Name: fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (c-rpni) in the adult rat
Uploaded: 2020-02-25T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface C-RPNI in the Adult Rat at JoVE.com

Gli autori desiderano ringraziare Jana Moon per l'assistenza tecnica esperta. Gli studi presentati in questo documento sono stati finanziati attraverso una sovvenzione R21 (R21NS104584) a SK.

Tutti gli esperimenti sugli animali vengono eseguiti sotto l'approvazione del Comitato per l'uso e la cura degli animali dell'Università del Michigan.
NOTA: ai ratti donatori è consentito l'accesso gratuito al cibo e all'acqua prima delle procedure di donazione di pelle e muscoli. L'eutanasia viene eseguita in anestesia profonda seguita da iniezione di cloruro di potassio intra-cardiaco con un metodo secondario di pneumotorace bilaterale. Qualsiasi ceppo di ratto può teoricamente essere uti...

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	<li>Biddiss, E. A., Chau, T. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upper+limb+prosthesis+use+and+abandonment:+A+survey+of+the+last+25+years.">Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years.</a> Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).</li><li>Kung, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regenerative+peripheralnerve+interface+viability+and+signal+transduction+with+an+implanted+electrode.">Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).</li><li>Larson, J. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prototype+Sensory+Regenerative+Peripheral+Nerve+Interface+for+Artificial+Limb+Somatosensory+Feedback.">Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).</li><li>Hijjawi, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+myoelectric+prosthesis+control+accomplished+using+multiple+nerve+transfers.">Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).</li><li>Pylatiuk, C., Schulz, S., D&#246;derlein, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Results+of+an+Internet+survey+of+myoelectric+prosthetic+hand+users.">Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users.</a> Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).</li><li>Baghmanli, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+and+electrophysiologic+effects+of+poly(3,4-ethylenedioxythiophene)+on+regenerating+peripheral+nerve+fibers.">Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).</li><li>Dhillon, G. S., Horch, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+neural+sensory+feedback+and+control+of+a+prosthetic+arm.">Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).</li><li>Romo, R., Hern&#225;ndez, A., Zainos, A., Salinos, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Somatosensory+discrimination+based+on+cortical+microstimulation.">Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation.</a> Nature. 392, 387-390 (1998).</li><li>O'Doherty, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+tactile+exploration+using+a+brain-machine-brain+interface.">Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface.</a> Nature. 479, 228-231 (2011).</li><li>Stein, R. B., Walley, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+comparison+of+upper+extremity+amputees+using+myoelectric+and+conventional+prostheses.">Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses.</a> Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).</li><li>Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prosthetic+Use+in+Adult+Upper+Limb+Amputees:+A+Comparison+of+the+Body+Powered+and+Electrically+Powered+Prostheses.">Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses.</a> Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).</li><li>Zollo, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Restoring+tactile+sensations+via+neural+interfaces+for+real-time+force-and-slippage+closed-loop+control+of+bionic+hands.">Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands.</a> Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).</li><li>Tan, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+neural+interface+provides+long-term+stable+natural+touch+perception.">A neural interface provides long-term stable natural touch perception.</a> Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).</li><li>Stieglitz, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Biocompatibility+and+Stability+of+Transversal+Intrafascicular+Multichannel+Electrodes-TIME.">On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME.</a> Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).</li><li>Petrini, F. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Six-months+assessment+of+a+hand+prosthesis+with+intraneural+tactile+feedback.">Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback.</a> Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).</li><li>Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bionic+intrafascicular+interfaces+for+recording+and+stimulating+peripheral+nerve+fibers.">Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers.</a> Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).</li><li>Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacing+With+the+Peripheral+Nervous+System+to+Develop+Innovative+Neuroprostheses.">Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).</li><li>Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+measurement+of+torque+development+in+the+rat+foot:+measurement+setup+and+results+from+stimulation+of+the+sciatic+nerve+with+polyimide-based+cuff+electrodes.">Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).</li><li>Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+nerve+stimulation+thresholds+and+selectivity+using+a+multi-contact+nerve+cuff+electrode.">Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).</li><li>Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Peripheral+nerve+injury+from+implantation+of+chronic+stimulating+electrodes+for+pain+control.">Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control.</a> Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).