記録と刺激アプリケーションの高接触密度、フラットインターフェイスの神経電極の作製

要約

この記事では、高い接触密度フラットインタフェース神経電極（FINE）の製造工程の詳細な説明を提供します。この電極は、末梢神経内で選択的神経活動を記録し、刺激のために最適化されています。

要約

多くの試みが長期neuroprostheticアプリケーションのための、安全で堅牢で信頼性の高い多接点神経カフ電極を製造する試みがなされてきました。このプロトコルは、これらの基準を満たすように変更された円筒状の神経カフ電極の製造技術が記載されています。最小コンピュータ支援設計および製造（CADとCAM）スキルが一貫して高い精度で袖口を生産するために必要である（接触配置0.51±0.04ミリメートル）と、様々なカフのサイズ。空間的にコンタクトを分配する際の精度と、この設計で達成事前に定義されたジオメトリを保持する能力は、選択的記録と刺激のためのカフのインターフェースを最適化するために不可欠な二つの基準です。異なる弾性を有する材料を使用することによって、神経を再形成するために横方向に十分な剛性を維持しながら、提示設計はまた、長手方向の柔軟性を最大にします。カフの断面の拡大カフ内の圧力を上昇させる結果として領域67 mmHgで25％であることが観察されました。このテストでは、カフの柔軟性と移植後の腫れ、神経への応答を示しています。コンタクトの安定性慢性移植カフからのインピーダンス及び信号対雑音比の測定基準（7.5ヶ月）」インタフェース、記録品質も接触で検査した」、それぞれ2.55±0.25kΩの及び5.10±0.81 dBのことが観察され。

概要

彼らは身体内の異なる構造に旅行として、末梢神経系（PNS）とのインタフェースは、高度に処理された神経指令信号へのアクセスを提供します。これらの信号は、繊維束内に閉じ込められた軸索によって生成され、緊密に接合神経周膜細胞に囲まれています。神経活動から生じる測定可能な電位の大きさは、このような繊維束を囲む高抵抗神経周膜層として神経内の様々な層のインピーダンスに影響されます。その結果、2種類のインタフェースのアプローチは、神経周膜層、すなわち維管束内のとextrafascicularアプローチに対する記録位置に応じて検討されています。イントラ束状のアプローチは、繊維束の内部に電極を配置します。これらのアプローチの例は、ユタ州アレイ^17、縦イントラ束状電極^{（LIFE）18、}および横方向のイントラ束状マルチチャンネル電極^（TIME）32です。 THESE技術は、神経から選択的に記録することができますが、確実に起因するサイズと電極¹²のコンプライアンスへの可能性が高いin vivoでの長時間のための機能性を保持することが示されていません。

エクストラ束状のアプローチは、神経の周りの接点を配置します。これらのアプローチで使用されるカフ電極は、神経周膜や神経上膜を損なわないと末梢神経系¹²からの記録の安全かつ堅牢な手段の両方であることが示されています。しかし、外束状のアプローチは、単一ユニットの活性を測定する能力を欠く - イントラ束状のデザインと比較しました。神経カフ電極を利用Neuroprostheticアプリケーションは、下肢の活性化、膀胱、ダイヤフラム、慢性疼痛、神経伝導のブロック、感覚フィードバック、および記録electroneurograms ¹の処理が挙げられます。末梢神経インターフェースを利用する可能性のあるアプリケーションでは、残りの部分を含みます切断者における動力四肢の補綴物を制御するために、残存神経から運動ニューロンの活動を記録し、バイオ電子薬^20を提供するために自律神経系とのインターフェース、機能的電気刺激による麻痺の犠牲者への移動をOR接続。

カフ電極のデザイン・インプリメンテーションは、フラットインタフェース神経電極^（FINE）21です。このデザインは、丸みを帯びた形状に比べて、より大きな円周付きフラット断面に神経を整形します。この設計の利点は、神経上に配置することができる連絡先の数を増加させ、そして選択的記録と刺激のための再配列内部繊維束との接触に近接しています。また、大型動物およびヒトにおいて、上部および下肢の神経は様々な形状を取ることができ、FINEによって生成された整形は、神経の自然なジオメトリを歪めていません。最近の試験は、微細に感覚を回復することが可能であることを示しています上肢¹⁶およびヒトにおける機能的電気刺激で下肢²²の動きを復元します。

