Fabrication de haute Contactez-Density, Flat-Interface Electrodes nerveuses pour l'enregistrement et de stimulation Applications

Résumé

Cet article fournit une description détaillée sur le processus de fabrication d'une interface plane électrode nerveuse haute contact densité (FINE). Cette électrode est optimisée pour l'enregistrement et la stimulation de l'activité neuronale sélective dans les nerfs périphériques.

Résumé

De nombreuses tentatives ont été faites pour la fabrication multi-contacts électrodes nerf de manchette qui sont sûrs, robustes et fiables pour les applications neuroprothèses à long terme. Ce protocole décrit une technique de fabrication d'une électrode de manchette de nerf cylindrique modifié pour répondre à ces critères. conception minimale assistée par ordinateur et de fabrication (CAO et FAO) compétences sont nécessaires pour produire régulièrement des poignets avec une grande précision (placement de contact 0,51 ± 0,04 mm) et différentes tailles rotateurs. La précision dans la distribution spatiale des contacts et la capacité de conserver une géométrie prédéfinie accomplie avec cette conception sont deux critères essentiels pour optimiser l'interface du brassard pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. La conception présentée maximise également la flexibilité dans la direction longitudinale tout en conservant une rigidité suffisante dans la direction transversale à remodeler le nerf en utilisant des matériaux avec différentes élasticités. L'expansion de la section transversale de la manchettela zone en raison de l'augmentation de la pression à l'intérieur du brassard a été observée pour être 25% à 67 mm de Hg. Cet essai démontre la flexibilité de la coiffe et sa réponse au nerf de gonflement post-implant. La stabilité des contacts de l'interface et l'enregistrement de la qualité ont également été examinés avec des contacts de l'impédance et de signal sur bruit des mesures à partir d'un brassard chroniquement implanté (7,5 mois), et observé que 2,55 ± 0,25 kQ et 5,10 ± 0,81 dB, respectivement.

Introduction

Interfaçage avec le système nerveux périphérique (SNP) donne accès à des signaux de commande de neurones hautement transformés comme ils voyagent à différentes structures dans le corps. Ces signaux sont générés par des axones confinés dans les fascicules et entourés par des cellules périnèvre étroitement articulées. L'amplitude des potentiels mesurables résultant des activités neuronales est affecté par l'impédance des différentes couches à l'intérieur du nerf tel que la couche de perineurium très résistif qui entoure les faisceaux. Par conséquent, deux approches de l'interface ont été explorés en fonction de l'emplacement d'enregistrement par rapport à la couche de périnèvre, à savoir les approches et intrafasciculaires extrafascicular. approches intra-fasciculaires placer les électrodes à l'intérieur des faisceaux. Des exemples de ces approches sont le tableau Utah ^17, l'électrode longitudinale intra-fasciculaire (LIFE) ^18, et l'électrode transversale intra-fasciculaire multicanal (TIME) ^32. Ttechniques es peuvent enregistrer sélectivement du nerf , mais n'a pas été démontré de conserver de manière fiable la fonctionnalité pendant de longues périodes de temps in vivo, probablement en raison de la taille et de la conformité de l'électrode ^12.

approches extra-fasciculaires placent les contacts autour du nerf. Les électrodes de manchette utilisées dans ces approches ne compromettent pas la perineurium ni le épinèvre et se sont révélés être à la fois un moyen sûr et robuste de l' enregistrement à partir du système nerveux périphérique ^12. Cependant, les approches extra-fasciculaire pas la capacité de mesurer l'activité d'une seule unité - par rapport aux modèles intra-fasciculaires. Neuroprothèses qui utilisent des électrodes nerveuses manchette comprennent l' activation de l'extrémité inférieure, la vessie, le diaphragme, le traitement de la douleur chronique, bloc de conduction nerveuse, la rétroaction sensorielle, et l' enregistrement electroneurograms ^1. Les applications potentielles d'utiliser des nerfs périphériques interfaçage inclure reposoring mouvement aux victimes de la paralysie avec la stimulation électrique fonctionnelle, l' enregistrement moteur l' activité des neurones des nerfs résiduels pour contrôler les prothèses des membres motorisés chez les amputés, et l' interfaçage avec le système nerveux autonome à fournir des médicaments bio-électroniques ^20.