</li><li>Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+electrical+stimulation+of+the+peroneal+nerve+for+hemiplegia.+Long-term+clinical+follow-up.">Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up.</a> Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).</li><li>Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Degeneration+and+regeneration+in+rabbit+peripheral+nerve+with+long-term+nerve+cuff+electrode+implant:+a+stereological+study+of+myelinated+and+unmyelinated+axons.">Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons.</a> Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).</li><li>Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conduction+studies+in+peripheral+cat+nerve+using+implanted+electrodes:+III.+The+effects+of+prolonged+constriction+on+the+distal+nerve+segment.">Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment.</a> Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).</li><li>Micera, S., Navarro, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bidirectional+interfaces+with+the+peripheral+nervous+system.">Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system.</a> International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).</li><li>Urbanchek, M. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscale+Electrode+Implantation+during+Nerve+Repair:+Effects+on+Nerve+Morphology,+Electromyography,+and+Recovery+of+Muscle+Contractile+Function.">Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).</li><li>Yoshida, K., Horch, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+stimulation+of+peripheral+nerve+fibers+using+dual+intrafascicular+electrodes.">Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).</li><li>Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+stimulation+of+cat+sciatic+nerve+using+an+array+of+varying+length+microelectrodes.">Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes.</a> Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).</li><li>Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Longitudinally+implanted+intrascicular+electrodes+for+stimulating+and+recording+fascicular+physioelectrical+signals+in+the+sciatic+nerve+of+rabbits.">Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits.</a> Microsurgery. 23, 268-273 (2003).</li><li>del Valle, J., Navarro, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfaces+with+the+peripheral+nerve+for+the+control+of+neuroprostheses.">Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses.</a> International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).</li><li>Stiller, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Meta-Analysis+of+Intracortical+Device+Stiffness+and+Its+Correlation+with+Histological+Outcomes.">A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes.</a> Micromachines. 9 (9), 443 (2018).</li><li>Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+"sewing+machine"+for+minimally+invasive+neural+recording.">The "sewing machine" for minimally invasive neural recording.</a> bioRxiv. , (2019).</li><li>Yang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+neuron-like+electronics.">Bioinspired neuron-like electronics.</a> Nature Materials. 18, 510-517 (2019).</li><li>Irwin, Z. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+recording+of+hand+prosthesis+control+signals+via+a+regenerative+peripheral+nerve+interface+in+a+rhesus+macaque.">Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque.</a> Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).</li><li>Kubiak, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abstract+24:+Successful+Control+of+Virtual+and+Robotic+Hands+using+Neuroprosthetic+Signals+from+Regenerative+Peripheral+Nerve+Interfaces+in+a+Human+Subject.">Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject.</a> Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).</li><li>Sando, I. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dermal-Based+Peripheral+Nerve+Interface+for+Transduction+of+Sensory+Feedback.">Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback.</a> Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).</li><li>Kubiak, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abstract+36:+Viability+and+Signal+Transduction+with+the+Composite+Regenerative+Peripheral+Nerve+Interface+(C-RPNI).">Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI).</a> Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).</li><li>Kubiak, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abstract+QS18:+Neural+Signal+Transduction+with+the+Muscle+Cuff+Regenerative+Peripheral+Nerve+Interface.">Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface.</a> Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).</li><li>Woo, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Utilizing+nonvascularized+partial+skeletal+muscle+grafts+in+peripheral+nerve+interfaces+for+prosthetic+control.">Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control.</a> Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).</li><li>Sporel-&#214;zakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+method+for+reducing+autotomy+in+rats+after+peripheral+nerve+lesions.">A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions.</a> Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).</li><li>Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strain+differences+in+autotomy+in+rats+undergoing+sciatic+nerve+transection+or+repair.">Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair.</a> Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).</li></ol>

Il C-RPNI è un nuovo costrutto che fornisce l'amplificazione simultanea dei segnali motori di un nervo bersaglio con fornitura di feedback sensoriale afferente. In particolare, il C-RPNI ha un'utilità unica per coloro che vivono con amputazioni prossimali in quanto i loro fascicoli motori e sensoriali non possono essere facilmente separati meccanicamente durante l'intervento chirurgico. Invece, il C-RPNI utilizza le proprietà di reinnervazione preferenziale intrinseche del nervo stesso per incoraggiare la reinnervazio...