カフ電極の基本的な構造は、神経セグメントの表面上に複数の金属接点を配置し、その後、非導電性カフ内の神経セグメントに沿って、これらのコンタクトを絶縁から成ります。この基本的な構造を達成するために、いくつかのデザインには、以前の研究で提案されています。

（1） 金属接点は、ダクロンメッシュに埋め込ま 。メッシュはその後、神経の周りに巻かれ、結果として得られるカフ形状は、神経ジオメトリ^4、5に従います。

（2）予備成形硬質非導電性のシリンダーを使用スプリットシリンダの設計は、神経の周りに接点を固定します。 ^{8 -}このカフを受ける神経セグメントは、カフの内部形状⁶に再形成されます。

連絡先が2つの絶縁層の間に封入されている（3） 自己巻きデザイン 。外部未延伸層を用いて延伸したときに、内部層が融合しています。結合した2つの層のための異なる自然静止長で、最終的な構造は、神経の周り自体をラップ柔軟なスパイラルを形成させます。これらの層に使用される材料は、典型的には、ポリエチレン⁹ポリイミド^10、及びシリコーンゴム¹でした。

（4）神経に対して配置され、リード線の非絶縁セグメントは、電極コンタクトとして機能します。これらのリードは、いずれのシリコンチューブ¹¹に織り込ままたはシリコーンネストされたシリンダ¹²に成形されています。同様の原理は、アレイを形成する絶縁電線を配置し、融合することによって罰金を構築するために使用した後、絶縁貫通する開口部は、これらの接合線¹³の中央に小さなセグメントを除去することによって行われます。これらの設計のお尻丸い神経断面梅、これに準拠し、神経形状を仮定しました。

（5）ポリイミド構造を微細加工し、その後自己巻きカフを形成するために延伸したシリコーンシートに統合することによって形成された連絡先との柔軟なポリイミドベース電極 ^33を 。この設計は、円形の神経断面を想定しています。

カフ電極は、柔軟で自己サイジングストレッチや神経損傷^3を引き起こす可能性が神経を圧迫避けるためにすべきです。カフ電極は、これらの効果を誘発することが可能な既知の機構の一部はカフに、したがって神経に隣接する筋肉から力の伝達であり、カフの神経の機械的特性、およびカフのリードで過度の緊張の間に不一致。これらの安全性の問題は、機械的柔軟性に設計制約の特定のセット、幾何学的形状、サイズ¹につながります。これらの基準は、特にchalleありますカフが損傷だけでなく、複数の連絡先を収納するのを防止するために、長手方向に神経と柔軟性を再形成するために、横方向に同じ時刻硬いでなければならないので、高い接触回数FINEの場合にnging。セルフサイジングスパイラルデザインは、複数の連絡先は^、14カフが、結果カフがやや硬質で対応することができます。柔軟なポリイミドデザインは、連絡先の高い数に対応するが剥離する傾向があることができます。ワイヤアレイ設計^13は、平坦な断面を有するFINEを生成するが、ワイヤが長期インプラントのため、その後不適当硬い面とシャープなエッジを生成するカフの長さに沿って一緒に融合され、この形状を保持するためです。

この記事で説明した製造技術は、一貫して高精度に手で作ることができる柔軟な構造と高い接触密度FINEを生成します。これは、正確なPを可能にするために、硬質ポリマー（ポリエーテルエーテルケトン（PEEK））を使用し連絡先のlacement。神経に沿って長手方向に柔軟に残りながら、PEEKセグメントは、電極の中心に平らな断面を維持しています。電極体が神経を平らまたは連絡先を確保するために剛性である必要はありませんので、この設計は、カフの全体の厚さと剛性を最小限に抑えることができます。

