Name: fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications
Uploaded: 2016-10-04T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications at JoVE.com

Diese Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) MTO unter der Schirmherrschaft von Dr. Jack Judy und Dr. Doug Weber durch den Raum und Naval Warfare Systems Center, Pacific Zuschuss / Vertrag No.N66001-12-C-4173 gefördert . Wir möchten Thomas Eggers für seine Hilfe bei dem Herstellungsprozess, und Ronald Triolo, Matthew Schiefer, Lee Fisher und Max Freeburg für ihren Beitrag bei der Entwicklung des Verbundnerven Stulpeentwurf danken.

1. Elektrodenkomponenten Vorbereitung <ol><li> Sammeln Sie vier Elektrodenkomponenten, die erfordern, Präzisionsschnitt (Laser-Cut verwendet wurde, verweisen auf die Materialliste) vor dem Herstellungsprozess. Diese Komponenten sind (Abbildung 1): Kontakte Array-Rahmen: Dieser Rahmen ist aus 125 &amp; mgr; m dicken Polyetheretherketon (PEEK) Blech. Es deckt die gesamte Breite der Manschette und hält die mittleren Kontakte und hat serpentinenförmige Kanten (1B). Die Mittelkon...

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Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschriebenen erfordert geschicktes und feine Bewegungen, um die Qualität der endgültigen Manschette zu gewährleisten. Die Aufnahmekontakte müssen genau in der Mitte der beiden Referenzelektroden angeordnet werden. Diese Platzierung wurde Aktivität elektrischen aus den umliegenden Muskeln 27 zu einer signifikanten Störungen zu reduzieren. Ein Ungleichgewicht in der relativen Position des Kontakts während der Herstellung kann verschlechtern die Abstoßung von ...