Le amputazioni dell'estremità interessano quasi 1 su 190 americani1e si prevede che la loro prevalenza aumenterà da 1,6 milioni attuali a oltre 3,6 milioni entro il 20502. Nonostante l'uso documentato per oltre un millennio, la protesi ideale deve ancora essere realizzata3. Attualmente, esistono protesi complesse in grado di molteplici manipolazioni articolari con il potenziale di riprodurre molte funzioni motorie dell'estremità nativa4,5. Tuttavia, questi dispositivi non sono considerati intuitivi in quanto il movimento protesico desiderato è in genere funzionalmente separato dal segnale di controllo di ingresso. Gli utenti in genere considerano queste "protesi avanzate" difficili da imparare e quindi non adatte per l'uso quotidiano1,6. Inoltre, protesi complesse attualmente sul mercato non forniscono alcun grado apprezzabile di sottile feedback sensoriale per un controllo adeguato. Il senso del tatto e della propriocezione sono fondamentali per svolgere le attività quotidiane, e senza questi, semplici atti come raccogliere una tazza di caffè diventano gravosi in quanto si basa interamente su segnali visivi7,8,9. Per questi motivi, le protesi avanzate sono associate a un significativo grado di stanchezza mentale e sono spesso descritte come gravose e insoddisfacenti5,10,11. Per affrontare questo problema, alcuni laboratori di ricerca hanno sviluppato protesi in grado di fornire un limitato grado di feedback sensoriale tramite interazione neurale diretta12,13,14,15, ma il feedback è spesso limitato a piccole aree sparse sulle mani e sulle dita12,13, e le sensazioni sono state notate per essere dolorose e innaturali a volte15. Molti di questi studi purtroppo mancano di un notevole follow-up a lungo termine e dell'istologia dei nervi per delineare gli effetti dei tessuti locali, notando al contempo il fallimento dell'interfaccia sulla scala da settimane a mesi16.
Per questa popolazione, il dispositivo protesico ideale fornirebbe un controllo motorio ad alta fedeltà insieme a un feedback somatosensoriale significativo dall'ambiente dell'individuo per tutta la vita. Critico per la progettazione di tale protesi ideale è lo sviluppo di un'interfaccia stabile e affidabile che consentirebbe la trasmissione simultanea di informazioni somatosensoriali afferenti con segnali motori efferenti. Le attuali interfacce uomo-macchina sono quelle che interagiscono direttamente con il sistema nervoso periferico, e i recenti sviluppi nel campo delle protesi neuro-integrate hanno lavorato per colmare il divario tra segnali bioelettrici e meccanici17. Le interfacce attuali utilizzate includono: piastre nervose flessibili14,15,18, colidi anti-neuralielettrodi 13,19,20,21,22,23, elettrodi penetranti di tessuto24,25,31,32, ed elettrodi intrafascicolari26,27 ,28. Tuttavia, ognuno di questi metodi ha dimostrato limitazioni per quanto riguarda la specificità del nervo, lesione dei tessuti, la degenerazione assonale, l'esaurimento della mielina e/o la formazione di tessuto cicatriziale associati alla risposta cronica del corpo estraneo16,17,18,19. Più recentemente, è stato ipotizzato che un fattore alla base dell'eventuale insufficienza degli elettrodi impiantati sia la differenza significativa nella modulizzazione di Young tra materiale elettronico e tessuto neurale nativo. Il tessuto cerebrale è soggetto a micromozione significativa su base giornaliera, ed è stato teorizzato che lo stress da taglio indotto dalle differenze nella forma di Young provoca infiammazione ed eventuali cicatrici permanenti30,31,32. Questo effetto è spesso aggravato nelle estremità, dove i nervi periferici sono soggetti sia alla micromozione fisiologica che alla macromozione intenzionale dell'estremità. A causa di questo movimento costante, è ragionevole concludere che l'utilizzo di un'interfaccia nervosa periferica completamente abiotica non è l'ideale, e un'interfaccia con una componente biologica sarebbe più adatta.
Per rispondere a questa necessità di una componente biologica, il nostro laboratorio ha sviluppato un'interfaccia nervosa biotica definita Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) per integrare i nervi periferici transecpati in un arto residuo con un dispositivo protesico. La fabbricazione di RPNI comporta l'impiantazione chirurgica di un nervo periferico in un innesto muscolare muscolare libero autologo, che successivamente si riscolla e reinnervanti. Il nostro laboratorio ha sviluppato questa interfaccia nervosa biologica negli ultimi dieci anni, con successo nell'amplificare e trasmettere segnali motori quando combinato con elettrodi impiantati in prove sia animali che umane, consentendo un adeguato controllo protesico con molteplici gradi di libertà2,34. Inoltre, abbiamo dimostrato separatamente il feedback sensoriale attraverso l'uso di nervi periferici incorporati in innesti dermici, chiamato Dermal Sensory Interface (DSI)3,35. Nelle amputazioni più distali, l'utilizzo simultaneo di questi costrutti è fattibile in quanto i fascicoli motori e sensoriali all'interno del nervo periferico bersaglio possono essere separati chirurgicamente. Tuttavia, per amputazioni di livello più prossimale, questo non è fattibile a causa della mescolanza di fibre motorie e sensoriali. La Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) è stata sviluppata per amputazioni più prossimali, e comporta l'impiantamento di un nervo sensoriale-motorio misto in un costrutto costituito da innesto muscolare libero fissato ad un segmento di innesto dermico (Figura 1). I nervi periferici dimostrano una reinnervazione mirata preferenziale, quindi le fibre sensoriali riinnerizzeranno l'innesto dermico e le fibre motorie, l'innesto muscolare. Questo costrutto ha così la capacità di amplificare contemporaneamente i segnali motori fornendo un feedback somatosensoriale36 (Figura 2),consentendo la realizzazione della protesi ideale, intuitiva e complessa.

