Fabbricazione di High Contact-Density, Flat-Interface Elettrodi nervose per la registrazione e la stimolazione Applicazioni

Riepilogo

Questo articolo fornisce una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione di una interfaccia piana del nervo elettrodo ad alta contatto densità (FINE). Questo elettrodo è ottimizzato per la registrazione e stimolare l'attività neuronale selettivamente all'interno di nervi periferici.

Abstract

Molti tentativi sono stati fatti per fabbricare multi-contatto elettrodi polsino nervo che sono sicuri, robusto e affidabile per applicazioni Neuroprotesi lungo termine. Questo protocollo descrive una tecnica di fabbricazione di un elettrodo bracciale nervo cilindrica modificata per soddisfare questi criteri. progettazione minima di computer-aided design e produzione (CAD e CAM) le competenze sono necessarie per produrre costantemente polsini con alta precisione (posizionamento contatto 0,51 ± 0,04 millimetri) e diverse misure di bracciale. La precisione nel distribuire spazialmente i contatti e la capacità di mantenere una geometria predefinita compiuto con questo motivo sono due criteri essenziali per ottimizzare l'interfaccia del bracciale per la registrazione selettiva e la stimolazione. Il progetto presentato massimizza anche la flessibilità nella direzione longitudinale mantenendo sufficiente rigidità in direzione trasversale di rimodellare il nervo utilizzando materiali con differenti elasticità. L'espansione della sezione trasversale del polsinoarea come risultato di aumentare la pressione all'interno del bracciale è stata osservata essere del 25% a 67 mm Hg. Questo test dimostra la flessibilità del bracciale e la sua risposta al nervo gonfiore post-impianto. La stabilità dei contatti 'interfaccia e la qualità di registrazione sono stati anche esaminati con contatti' impedenza e segnale-rumore metriche di rapporto da un polsino cronicamente impiantato (7,5 mesi), e ha osservato di essere 2,55 ± 0,25 rispettivamente kΩ e 5,10 ± 0,81 dB.

Introduzione

Interfaccia con il sistema nervoso periferico (PNS) fornisce accesso a segnali di comando neurali altamente trasformati come viaggiano a diverse strutture all'interno del corpo. Questi segnali sono generati da assoni confinati all'interno di fascicoli e circondati da cellule perinevrio strettamente giunti. La grandezza dei potenziali misurabili risultanti dalle attività neurali è influenzata dalla impedenza dei vari strati all'interno del nervo, come lo strato perineurio altamente resistivo che circonda i fascicoli. Di conseguenza, due approcci di interfaccia sono state esplorate a seconda della posizione di registrazione rispetto allo strato perineurio, ovvero approcci intrafascicolari e extrafascicular. approcci intra-fascicolari posizionare gli elettrodi all'interno dei fascicoli. Esempi di questi approcci sono la matrice Utah ^17, l'elettrodo longitudinale intra-fascicolare (LIFE) ^18, e la trasversale intra-fascicolare multicanale elettrodo (TIME) ^32. Ttecniche ueste possono registrare selettivamente dal nervo ma non hanno dimostrato di mantenere in modo affidabile funzionalità per lunghi periodi di tempo in vivo, probabilmente a causa delle dimensioni e la conformità dell'elettrodo ^12.

approcci extra-fascicolari posto i contatti in tutto il nervo. Gli elettrodi gemelli utilizzati in questi approcci non compromettono la perinevrio né il epinevrio e hanno dimostrato di essere sia un mezzo sicuro e robusto di registrazione dal sistema nervoso periferico ^12. Tuttavia, gli approcci extra fascicular non hanno la capacità di misurare l'attività singola unità - rispetto ai modelli intra-fascicolari. Applicazioni Neuroprotesi che utilizzano elettrodi gemelli nervose includono attivazione degli arti inferiori, la vescica, il diaframma, il trattamento del dolore cronico, blocco della conduzione nervosa, feedback sensoriale, e la registrazione electroneurograms ^1. Le potenziali applicazioni di utilizzare periferiche di interfacciamento dei nervi includere riposooring movimento per le vittime di paralisi con la stimolazione elettrica funzionale, registrando l'attività dei motoneuroni da nervi residui di controllare protesi di arto alimentati a amputati, e l'interfacciamento con il sistema nervoso autonomo per fornire farmaci bio-elettronico ^20.