プロトコル

1.電極のコンポーネントの準備

1. 前の製造プロセスに（レーザーカットを使用した、物質一覧を参照してください）精密切断を必要とする4つの電極部品を収集します。これらのコンポーネントは、（ 図1）のとおりです。
   コンタクトアレーフレーム：このフレームは、125μmの厚さのポリエーテルエーテルケトン（PEEK）シートから作製されます。これは、カフの幅全体をカバーし、中央のコンタクトを保持し、蛇行状のエッジ（ 図1B）を有します。中央のコンタクトは、ガイドチャンネルに包まれています。従ってコンタクトの露出幅は、チャネルの幅によって制限され、間隔は、チャネル間の間隔によって決定されます。
   中間コンタクトはストリップ：中間接点は接点アレイフレーム（ 図1B）の周囲にこのストリップを巻き付けることによって形成されています。案内チャンネルの幅に白金/ 10％イリジウムのシートのうちのストリップをカットし、それらをbできるようにするために余分な長さを追加します。eは完全にフレームの周りに折り畳まれました。ストリップの長軸と0°の角度で接触のリードをスポット溶接。
   基準接点は：四つの参照が必要です。これらの連絡先の長い寸法は完全にカフの内側にそれらを含むようにカフの幅よりも若干短くなっています。スポットは、連絡先の主要な軸と90°の角度でリードに各基準接点を溶接しました。
   PEEKスペーサー：スペーサーが（ 図1C）、曲げたり閉じたりできるように、電極上に薄い領域を作成するために使用されています。すべてのスペーサーは、PEEK（他の材料を使用することができる）から作られた電極の長さに切断されます。中央のスペースの幅は、電極の高さに等しいです。

2.コンタクトアレイの準備

1. 同じ超音波処理パラメータの下で蒸留脱イオン水で、その後2分、40キロヘルツ、室温で2分間、エタノール中で超音波処理することにより、ステップ1で作成したコンポーネントを清掃してください。乾燥してみましょう。
2. 視覚検査レーザーカットの残差や表面変形のような欠陥のための連絡先。
3. 溶接スポットが上向きにして、顕微鏡下での接点を一つずつ配置します。自由端から出発して約1/3の長さの時にピンセットとの接触を保持します。最初の曲がりを作るために接触を保持しながら、45°の角度にリードを高めます。
4. 溶接部を上に向けてアレイフレームの下に予め曲げられた接触を置きます。ピンセットでフレームを押したまま、第二屈曲部を作るために45°の角度にリードを高めます。継続はダウンフレームを保持しながら、180度の角度でピンセットベンドとの接触（フレームの中央線に向かって折り）の自由端をつかみます。
5. まっすぐに伸ばし、プルオペレータに向けて接触をした後、（中央の線に倍）180度の角度で曲がります。スポット溶接ポイントが2曲がった端部の間で囲む必要があります。
6. 残りのコンタクト用の2.5 - を繰り返して、2.3を繰り返します。できるだけタイトください。コンタを交互CTは、アレイフレームの各側に導きます。

3.カフレイアウトガイド

1. 平らな開放位置にカフの2D図を作成します。
   注：真のスケール図を生成するために、任意のCADソフトウェアを使用してください。この図は、電極と様々な電極のコンポーネントの配置部位の寸法を決定します。
2. 通常の印刷機を用いてスケーリングするために、通常の印刷用紙上の2D図を印刷し、その後、中心部に位置し、図面で5平方cm片を5センチ切り出します。
3. メスで熱透明シート（T1）5cmの正方形のピースを5センチ切り取ります。
4. 図を上に向けてベース板上に両方の層を配置し、次に図の紙の上に透明片T1を配置し、。粘着テープでベース板にテープそれらをダウン。