Wirken mit dem peripheren Nervensystem (PNS) ermöglicht den Zugang zu hochverarbeiteten neuralen Befehlssignale, wie sie reisen, um verschiedene Strukturen innerhalb des Körpers. Diese Signale werden erzeugt, indem innerhalb Faszikel beschränkt Axonen und durch eng verbunden Perineuriums Zellen umgeben. Die Größe der meßbaren Potentialen aus den neuralen Aktivitäten resultiert, wird durch die Impedanz der verschiedenen Schichten innerhalb der Nerven wie dem Perineurium hochohmige Schicht beeinflusst, die die Faszikel umgibt. Folglich wurden zwei Schnittstellen Ansätze untersucht, je nach der Aufzeichnungsstelle in Bezug auf das Perineurium Schicht, nämlich intrafaszikuläre und extrafaszikuläres Ansätze. Intra-faszikulären Ansätze stellen die Elektroden im Inneren der Faszikel. Beispiele dieser Ansätze sind das Utah - Array 17, der Längs Intra-faszikuläre Electrode (LIFE) 18 und die Querintra faszikuläre mehrkanaligen Elektrode (TIME) 32. Tiese Techniken können selektiv aus dem Nerven aufnehmen sondern in vivo, wahrscheinlich aufgrund der Größe und der Nachgiebigkeit der Elektrode gezeigt zuverlässig Funktionalität für lange Zeiträume beibehalten 12 nicht. Extra faszikulären Ansätze stellen die Kontakte um den Nerv. Die Manschette Elektroden in diesen Ansätzen verwendete keine Kompromisse das Perineurium noch das Epineurium und wurden von der Aufnahme aus dem peripheren Nervensystem 12 ein sicheres und robustes Mittel zu sein , beide gezeigt. Allerdings außer faszikulären Ansätze fehlt die Fähigkeit, einzelne Einheit Aktivität zu messen - im Vergleich zu den inner faszikulären Designs. Neuroprothetischer Anwendungen , die Nervenmanschette Elektroden verwenden , umfassen die Aktivierung der unteren Extremität, die Blase, die Membran, die Behandlung von chronischen Schmerzen, Block neuronaler Leitung, sensorisches Feedback, und die Aufnahme Elektron 1. Mögliche Anwendungen zu nutzen, periphere Nerven Interfacing umfassen Restoring Bewegung für Opfer von Lähmung mit funktionellen Elektrostimulation, die Aufnahme Motoneuron Aktivität von Rest Nerven angetriebenen Gliedmaßenprothesen in Amputierten zu steuern und mit dem autonomen Nervensystem eine Schnittstelle 20 Bioelektronik-Medikamente zu liefern. Eine Design - Implementierung der Manschette Elektrode ist die Flat-Schnittstelle Nervenelektrode (FINE) 21. Dieser Entwurf formt die Nerven in einen flachen Querschnitt mit größeren Umfang im Vergleich zu einer runden Form. Die Vorteile dieser Bauart sind Anzahl der Kontakte erhöht, die auf dem Nerv angeordnet werden kann, und die Nähe der Kontakte mit den neu angeordneten internen Faszikel zur selektiven Erfassung und Stimulation. Ferner oberen und unteren Extremitäten Nerven bei großen Tieren und Mensch kann verschiedene Formen annehmen und die von der FINE erzeugt Umbildung nicht die natürliche Geometrie des Nerven verzerren. Jüngste Studien haben gezeigt, dass FINE fähig ist Gefühl der Wiederherstellung indas obere Ende 16 und die Rückstellbewegung in dem unteren Ende 22 mit funktionalen elektrischen Stimulation beim Menschen. Die Grundstruktur einer Manschettenelektrode besteht auf der Oberfläche eines Nervensegment mehrere Metallkontakte zu platzieren, und isolierende dann diese Kontakte zusammen mit dem Nervensegment innerhalb einer nichtleitenden Manschette. Um diese Grundstruktur zu erreichen, mehrere Entwürfe wurden in früheren Studien vorgeschlagen, einschließlich: (1) Die Metallkontakte in ein Dacron Masche eingebettet. Das Netz wird dann um den Nerv gewickelt und die sich ergebende Manschettenform folgt der Nervengeometrie 4, 5. (2) Split-Zylinder - Designs , die vorgeformten verwenden starren und nichtleitenden Zylinder um die Kontakte zu fixieren den Nerv herum. Das Nervensegment , das diese Manschette aufnimmt , ist in den internen Stulpe der Geometrie umgestaltet 6 - 8. Selbstwickel Konstruktionen , bei denen die Kontakte zwischen zwei Isolationsschichten eingeschlossen sind. Die innere Schicht geschmolzen wird, während sie mit einer externen un gestreckten Schicht gestreckt. Mit verschiedenen natürlichen Ruhelängen für die zwei miteinander verbundenen Schichten bewirkt, dass die endgültige Struktur eine flexible Spirale zu bilden, die sich um den Nerv wickelt. Das Material für diese Schichten verwendet wurden typischerweise Polyethylen 9 Polyimid 10 und Siliconkautschuk - 1. (4) Nicht isolierte Segmente der Leitungsdrähte gegen den Nerv angeordnet , wie die Elektrodenkontakte dienen. Diese Leitungen werden entweder in Silikonschlauch gewebt 11 oder in Silikon verschachtelt Zylinder 12 geformt. Ein ähnliches Prinzip wurde verwendet , Bußgelder zu konstruieren , durch das Anordnen und isolierte Drähte Verschmelzen ein Array zu bilden, und dann eine Öffnung , durch die Isolierung erfolgt durch ein kleines Segment durch die Mitte dieser verbundenen Drähte 13 Strippen. Diese Entwürfe assume einen runden Querschnitt Nerven und entsprechen diese angenommen Nervengeometrie. (5) Flexible auf Polyimidbasis Elektroden 33 mit den Kontakten , gebildet durch Polyimidstruktur Mikrobearbeitung und dann in gestreckte Silikonfolien integrierenden selbst Aufwickeln Manschetten zu bilden. Dieser Entwurf nimmt auch an einen runden Nervenquerschnitt. Cuff - Elektroden sollten, um flexibel und selbst Sizing zu vermeiden Stretching und die Nerven zu komprimieren , dass Nervenschäden 3 führen kann. Einige der bekannten Mechanismen, durch die Manschettenelektroden diese Effekte sind die Übertragung der Kräfte von benachbarten Muskeln an der Manschette induzieren kann und somit auf den Nerv, Mismatch zwischen der Manschette ist und Nerven der mechanischen Eigenschaften und