Un'implementazione di design dell'elettrodo bracciale è il piatto di interfaccia nervo elettrodo (FINE) ^21. Questo design rimodella il nervo in una sezione TV a croce con la circonferenza maggiore rispetto a una forma rotonda. I vantaggi di questo progetto sono aumentati il ​​numero di contatti che possono essere immessi sul nervo, e la vicinanza dei contatti con i fascicoli interni riarrangiati per la registrazione selettiva e la stimolazione. Inoltre, i nervi degli arti superiori e inferiori in grandi animali e umani possono assumere diverse forme e la riconfigurazione generato dal ammenda non alterare la geometria naturale del nervo. studi recenti hanno dimostrato che FINE è in grado di ripristinare sensazione inl'estremità superiore ¹⁶ e movimento ripristino nella estremità inferiore ²² con stimolazione elettrica funzionale nell'uomo.

La struttura di base di un elettrodo polsino consiste nell'inserire diversi contatti metallici sulla superficie di un tratto di nervo e quindi isolante questi contatti con il tratto di nervo in un bracciale non conduttivo. Per realizzare questa struttura di base, vari disegni sono stati proposti in studi precedenti tra cui:

(1) I contatti metallici inseriti in una maglia Dacron. La maglia viene poi avvolto intorno al nervo e la forma bracciale risultante segue la geometria del nervo ^{4, 5.}

(2) I disegni Split cilindri che utilizzano cilindri rigidi e non conduttivi preformate per fissare i contatti in tutto il nervo. Il segmento nervo che riceve questo bracciale è rimodellato in geometria interna del bracciale ^6-8.

(3) Self-avvolgimento disegni in cui i contatti sono racchiusi tra due strati isolanti. Lo strato interno è fuso mentre allungata con uno strato non-allungato esterna. Con differenti lunghezze naturale riposo per i due strati uniti provoca la struttura finale per formare una spirale flessibile che si avvolge intorno al nervo. Il materiale utilizzato per questi strati sono stati tipicamente polietilene ⁹ polyimide ^10, e gomma di silicone ^1.

(4) segmenti non isolati dei fili conduttori posto dopo il coraggio di servire come i contatti degli elettrodi. Questi cavi sono o tessuti in tubo in silicone ¹¹ o modellati in silicone cilindri nidificate ^12. Un principio simile è stato usato per costruire multe organizzando e fondendo fili isolati in modo da formare una matrice, e quindi un'apertura attraverso l'isolamento è realizzato mettendo a nudo un piccolo segmento attraverso il centro di questi fili Iscritto ^13. Questi disegni assume una sezione trasversale rotonda del nervo e sono conformi a questo assunto la geometria del nervo.

Elettrodi (5) in base poliimmide flessibile ³³ con contatti formati da micromachining struttura poliimmide, e quindi l'integrazione in fogli di silicone tese a formare polsini auto-avvolgimento. Questo progetto assume anche una sezione trasversale rotonda del nervo.