4.電極ベース層とリファレンスコンタクトの配置

1. メス（S1）と5cmのシリコンシートにより5センチ切り出し、目アンは、透明層の上に置きます。その後、ゆっくりとT1とS1シート（ 図2A）との間に気泡をトラップ回避するために、シートの残りの部分を下げる一角をドロップすることによって起動します。
2. メーカーのデータシートに指示されるように、未硬化のシリコーンの約2グラムを混ぜます。厳密に滅菌した木製攪拌棒と一緒に二つの部分をかき混ぜます。 3分間の真空チャンバ内でミックスを置きます。彼らは表面に上昇として気泡を除去するためのサイクル真空。 130ºCでisotempオーブンを予熱。
   注：ラテックス手袋は、シリコーンの硬化プロセスを阻害することができます。ラテックス手袋はまた、作業面上の汚染物質を残すことができ、硫黄が含まれています。代わりにニトリル手袋を使用することをお勧めします。
3. 歯科ピックツールを使用して、彼らは、案内図に配置されているスペーサーセグメントの中央に沿って未硬化のシリコーンの細い線を適用します。
4. 指定された領域の上にスペーサを配置し、その後、シリコンシートS1に対してそれらを押し下げます。
5. 部分的には10分間のクールダウンさせ、30分間isotempオーブンでシリコーンを硬化させます。
6. 指定された領域上に、基準接点を配置します。溶接ポイントがアップ直面しているとの接触リードは遠端で終了するには、カフの正中線に向かって配線されていることを確認してください。正しい位置を確認した後、シリコーン層S1上にダウンして連絡先を押してください。スルーホールへの預金未硬化のシリコーン。
7. リードダウンテープ、その後、完全に室温（ 図2B）で90分、または一晩130ºCでシリコーンを硬化させます。

5.センター連絡先アレイの配置

1. メス（T2）で5cmの透明ピース1.5センチ切り取ります。基準ダウンテープは、次のステップの間に接点配列の下に実行してからそれらを防ぐために、中間領域から離れてつながります。
2. リード側を上に向けて専用の場所に接触アレイを配置します。で配列をタックするためのデポジット未硬化のシリコーン場所。
3. それらを保持するために、電極の正中線を横切り、アレイ上に5.1からピース（T2）を配置し、その後、アレイ上押しながら両端をテープで固定します。手動で専用の位置に配列を整列させます。カフの境界外のリードダウンテープ。
4. 電極の中心を横断し、透明性の区間T2の上に小さな治具バーを配置します。ベースシリコン層S1に対して中央の接点を押して、適度な圧力でベースプレートにそれを取り締まります。
5. 完全に130ºCで、または一晩RTで90分間、シリコーンを硬化させます。

6.電極コンポーネントを埋め込み

1. 小さな治具バーを外し、静かに中央のコンタクトアレイを露出するように透明なシートT2を削除します。参考文献と中間接点（ 図2C）の両方のためのリードを保持するすべてのテープを外します。
2. の同じ幅にメスで透明シートの正方形のピースをカットその後、電極および長さ（T3）が5cm、及び全体電極表面（S2）を覆うようにシリコンシートの正方形片に切断します。
3. 透明ピース（T3）の上にシリコンシート（S2）を置き、任意の波や凹凸を除去するために、それを伸ばすとの間にトラップされる気泡を除去するために。
4. シリコンチューブの4枚をカット。それぞれ長さ5cm。案内図で割り当てられているように、リード線の出口部位の上に置きます。電極端およびチューブ「エッジ間の2ミリメートルのスペースを入れてください。ピンセットでチューブの各ペアを押しながら、ダウンチューブテープが離れて管端部から1ミリメートルから始まります。他のペアについて、この手順を繰り返します。
5. アレンジと中間連絡先や参考文献のリード線束にして、[終了部位の近くに対応するチューブを介してそれらを渡します。他の3本のチューブのために繰り返します。 （ 図2D）。
6. 電極全体の体の上に未硬化のシリコーンの寛大な量を堆積させます。
   注：形成は避けてくださいIRはゆっくりと真空に混合容器から未硬化シリコーンを注入または注射器でそれを注入することのいずれかによって、この工程の間に泡。
7. 下向きにシリコンシートS2に堆積した未硬化のシリコーンの上に6.3から構造を配置します。 S2はそれに付着したシリコンシートを維持しながら、電極と透明性片T3を合わせます。
8. 透明ピースT3ダウンテープと、任意の閉じ込められた空気の泡をチャネルに圧力をかけます。電極の中心を横断し、透明性の区間T3を超える大規模なフィクスチャバーを配置します。そして、適度な圧力でベースプレートにそれを取り締まります。完全に130ºCで、または一晩RTで90分間、シリコーンを硬化させます。