Une mise en œuvre de la conception de l'électrode de brassard est l'interface plat nerf électrode (FINE) ^21. Cette conception remodèle le nerf dans une section plate-cross avec une plus grande circonférence par rapport à une forme ronde. Les avantages de cette conception sont nombre de contacts qui peuvent être placés sur le nerf augmenté, et la proximité des contacts avec les fascicules internes réarrangés pour l'enregistrement sélectif et la stimulation. En outre, les nerfs supérieurs et inférieurs extrémités dans les grands animaux et humains peuvent prendre diverses formes et la refonte générée par le FINE ne faussent pas la géométrie naturelle du nerf. Des essais récents ont montré que FINE est capable de restaurer la sensation dansl'extrémité supérieure ¹⁶ et mouvement de rappel à l'extrémité inférieure ²² avec une stimulation électrique fonctionnelle chez l' homme.

La structure de base d'une électrode à ballonnet consiste à placer plusieurs contacts métalliques sur la surface d'un segment de nerf, puis d'isolation de ces contacts avec le segment de nerf à l'intérieur d'un brassard non conducteur. Pour parvenir à cette structure de base, plusieurs modèles ont été proposés dans les études antérieures, y compris:

(1) Des contacts métalliques intégrés dans un maillage Dacron. Le maillage est ensuite enroulé autour du nerf et de la forme brassard résultant suit la géométrie du nerf ^{4, 5.}

(2) conçoit Split-cylindres qui utilisent des cylindres rigides et non conducteurs préformés pour fixer les contacts autour du nerf. Le segment de nerf qui reçoit ce brassard est remodelée dans la géométrie interne de la manchette ^6-8.

(3) Auto-enroulant dessins où les contacts sont enfermés entre deux couches d'isolation. La couche interne est fusionnée tout étiré avec une couche de non-étirée externe. Avec différentes longueurs de repos naturel pour les deux couches liées provoque la structure finale pour former une spirale flexible qui s'enroule autour du nerf. Le matériau utilisé pour ces couches ont été généralement en polyéthylène ⁹ polyimide ^10, et le caoutchouc de silicone ^1.

(4) segments non isolés des fils conducteurs placés contre le nerf pour servir les contacts d'électrodes. Ces pistes sont soit tissés dans un tube de silicone ¹¹ ou moulés en silicone cylindres imbriqués ^12. Un principe similaire a été utilisé pour construire Amendes en organisant et la fusion des fils isolés pour former un réseau, puis une ouverture à travers l'isolation est faite par stripping un petit segment au milieu de ces fils joints ^13. Ces dessins assume une section transversale ronde nerf et se conformer à cette géométrie supposé du nerf.

Des électrodes (5) à base de polyimide flexible ³³ avec des contacts formés par micro - usinage de la structure du polyimide, puis l' intégration dans des feuilles étirées à base de silicone pour former des manchettes auto-enroulant. Cette conception suppose également une section transversale ronde nerf.

Électrodes Cuff devraient être flexibles et auto-dimensionnement afin d'éviter l' étirement et la compression du nerf qui peut causer des dommages nerveux ^3. Certains de ces mécanismes connus par lesquels les électrodes de la coiffe peuvent induire ces effets sont la transmission des forces des muscles adjacents à la manchette, et donc du nerf, non-concordance entre la manchette de propriétés mécaniques et de nerf, et la tension excessive dans les conducteurs de la manchette. Ces questions de sécurité conduisent à ensemble spécifique de contraintes de conception sur la flexibilité mécanique, la configuration géométrique, et la taille ^1. Ces critères sont particulièrement challeNging dans le cas d'un compte FINE de contact élevée parce que le brassard doit être à la même raideur de temps dans la direction transversale pour remodeler le nerf et flexible dans le sens longitudinal pour éviter des dommages, ainsi que recevoir de multiples contacts. Auto-dimensionnement des conceptions en spirale pouvant accueillir de multiples contacts brassard ^14, mais le brassard résultant est quelque peu rigide. conception de polyimide flexible peut accueillir un grand nombre de contacts, mais sont sujettes à la délamination. La conception du réseau de fils ¹³ produit une FINE avec section transversale plate, mais dans le but de conserver cette géométrie les fils sont fusionnés ensemble le long de la longueur de la manchette produisant des visages raides et des arêtes vives rendant alors inadapté pour les implants à long terme.