Elettrodi bracciale deve essere flessibile e di auto-dimensionamento al fine di evitare che si estende e comprimendo il nervo che può causare danni ai nervi ^3. Alcuni dei meccanismi noti con cui elettrodi polsino possono indurre questi effetti sono la trasmissione degli sforzi dal muscoli adiacenti al bracciale e quindi al nervo, mancata corrispondenza tra di bracciale e le proprietà meccaniche del nervose, e la tensione indebita nei cavi del polsino. Questi problemi di sicurezza portano alla serie specifica di vincoli progettuali sulla flessibilità meccanica, configurazione geometrica, e le dimensioni ^1. Questi criteri sono particolarmente Challenging in caso di titolazione fine di contatto elevata perché il bracciale deve essere allo stesso tempo rigida in direzione trasversale per rimodellare il nervo e flessibile in direzione longitudinale per evitare danni, nonché ospitare più contatti. Auto-dimensionamento disegni a spirale in grado di ospitare più contatti cuff ^14, ma il bracciale risultante è un po 'rigida. disegno poliimmide flessibile può accogliere un elevato numero di contatti, ma sono inclini a delaminazione. Il disegno matrice filo ¹³ produce una multa a sezione piatta, ma per mantenere questa geometria i fili sono fusi insieme lungo la lunghezza del bracciale produrre facce rigide e spigoli vivi rendendo quindi non adatto per impianti a lungo termine.

La tecnica di fabbricazione descritto in questo articolo produce una multa elevata densità di contatto con la struttura flessibile che può essere fatto a mano con sempre elevata precisione. Esso utilizza un polimero rigido (polietere etere chetone (PEEK)) a consentire precise placement dei contatti. Il segmento PEEK mantiene una sezione trasversale piatta al centro dell'elettrodo rimanendo flessibili in direzione longitudinale lungo il nervo. Questo design minimizza anche lo spessore e la rigidità del bracciale dal corpo dell'elettrodo non deve essere rigido per appiattire il nervo o fissare i contatti.

Protocollo

1. elettrodi Componenti Preparazione

1. Raccogliere quattro componenti elettrodi che richiedono precisione di taglio (è stato utilizzato tagliato al laser, Si prega di fare riferimento alla lista dei materiali) prima del processo di fabbricazione. Questi componenti sono (Figura 1):
   Contatti gamma Telaio: Il telaio è realizzato in lamiera di spessore 125 micron polietere etere chetone (PEEK). Esso copre l'intera larghezza del bracciale e tiene i contatti centrali ed ha bordi a forma di serpentina (Figura 1B). I contatti centrali sono avvolti nei canali di guida; quindi la larghezza esposto dei contatti è limitata dalla larghezza dei canali e la distanza è determinata dalla spaziatura tra i canali.
   I contatti centrali filagne: I contatti centrali sono formate avvolgendo queste strisce intorno al telaio contatti array (Figura 1B). Tagliare le strisce fuori del / 10% foglio Iridium Platinum alla larghezza dei canali di guida e aggiungere lunghezza extra per consentire loro di Be completamente ripiegato attorno al telaio. Spot-saldatura lead del contatto a 0º angolo con l'asse principale della striscia.
   I contatti di riferimento: sono necessari quattro riferimenti. La dimensione lunga di tali contatti è leggermente inferiore alla larghezza bracciale loro contenere completamente all'interno del bracciale. Spot saldare ogni contatto di riferimento ad un cavo a 90 ° angolo con l'asse maggiore del contatto.
   Distanziatori PEEK: distanziatori vengono utilizzati per creare la regione più sottile sull'elettrodo per consentire la piegatura e di chiusura (Figura 1C). Tutti i distanziali sono realizzati in PEEK (altro materiale potrebbe essere utilizzato) e tagliato alla lunghezza dell'elettrodo. La larghezza dello spazio intermedio è uguale all'altezza dell'elettrodo.