7.シールド層の配置（記録袖口に推奨）

1. 大きなフィクスチャバーを削除し、ピンセットで透明ピース（T3）を剥離し。電極の各面の中央に遮光シートを置き、わずかな圧力tを適用しますO電極にそれらを押してください。スルーホールへの預金未硬化のシリコーン。
2. 部分的に130ºCで30分間、シリコーンを硬化し、次にそれを室温に完全に冷まします。電極の外端部の上に粘着テープを置き、閉鎖フランジを介してこれらのセグメントに余分な未硬化のシリコーンを追加防ぐために。
3. 繰り返しは6.8を通じて6.6を繰り返します。

8.完成電極を切り出します

1. はがし、慎重に粘着テープを取り外した後、メスの刃を使用して、ステップ7.2で追加された粘着テープの上に過剰なシリコーンをカット。
2. S2層を介してスペーサーセグメントを露出させるために、シリコーンを介して窓を切り取ります。ピンセットで埋め込まれたスペーサーセグメントを抽出します。このステップは、空隙を残し、これらの領域（元々S1）での柔軟な単一のシリコーンシートを形成します。
3. シリコンチューブをカバーする粘着テープの上に余分なシリコンをはがし、その後、メスの宣伝ちらしでそれをカットeは、電極本体とチューブレベル。
4. ベースプレートまで電極の周囲に切断します。
5. 完全にベースプレートを介して各チューブのペア間の三角形を切り取り、そして外側にリード」の出口部位を成形するように案内図を以下に示します。最後のステップ中に電極本体から切り離されたすべてのシリコーン材料を取り除きます。

9.公開連絡先とシールド層

1. シールド層を覆うシリコン層S2を介して窓を切り取ります。仕上がったカフ電極を剥離し、電極基材（層S1）と、基板上に透明層T1との間にポリプロピレン縫合糸を滑ります。
2. センターの連絡先とシリコーン層S1が上向きされるように電極をフリップし、その後ベースシリコン層S1を介して窓を切り出すことによって、それらを公開します。 Cの中心に沿って1mm幅のセグメントを露出する外部参照の連絡先について繰り返しontacts。スルーホールの基準接点の両側に安定化完全に電極の体内に埋め込まれていることを確認してください。

10.はんだ付けリードするコネクタ

1. 預金のはんだ付けリード上に、別途コネクタのピンに物質、その後、熱やはんだごてと一緒に両方の部分を融合。
   注：DFTリード線は、ニッケル - コバルト基合金MP35Nのうちからなる外層により囲まれた銀コアから成ります。これらのワイヤ上にはんだ物質を堆積する（物質一覧を参照してください）電線に付着できるようにする特殊フラックスを使用する必要があります。

結果

（ - 7 kHzの帯域幅と2000の総合利得700 Hz）で神経活動を記録するスーパーβ入力計装アンプを使用して、カスタマイズ前置増幅器を用いて行きました。提示されたプロトコルを用いて製造FINE電極の例が図3に示されている。2つの自由縁部を縫合することによって行われ、神経の周りにFINEを注入します。カフの柔軟性（ 図3B）のデモンストレーションは、長手方向の柔?...

ディスカッション

この記事に記載された製造方法は、最終的なカフの品質を確保するために器用な微細な動きを必要とします。記録接点は二つの基準電極の中央に正確に配置する必要があります。この配置は、かなりの筋肉を電気的活動^27を周囲の干渉を低減することが示されています。製造中のコンタクトの相対的な位置にある任意の不均衡は、カフの外に発生するコモンモード干渉信号の拒絶反応...

資料

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