La technique de fabrication décrite dans cet article produit un contact densité FINE élevée avec une structure flexible qui peut être fait à la main avec précision élevée constante. Il utilise un polymère rigide (polyétheréthercétone (PEEK)) pour permettre la p préciselacement des contacts. Le segment de PEEK conserve une section transversale plate au centre de l'électrode tout en restant souple dans la direction longitudinale le long du nerf. Cette conception permet également de minimiser l'épaisseur et la rigidité globale de la manchette depuis le corps d'électrode n'a pas besoin d'être rigide afin d'aplatir le nerf ou fixer les contacts.

Protocole

1. Composants Préparation de l'électrode

1. Rassemblez quatre composants d'électrodes qui nécessitent une coupe de précision (laser-cut a été utilisé, S'il vous plaît se référer à la liste des matières) avant le processus de fabrication. Ces composants sont (Figure 1):
   Contacts cadre de tableau: Ce cadre est fait de 125 um d'épaisseur feuille polyétheréthercétone (PEEK). Il couvre toute la largeur de la manchette et maintient les contacts du milieu et a des bords en forme de serpentins (figure 1B). Les contacts intermédiaires sont enveloppés dans les canaux de guidage; par conséquent, la largeur exposée des contacts est limitée par la largeur des canaux et l'espacement est déterminé par l'espacement entre les canaux.
   Les contacts intermédiaires bandes: Les contacts intermédiaires sont formés en enroulant ces bandes autour du cadre des contacts de la matrice (figure 1B). Couper les bandes hors de la / 10% feuille Iridium Platinum à la largeur des canaux de guidage et d'ajouter une longueur supplémentaire pour leur permettre de be totalement repliée autour du cadre. Spot-soudure de plomb du contact à 0º angle avec l'axe principal de la bande.
   Les contacts de référence: Quatre références sont nécessaires. La grande dimension de ces contacts est légèrement plus courte que la largeur du brassard pour contenir intégralement à l'intérieur de la manchette. Spot souder chaque contact de référence à une avance à 90º angle avec l'axe principal du contact.
   Espaceurs PEEK: Spacers sont utilisés pour créer plus mince région sur l'électrode pour permettre la flexion et la fermeture (figure 1C). Toutes les pièces d'écartement sont fabriquées à partir PEEK (autre matériau pourrait être utilisé) et coupés à la longueur de l'électrode. La largeur de l'espace intermédiaire est égale à la hauteur de l'électrode.

2. Contacts Tableau Préparation

1. Nettoyer les composants fabriqués dans l'étape 1 par sonication dans de l'éthanol pendant 2 minutes à 40 kHz et la température ambiante, puis 2 min dans de l'eau distillée désionisée dans les mêmes paramètres de sonication. Laisser sécher.
2. Inspecter visuellement lacontacts pour les défauts tels que les résidus découpés au laser ou des déformations de surface.
3. Positionner les contacts un par un sous le microscope avec le point de soudure vers le haut. Maintenez le contact avec des pincettes à environ 1/3 de la longueur à partir de l'extrémité libre. Surélevez la tête à un angle de 45º tout en maintenant le contact pour faire le premier virage.
4. Placez le contact pré-plié sous le cadre de tableau avec la soudure vers le haut. Tenez le cadre vers le bas avec des pinces et d'élever la tête à un angle de 45º pour faire un deuxième coude. Tout en continuant tenant le cadre vers le bas, saisir l'extrémité libre du contact avec des pincettes et coude à un angle de 180º (replier vers la ligne médiane du châssis).
5. Redresser et tirez le contact vers l'opérateur, puis plier à 180º angle (plier à la ligne médiane). Le point de soudage par points doit maintenant être enfermé entre les deux extrémités recourbées.
6. Répétez les étapes 2.3 à 2.5 pour les contacts restants. Faire aussi serrée que possible. Alternez le contact conduit de chaque côté du cadre du tableau.