2. Contatti Array Preparazione

1. Pulire i componenti realizzati in passaggio 1 mediante sonicazione in etanolo per 2 min a 40 KHz e la temperatura ambiente, poi 2 min in acqua deionizzata distillata sotto gli stessi parametri sonicazione. Lasciare asciugare.
2. Controllare visivamente lacontatti per eventuali difetti come residui tagliati al laser o deformazioni superficiali.
3. Posizionare i contatti uno per uno al microscopio con punto di saldatura rivolto verso l'alto. Mantenere il contatto con le pinzette a circa 1/3 della lunghezza iniziale dall'estremità libera. Elevare la portano ad un angolo di 45 ° mentre si tiene il contatto per fare la prima curva.
4. Posizionare il contatto pre-piegati sotto il telaio array con la saldatura rivolto verso l'alto. Tenere il telaio verso il basso con una pinzetta e elevare la portano ad un angolo di 45 ° per fare una seconda curva. Pur continuando tenendo il telaio verso il basso, afferrare l'estremità libera del contatto con una pinzetta e piegare ad un angolo di 180 ° (piegare verso la linea mediana del telaio).
5. Raddrizzare e tirare il contatto verso l'operatore e poi piegare a 180 ° angolo (piega alla linea mediana). Il punto di saldatura a punti dovrebbe essere racchiuso tra le due estremità piegate.
6. Ripetere i passaggi 2,3-2,5 per i restanti contatti. Rendere il più stretto possibile. Alternare la contact porta su ogni lato del telaio dell'array.

3. Guida Cuff layout

1. Creare un diagramma 2D del bracciale in posizione piana aperta.
   NOTA: Utilizzare qualsiasi software CAD per la produzione di un diagramma vera scala. Questo diagramma determinerà le dimensioni dell'elettrodo e il sito posizionamento dei vari componenti degli elettrodi.
2. Stampa il diagramma 2D su carta da stampa periodica in scala utilizzando macchina da stampa ordinaria, e poi tagliare a 5 cm di 5 cm pezzo quadrato con il disegno nel centro.
3. Tagliare 5 cm per 5 cm pezzo quadrato del foglio trasparente termico (T1) con un bisturi.
4. Posizionare il T1 trasparenza pezzo sulla parte superiore della carta diagramma e quindi posizionare entrambi gli strati sulla piastra di base con il diagramma rivolto verso l'alto. li nastro fino alla piastra di base con nastro adesivo.

4. elettrodo strato di base e di riferimento Contatti Placement

1. Tagliare 5 cm di foglio di silicone 5 cm con un bisturi (S1), e THen posizionarlo sul livello di trasparenza. Inizia facendo cadere un angolo poi abbassare lentamente il resto del foglio per evitare di intrappolare bolle d'aria tra T1 e fogli S1 (Figura 2A).
2. Mescolare circa 2 g di silicone non polimerizzato come indicato sulla scheda tecnica del produttore. Rigorosamente mescolare le due parti insieme con sterilizzato bastone di legno agitazione. Posizionare la miscela in una camera a vuoto per 3 min. Ciclo il vuoto per eliminare le bolle che salgono alla superficie. Preriscaldare il forno a 130 ° C Isotemp.
   Nota: guanti in lattice possono inibire il processo di polimerizzazione del silicone. Guanti in lattice contengono anche zolfo che può lasciare contaminanti sulle superfici di lavoro. Si consiglia di utilizzare guanti di nitrile, invece.
3. Utilizzando lo strumento di prelievo dentale, applicare una linea sottile di silicone non polimerizzato lungo la metà dei segmenti distanziatori in cui si trovano sullo schema di guida.
4. Posizionare i distanziali sulle regioni designate, e quindi premere giù contro la S1 foglio di silicone.
5. Parzialmente curare il silicone in forno Isotemp per 30 minuti, lasciare raffreddare per 10 minuti.
6. Posizionare i contatti di riferimento sulle zone designate. Assicurarsi che i punti di saldatura sono rivolti verso l'alto e porta a contatto vengono instradati verso la linea mediana del bracciale per uscire in fondo. Dopo aver verificato il corretto posizionamento, premere i contatti verso il basso sulla S1 strato di silicone. Cassetta di silicone non polimerizzato nei fori passanti.
7. Nastro giù i cavi e quindi curare completamente il silicone a 130 ° C per 90 min, o notte a temperatura ambiente (Figura 2B).