der übermäßige Spannung in den Leitungen der Manschette. Diese Sicherheitsprobleme führen zu bestimmten Satz von Designbeschränkungen auf die mechanische Flexibilität, geometrische Konfiguration und die Größe 1. Diese Kriterien sind besonders challein dem Fall eines hohen Kontaktzahl FINE rn de weil die Manschette zugleich steif in der Querrichtung sein muß, den Nerv und flexibel in Längsrichtung neu zu gestalten Schäden sowie das mehrere Kontakte zu verhindern. Selbst Sizing Spirale Designs können mehrere Kontakte Manschette 14 aufnehmen, aber die resultierende Manschette ist etwas steif. Flexible Polyimid-Design kann eine hohe Anzahl von Kontakten aufnehmen, sind aber anfällig für Delamination. Der Draht - Array - Design 13 erzeugt einen feinen mit flachem Querschnitt, aber um diese Geometrie die Drähte verschmolzen sind entlang der Länge der Manschette Herstellung steifen Flächen und scharfen Kanten zusammenzuhalten dann ungeeignet für Langzeitimplantate machen. Das Herstellungsverfahren in diesem Artikel beschrieben erzeugt eine hohe Kontaktdichte FINE mit flexibler Struktur, die bei gleichbleibend hoher Präzision von Hand gemacht werden kann. Es verwendet ein starres Polymer (Polyetheretherketon (PEEK)) präzise p zu ermöglichenlacement der Kontakte. Das PEEK-Segment hält einen flachen Querschnitt in der Mitte der Elektrode, während in der Längsrichtung entlang des Nervs flexible verbleibt. Diese Konstruktion minimiert auch die Gesamtdicke und Steifigkeit der Manschette, da der Elektrodenkörper starr zu sein, nicht um die Nerven zu glätten hat oder die Kontakte zu sichern.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="966">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Platinum-Iridium foil</td>
			<td style="width:223px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:279px;">41802</td>
			<td style="width:225px;">90%Platinum Iridium&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">DFT wires</td>
			<td style="width:223px;">Fort Wayne Metals</td>
			<td style="width:279px;">35N LT-DFT-28%Ag</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:241px;">Lead connector</td>
			<td style="width:223px;">Omnetics Connector Corporation</td>
			<td style="width:279px;">MCS-27-SS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Silicone sheet</td>
			<td style="width:223px;">Speciality Silicon Fabricator</td>
			<td style="width:279px;">0.005&#34;x12&#34;x12&#34; Silicone Sheet</td>
			<td>High durometer, vulcanized&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:241px;">Polyether ether ketone (PEEK) sheet</td>
			<td style="width:223px;">Peek-Optima</td>
			<td style="width:279px;">0.005 sheet LT3 grade</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">polyester stabelizing mesh</td>
			<td style="width:223px;">Surgicalmesh</td>
			<td style="width:279px;">PETKM2002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:241px;">Silicon tubing (0.04&#34; I.D. 0.085&#34; O.D.)</td>
			<td style="width:223px;">Silcon Medical/NewAge Industries.</td>
			<td style="width:279px;">2810458</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:241px;">Outer shielding layer</td>
			<td style="width:223px;">Alfa Aesar, A Johnson Matthey</td>
			<td style="width:279px;">MFCD00003436 (11391)</td>
			<td>Gold foil, 0.004&#34; thick</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Transparency sheet</td>
			<td style="width:223px;">APOLLO</td>
			<td style="width:279px;">APOCG7060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ultrasonic bath cleaner</td>
			<td style="width:223px;">Terra Universal</td>
			<td style="width:279px;">2603-00A-220</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Isotemp standard lab oven</td>
			<td style="width:223px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:279px;">13247637G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Optical microscope</td>
			<td style="width:223px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:279px;">15-000-101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Tweezers</td>
			<td style="width:223px;">Technik</td>
			<td style="width:279px;">18049USA (2A-SA)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Surgical blade handles</td>
			<td style="width:223px;">Aspen Surgical Products</td>
			<td style="width:279px;">371031</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Base frame&#160;</td>
			<td style="width:223px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:279px;">9785K411</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Support beam</td>
			<td style="width:223px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:279px;">9524K359</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Two parts silicone</td>
			<td style="width:223px;">Nusil</td>
			<td style="width:279px;">MED 4765</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Soldering Flux</td>
			<td style="width:223px;">SRA Soldering Products</td>
			<td style="width:279px;">FLS71</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Tape</td>
			<td style="width:223px;">3M Healthcare</td>
			<td style="width:279px;">1535-0 (SKUMMM15350H)</td>
			<td>Paper, hypoallergenic surgical tape</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:241px;">Spot welding machine</td>
			<td style="width:223px;">Unitek</td>
			<td style="width:279px;">125 Power Supply with 101F Welding Head</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:241px;">Laser cutting platform</td>
			<td style="width:223px;">Universal Laser Systems</td>
			<td style="width:279px;">PLS6.150D</td>
			<td>150 watts laser</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications

Viele Versuche wurden Mehrkontakt Nervenmanschette Elektroden herzustellen, sind sicher, robust und zuverlässig für Langzeit neuroprothetischer Anwendungen. Dieses Protokoll beschreibt ein Herstellungsverfahren eines modifizierten zylindrischen Elektrode Nervenmanschette diese Kriterien zu erfüllen. Minimale Computer-Aided Design und Fertigung (CAD und CAM) Fähigkeiten sind notwendig, um konsequent Manschetten produzieren mit hoher Präzision (Kontaktplatzierung 0,51 ± 0,04 mm) und verschiedenen Manschettengrößen. Die Präzision in räumlich um die Kontakte zu verteilen und die Fähigkeit, eine vorgegebene Geometrie mit diesem Entwurf sind zwei Kriterien erreicht zu halten unerlässlich, um die Manschette die Schnittstelle zur selektiven Aufnahme und Stimulation zu optimieren. Die dargestellte Gestaltung maximiert auch die Flexibilität in der Längsrichtung, während eine ausreichende Steifigkeit in der Querrichtung Aufrechterhaltung der Nerven Umformen von Materialien mit unterschiedlichen Elastizitäten verwenden. Die Erweiterung des Querschnitts der ManschetteBereich als Ergebnis des Drucks im Inneren der Manschette Erhöhung beobachtet 25% bei 67 mm Hg sein. Dieser Test zeigt die Flexibilität der Manschette und ihre Reaktion auf Nerven Schwellung nach der Implantation. Die Stabilität der Kontakte Impedanz und Signal-zu-Rausch-Verhältnis Metriken aus einer chronisch implantierten Manschette (7,5 Monate) &quot;Schnittstelle und Aufnahmequalität wurden auch mit Kontakten untersucht&quot; und beobachtet bzw. 2,55 ± 0,25 kOhm und 5,10 ± 0,81 dB.