3. Guide Mise en page Cuff

1. Créer un diagramme 2D de la manchette en position ouverte à plat.
   REMARQUE: Utilisez un logiciel de CAO pour produire un diagramme vrai échelle. Ce diagramme permettra de déterminer les dimensions de l'électrode et le site de mise en place des divers éléments d'électrode.
2. Imprimer le diagramme 2D sur le papier d'impression régulière à l'échelle en utilisant la machine d'impression ordinaire, puis découper un 5 cm par 5 cm carré avec le dessin situé dans le centre.
3. Découpez 5 cm par 5 cm carré de la feuille de transparence thermique (T1) avec un scalpel.
4. Placez le T1 de pièce de transparence sur le dessus du papier de diagramme, puis placer les deux couches sur la plaque de base avec le schéma vers le haut. Ruban descendre dans la plaque de base avec un ruban adhésif.

4. Electrode couche de base et de référence Contacts Placement

1. Découper 5 cm par feuille de silicone de 5 cm avec un scalpel (S1), et een placer sur la couche de transparence. Commencez par laisser tomber un coin , puis abaissez lentement le reste de la feuille pour éviter d' emprisonner des bulles d'air entre T1 et feuilles S1 (figure 2A).
2. Mélanger environ 2 g de silicone non polymérisé comme indiqué sur la fiche technique du fabricant. remuer Rigoureusement les deux parties ensemble avec stérilisée agitation bâton en bois. Placez le mélange dans une chambre à vide pendant 3 min. Cycle du vide pour éliminer les bulles comme ils montent à la surface. Préchauffer le four à 130 ºC Isotemp.
   Remarque: Les gants en latex peuvent inhiber le processus de durcissement de la silicone. Les gants en latex contiennent également du soufre qui peut laisser des contaminants sur les surfaces de travail. En utilisant des gants au lieu de nitrile est recommandée.
3. Utilisation de l'outil de préhension dentaire, appliquer une fine ligne de silicone non vulcanisé le long du milieu des segments d'espacement où ils sont situés sur le schéma directeur.
4. Placer les entretoises sur les régions désignées, puis les presser vers le bas contre la feuille de silicone S1.
5. Partiellement durcir le silicone dans le four Isotemp pendant 30 minutes, laisser refroidir pendant 10 min.
6. Placez les contacts de référence sur les zones désignées. Veiller à ce que les points de soudure sont orientés vers le haut et les fils de contact sont acheminés vers la ligne médiane de la manchette pour sortir à l'extrémité. Après avoir vérifié le positionnement correct, appuyez sur les contacts vers le bas sur la couche de silicone S1. Dépôt de silicone non durci dans les trous traversants.
7. Bande vers le bas les fils et ensuite durcir complètement la silicone à 130 ° C pendant 90 minutes, ou une nuit à température ambiante (figure 2B).

5. Centre de Placement Contacts Array

1. Découpez 1,5 cm par 5 cm pièce de transparence avec un scalpel (T2). Bande en bas de la référence conduit loin de la zone médiane pour les empêcher de courir sous le réseau de contacts au cours de la prochaine étape.
2. Placez les tableaux de contact sur l'emplacement dédié avec le côté conduit vers le haut. Dépôt silicone non vulcanisé pour virer le tableau dansendroit.
3. Placez le morceau de 5,1 (T2) à travers la ligne médiane de l'électrode et sur les réseaux pour les maintenir vers le bas, puis collez les extrémités tout en appuyant sur les tableaux. aligner manuellement le tableau avec la position dédiée. Bande vers le bas les mène à l'extérieur du périmètre de la manchette.
4. Placez la petite barre de fixation à travers le centre de l'électrode et sur le T2 segment de transparence. Fixer le bas à la plaque de base avec une pression modérée à appuyer sur les contacts du milieu contre la silicone de la couche de base S1.
5. guérir complètement la silicone pendant 90 min à 130 ° C, ou une nuit à température ambiante.