5. Centro Contatti Array Placement

1. Tagliare 1,5 cm di 5 cm pezzo trasparenza con un bisturi (T2). Nastro per riferimento allontana dalla regione centrale per evitare che corre sotto matrice contatti durante la fase successiva.
2. Posizionare le matrici di contatto sul luogo dedicato con il lato rivolto verso l'alto porta. Deposito di silicone non polimerizzato per virare la matrice inposto.
3. Posizionare il pezzo da 5.1 (T2) attraverso la linea mediana dell'elettrodo e nel corso degli array di tenere giù, e poi il nastro le estremità, tenendo premuto sugli array. allineare manualmente la matrice con la posizione dedicata. Nastro giù i cavi al di fuori del perimetro del bracciale.
4. Posizionare il piccolo bar fissaggio attraverso il centro dell'elettrodo e sul T2 segmento trasparenza. Fissare verso il basso per la piastra di base con una pressione moderata per premere i contatti mezzo contro lo strato di silicone S1 base.
5. Completamente curare il silicone per 90 min a 130 ° C, o durante la notte a temperatura ambiente.

6. Incorporare i componenti degli elettrodi

1. Rimuovere il piccolo bar apparecchio e rimuovere delicatamente il foglio T2 trasparente per esporre le matrici di contatto centrali. Rimuovere tutti i nastri che contengono i cavi per entrambi i riferimenti ed i contatti medi (Figura 2C).
2. Tagliare un pezzo quadrato del foglio trasparente con un bisturi per la stessa larghezza delelettrodo e 5 cm di lunghezza (T3), e poi tagliare un pezzo quadrato di foglio di silicone a coprire l'intera superficie dell'elettrodo (S2).
3. Disporre il foglio di silicone (S2) sulla parte superiore del pezzo di trasparenza (T3) e si estendono per rimuovere eventuali onde o irregolarità e per eliminare le bolle d'aria rimangano intrappolati tra.
4. Tagliate quattro pezzi di tubo in silicone; 5 cm di lunghezza ciascuno. Mettetele sul sito di uscita dei cavi come assegnate nello schema di guida. Lasciare uno spazio 2 mm fra il bordo elettrodo e bordi delle valvole. Tenendo premuto ciascuna coppia di tubi con una pinzetta, del nastro giù i tubi a partire da 1 mm di distanza dalla fine del tubo. Ripetere per l'altra coppia.
5. Disporre e conduttori dei contatti medie ed i riferimenti in fasci, per poi passare attraverso il tubo corrispondente vicino ai luoghi di uscita. Ripetere per gli altri tre tubi. (Figura 2D).
6. Deposito generosa quantità di silicone non polimerizzato su tutto il corpo dell'elettrodo.
   NOTA: Evitare la formazione di unir bolle durante questo passo sia versando lentamente il silicone non polimerizzato dal contenitore di miscelazione sottovuoto o iniezione con una siringa.
7. Posizionare la struttura da 6.3 sopra il silicone non polimerizzato depositato presso il foglio di silicone S2 rivolto verso il basso. Allineate la trasparenza piece T3 con l'elettrodo mantenendo il foglio di silicone S2 aderito ad esso.
8. Nastro giù la trasparenza pezzo T3 e quindi applicare la pressione di incanalare le eventuali bolle d'aria intrappolate. Posizionare la grande bar fissaggio attraverso il centro dell'elettrodo e il T3 segmento trasparenza. Poi bloccarlo fino alla piastra di base con una pressione moderata. Completamente curare il silicone per 90 min a 130 ° C, o durante la notte a temperatura ambiente.