(- 7 kHz Bandbreite und Gesamtgewinn von 2.000 700 Hz) neurale Aktivität Aufnahme wurde mit einem angepassten Vorverstärker mit Super-β-Eingangsinstrumentenverstärker ausgeführt. Ein Beispiel für die hergestellten FINE - Elektrode mit dem vorgestellten Protokoll ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Kombination aus FINE um den Nerv Implantieren zusammen durch Vernähen der beiden freien Kanten getan. Eine Demonstration der Flexibilität der Manschette (3B) zeigt an, dass die Mansche...

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Fabrication of High Contact-Density, Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording and Stimulation Applications

Dieser Artikel enthält eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses eines hohen Kontaktdichte flache Schnittstelle Nervenelektrode (FINE). Diese Elektrode ist optimiert für die Aufzeichnung und die neuronale Aktivität selektiv innerhalb der peripheren Nerven zu stimulieren.

Die Herstellung von High-Kontakt-Dichte, Flach-Interface Nerve Elektroden für die Aufnahme und Stimulation Anwendungen

Many attempts have been made to manufacture multi-contact nerve cuff electrodes that are safe, robust and reliable for long term neuroprosthetic ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

High Sensitivity 5-hydroxymethylcytosine Detection in Balb/C Brain Tissue

Hohe Empfindlichkeit 5-Hydroxymethylcytosin Erkennung in Balb / C Gehirngewebe

DNA hydroxymethylation is a long known modification of DNA, but has recently become a focus in epigenetic research.   Mammalian DNA is enzymatically ...

Forschung

Neurowissenschaften

Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals

Chirurgische Implantation von Elektroden für die Neural Chronische Aufnahme Single Unit Activity und Electrocorticographic Signale

The success of long-term electrophysiological recordings often depends on the quality of the implantation surgery.  Here we provide useful information for ...

A Method for Systematic Electrochemical and Electrophysiological Evaluation of Neural Recording Electrodes

Eine Methode zur systematischen Elektrochemische und elektrophysiologische Bewertung der Neural Aufzeichnungselektroden

New materials and designs for neural implants are typically tested separately, with a demonstration of performance but without reference to other implant ...

A High Content Imaging Assay for Identification of Botulinum Neurotoxin Inhibitors

Ein hoher Gehalt Imaging Assay zur Identifizierung von Botulinum Neurotoxin-Inhibitoren

Synaptosomal-associated protein-25 (SNAP-25) is a component of the soluble NSF attachment protein receptor (SNARE) complex that is essential for synaptic ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Optogenetische Stimulation des Hörnervs

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Beurteilung der neuromuskulären Funktion Mit Perkutane elektrische Nervenstimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Microelectrode Guided Implantation of Electrodes into the Subthalamic Nucleus of Rats for Long-term Deep Brain Stimulation

Mikroelektroden-geführte Implantation von Elektroden in den Nucleus subthalamicus des Rats für die Langzeit-Tiefe Hirnstimulation

Deep brain stimulation (DBS) is a widely used and effective therapy for several neurologic disorders, such as idiopathic Parkinson&#8217;s disease, ...

Fabrication of Fine Electrodes on the Tip of Hypodermic Needle Using Photoresist Spray Coating and Flexible Photomask for Biomedical Applications

Herstellung von feinen Elektroden an der Spitze der Injektionsnadel mit Fotolack Spritzen und Flexible Fotomaske für biomedizinische Anwendungen

We have introduced a fabrication method for electrical impedance spectroscopy (EIS)-on-a-needle (EoN: EIS-on-a-needle) to locate target tissues in the ...

Chronic Transcranial Electrical Stimulation and Intracortical Recording in Rats

Chronische Transkraniellen Elektrostimulation und Intracortical Aufnahme bei Ratten

Transcranial electrical stimulation (TES) is a powerful and relatively simple approach to diffusely influence brain activity either randomly or in a ...

Ethanol-Induced Cervical Sympathetic Ganglion Block Applications for Promoting Canine Inferior Alveolar Nerve Regeneration Using an Artificial Nerve

Ethanol-induzierte zervikalen sympathischen Ganglion Block-Anwendungen für die Förderung der Eckzahn minderwertig alveoläre Nervenregeneration mit einer künstlichen Nerv

Polyglycolic acid collagen (PGA-C) tubes are bio-absorbable nerve tubes filled with collagen of multi-chamber structure, which consist of thin collagen ...