6. Intégrer les composants d'électrode

1. Retirez la petite barre de fixation et retirez délicatement la feuille T2 transparent pour exposer les tableaux de contact du milieu. Retirez toutes les bandes qui maintiennent les pistes pour les deux références et contacts du milieu (figure 2C).
2. Coupez un morceau carré de la feuille de transparence avec un scalpel à la même largeur de laélectrode et 5 cm de longueur (T3), puis couper un morceau carré de feuille de silicone pour recouvrir la surface de l'électrode entière (S2).
3. Poser la feuille de silicone (S2) sur le dessus de la pièce de transparence (T3) et l'étirer pour enlever les vagues ou irrégularités et d'éliminer les bulles d'air d'être pris au piège entre les deux.
4. Coupez quatre morceaux de tube en silicone; 5 cm de long chacun. Placez-les sur le site de sortie des pistes qui lui sont assignées sur le schéma directeur. Laisser un espace de 2 mm entre le bord de l'électrode et les bords des tubes. Tout en maintenant chaque paire de tubes avec des pincettes, bande vers le bas les tubes à partir de 1 mm de l'extrémité du tube. Répétez l'opération pour l'autre paire.
5. Organiser et mène des contacts intermédiaires et les références en paquets, puis les passer à travers le tube correspondant à proximité des sites de sortie. Répétez l'opération pour les trois autres tubes. (Figure 2D).
6. Dépôt quantité généreuse de silicone non vulcanisé sur le corps de l'électrode entière.
   NOTE: Eviter la formation d'unir bulles au cours de cette étape, soit en versant lentement le silicone non polymérisé à partir du récipient de mélange aspiré ou de l'injection avec une seringue.
7. Placer la structure de 6,3 au-dessus de la silicone non durcie déposée auprès de la feuille de silicone S2 vers le bas. Alignez le T3 de pièce de transparence avec l'électrode tout en maintenant la feuille de silicone S2 collé à elle.
8. Ruban sur le T3 de pièce de transparence, puis appliquer une pression pour canaliser les bulles d'air piégées. Placez la grande barre de fixation à travers le centre de l'électrode et sur le T3 de segment de transparence. Puis serrer vers le bas sur la plaque de base avec une pression modérée. guérir complètement la silicone pendant 90 min à 130 ° C, ou une nuit à température ambiante.

7. Placement Layer Blindage (Recommandé pour Poignets Enregistrement)

1. Retirez la grande barre de fixation et de délaminer la pièce de transparence (T3) avec des pincettes. Placez la feuille de blindage dans le centre de chaque face de l'électrode et appliquer une légère pression to les presser dans l'électrode. Dépôt de silicone non durci dans les trous traversants.
2. Partiellement durcir le silicone pendant 30 min à 130 ° C, puis le laisser refroidir complètement à la température ambiante. Placer un ruban adhésif sur les extrémités extérieures de l'électrode et sur les brides de fermeture pour empêcher l'addition de silicone non durcie supplémentaire à ces segments.
3. Répétez les étapes 6.6 à 6.8.

8. Découper l'électrode finie

1. Décollez et couper l'excédent de silicone sur le dessus de la bande ajoutée à l'étape 7.2 en utilisant la lame de scalpel adhésif, puis retirez délicatement le ruban adhésif.
2. Découpez les fenêtres à travers le silicone pour exposer les entretoises segments à travers la couche S2. Extraire les segments d'espacement intégrés avec des pincettes. Cette étape laisser des vides et former la feuille de silicone unique flexible au niveau de ces régions (à l'origine S1).
3. Décoller l'excès de silicone sur le dessus des bandes adhésives qui couvrent les tubes de silicone, puis le couper avec un scalpel blade pour niveler les tubes avec le corps de l'électrode.
4. Couper autour du périmètre de l'électrode vers le bas sur la plaque de base.
5. Découper un triangle entre chaque paire de tubes complètement à travers la plaque de base et sur le côté extérieur suivant le schéma de guidage pour former des sites de sortie des pistes. Enlever tout le matériau de silicone qui a été détachée du corps de l'électrode au cours des dernières étapes.