7. schermatura consente di Placement (consigliato per la Registrazione di polsini)

1. Rimuovere la barra di fissaggio grande e delaminate il pezzo di trasparenza (T3) con una pinzetta. Posizionare il foglio schermante al centro di ogni faccia dell'elettrodo e applicare una leggera pressione to premerli nell'elettrodo. Cassetta di silicone non polimerizzato nei fori passanti.
2. Parzialmente curare il silicone per 30 minuti a 130 ° C, e poi lasciate raffreddare completamente a temperatura ambiente. Posizionare il nastro adesivo sulle estremità esterne dell'elettrodo e sopra le flange di chiusura per evitare l'aggiunta di silicone non polimerizzato supplementare questi segmenti.
3. Ripetere i passaggi 6.6 tramite 6.8.

8. Tagliare la elettrodo finito

1. Rimuovere e tagliare il silicone in eccesso sulla parte superiore del nastro adesivo aggiunto nel passaggio 7,2 utilizzando bisturi, poi rimuovere con attenzione il nastro adesivo.
2. Tagliare finestre attraverso il silicone per esporre i segmenti distanziatori attraverso lo strato S2. Estrarre i segmenti distanziatori embedded con le pinzette. Questo passaggio lascerà vuoti e formare foglio di silicone singola flessibile in queste regioni (originariamente S1).
3. Staccare il silicone in eccesso sopra i nastri adesivi che ricoprono i tubi di silicone, e poi tagliare con bisturi blade per livellare i tubi con il corpo dell'elettrodo.
4. Tagliare lungo il perimetro dell'elettrodo fino alla piastra di base.
5. Tagliare un triangolo tra ciascuna coppia tubi completamente attraverso la piastra di base, e sul lato esterno seguendo lo schema di guida per formare siti di uscita dei conduttori. Rimuovere tutto il materiale di silicone che è stato rimosso dal corpo dell'elettrodo durante ultimi passi.

9. Esporre Contatti e livelli di schermatura

1. Tagliare finestre attraverso lo strato S2 siliconica che ricopre lo strato di schermatura. Glide sutura filamento di polipropilene tra l'elettrodo di base (strato S1) e T1 strato trasparente sulla piastra di base delaminazione all'elettrodo bracciale finito.
2. Capovolgere l'elettrodo in modo che i contatti centro e la S1 strato di silicone sono rivolti verso l'alto, e poi esporli, tagliando fuori le finestre attraverso lo strato di silicone S1 base. Ripetere i referenti esterni esponendo 1 mm segmenti di larghezza lungo il centro della contatti. Assicurarsi che la stabilizzazione fori passanti ai lati dei contatti di riferimento sono completamente annegata all'interno del corpo dell'elettrodo.

10. Saldatura di un connettore ai conduttori

1. Deposito saldatura sostanza sui cavi e sui perni del connettore separatamente, e quindi il calore e fondere due componenti insieme con saldatore.
   Nota: I cavi sono costituiti da DFT centro d'argento, circondata da uno strato esterno fatto di nichel-cobalto lega a base di MP35N. Depositare la sostanza saldatura su questi fili richiede l'uso di flusso di specialità per consentire l'adesione al filo (consultare la Lista dei materiali).

Risultati

Registrazione attività neurale è stata eseguita con una misura di pre-amplificatore utilizzando l'amplificatore super-β strumentazione di ingresso (700 Hz - larghezza di banda di 7 kHz e guadagno totale di 2.000). Un esempio dell'elettrodo AMMENDA fabbricato con il protocollo presentato è mostrato in figura 3. L'impianto FINE intorno al nervo è fatto da sutura dei due bordi liberi insieme. Una dimostrazione della flessibilità del bracciale (Figura 3B) indica che il bra...

Discussione

Il metodo di fabbricazione descritto in questo articolo richiede movimenti agili e sottili al fine di garantire la qualità del bracciale finale. I contatti di registrazione devono essere posizionati esattamente nel mezzo dei due elettrodi di riferimento. Questo posizionamento è stato dimostrato di ridurre significativamente le interferenze dal circostante muscoli attività elettrica ^27. Qualsiasi squilibrio nella posizione relativa del contatto durante la fabbricazione può degradare il rigetto di segnali d...

Materiali

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