但目前研究还处于起步阶段，探索出合适的涂层材料并应用于临床，将是人工耳蜗植入领域一个新的热点和方向。