9. Exposer les contacts et les couches de blindage

1. Découper des fenêtres à travers la couche S2 de silicone qui recouvre la couche de blindage. Glisser le polypropylène filament de suture entre la base d'électrode (couche S1) et la couche T1 transparente sur la plaque de base pour délaminer l'électrode de manchette fini.
2. Retournez l'électrode de telle sorte que les contacts centraux et la couche de silicone S1 sont orientés vers le haut, puis les exposer en découpant des fenêtres à travers le silicone de la couche de base S1. Répéter pour les contacts extérieurs de référence exposant de 1 mm de large le long des segments du centre de la contacts. Faire en sorte que la stabilisation de trous traversants sur les côtés des contacts de référence sont entièrement noyées à l'intérieur du corps de l'électrode.

10. souder un connecteur aux Leads

1. Dépôt de brasage substance sur les pistes et sur les broches de connecteur séparément, puis la chaleur et fusionner les deux parties en même temps que le fer à souder.
   Remarque: Les fils conducteurs DFT sont constitués de noyau d'argent entouré par une couche extérieure faite de l'alliage de nickel-cobalt de base MP35N. Déposer la substance de soudure sur ces fils nécessite l'utilisation de la spécialité flux pour permettre l'adhésion au fil (s'il vous plaît se référer à la liste des matériaux).

Résultats

L'enregistrement de l'activité neuronale a été réalisée avec un pré-amplificateur personnalisé en utilisant un amplificateur de super-β entrée d'instrumentation (700 Hz - 7 kHz, la bande passante et le gain total de 2000). Un exemple de l'électrode FINE fabriqué avec le protocole présenté est représenté sur la figure 3. Implanter FINE autour du nerf qui se fait en suturant les deux bords libres ensemble. Une démonstration de la flexibilité de la manchette (figure...

Discussion

Le procédé de fabrication décrit dans cet article exige des mouvements adroites et fines afin d'assurer la qualité de la coiffe finale. Les contacts d'enregistrement doivent être placées exactement au milieu des deux électrodes de référence. Ce placement a été montré pour réduire de manière significative les interférences de muscles entourant l' activité électrique ^27. Tout déséquilibre dans la position relative du contact lors de la fabrication peut dégrader le rejet des signa...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Platinum-Iridium foil	Alfa Aesar	41802	90%Platinum Iridium
DFT wires	Fort Wayne Metals	35N LT-DFT-28%Ag
Lead connector	Omnetics Connector Corporation	MCS-27-SS
Silicone sheet	Speciality Silicon Fabricator	0.005"x12"x12" Silicone Sheet	High durometer, vulcanized
Polyether ether ketone (PEEK) sheet	Peek-Optima	0.005 sheet LT3 grade
polyester stabelizing mesh	Surgicalmesh	PETKM2002
Silicon tubing (0.04" I.D. 0.085" O.D.)	Silcon Medical/NewAge Industries.	2810458
Outer shielding layer	Alfa Aesar, A Johnson Matthey	MFCD00003436 (11391)	Gold foil, 0.004" thick
Transparency sheet	APOLLO	APOCG7060
Ultrasonic bath cleaner	Terra Universal	2603-00A-220
Isotemp standard lab oven	Fisher Scientific	13247637G
Optical microscope	Fisher Scientific	15-000-101
Tweezers	Technik	18049USA (2A-SA)
Surgical blade handles	Aspen Surgical Products	371031
Base frame	McMaster-Carr	9785K411
Support beam	McMaster-Carr	9524K359
Two parts silicone	Nusil	MED 4765
Soldering Flux	SRA Soldering Products	FLS71
Tape	3M Healthcare	1535-0 (SKUMMM15350H)	Paper, hypoallergenic surgical tape
Spot welding machine	Unitek	125 Power Supply with 101F Welding Head
Laser cutting platform	Universal Laser Systems	PLS6.150D	150 watts laser