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		<tr>
			<td>#15 Scalpel</td>
			<td>Aspen Surgical, Inc</td>
			<td>Ref 371115</td>
			<td>Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-0 Chromic Suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>SKU# 1654G</td>
			<td>P-3 Reverse Cutting Needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-0 Chromic Suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>SKU# 687G</td>
			<td>P-3 Reverse Cutting Needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6-0 Ethilon Suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>SKU# 697G</td>
			<td>P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8-0 Monofilament Suture</td>
			<td>AROSurgical</td>
			<td>T06A08N14-13</td>
			<td>Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Experimental Rats</td>
			<td>Envigo</td>
			<td>F344-NH-sd</td>
			<td>Rats are Fischer F344 Strain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluriso (Isofluorane)</td>
			<td>VetOne</td>
			<td>13985-528-40</td>
			<td>Inhalational Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Motor High Speed Drill with Stone</td>
			<td>Master Mechanic</td>
			<td>Model 151369</td>
			<td>Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen</td>
			<td>Cryogenic Gases</td>
			<td>UN1072</td>
			<td>Standard medical grade oxygen canisters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Chloride</td>
			<td>APP Pharmaceuticals</td>
			<td>63323-965-20</td>
			<td>Injectable form, 2 mEq/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Povidone Iodine USP</td>
			<td>MediChoice</td>
			<td>65517-0009-1</td>
			<td>10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Puralube Vet Opthalmic Ointment</td>
			<td>Dechra</td>
			<td>17033-211-38</td>
			<td>Corneal protective ointment for use during procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rimadyl (Caprofen)</td>
			<td>Zoetis, Inc.</td>
			<td>NADA# 141-199</td>
			<td>Injectable form, 50 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>Model M60</td>
			<td>User can adjust magnification to their preference</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical Instruments</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>Various</td>
			<td>User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triple Antibiotic Ointment</td>
			<td>MediChoice</td>
			<td>39892-0830-2</td>
			<td>Ointment comes in sterile, disposable packets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VaporStick 3</td>
			<td>Surgivet</td>
			<td>V7015</td>
			<td>Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Webcol Alcohol Prep</td>
			<td>Coviden</td>
			<td>Ref 6818</td>
			<td>Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (c-rpni) in the adult rat

Recenti progressi nella neuroprotesi hanno permesso a coloro che vivono con perdita di estremità di riprodurre molte funzioni native all'estremità assente, e questo è spesso realizzato attraverso l'integrazione con il sistema nervoso periferico. Purtroppo, i metodi attualmente impiegati sono spesso associati a danni significativi ai tessuti che impediscono un uso prolungato. Inoltre, questi dispositivi spesso mancano di alcun grado significativo di feedback sensoriale in quanto la loro costruzione complessa smorza eventuali vibrazioni o altre sensazioni da cui un utente potrebbe aver precedentemente dipeso quando utilizza protesi più semplici. L'interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI) è stata sviluppata come costrutto biologico stabile con la capacità di amplificare i segnali nervomotori efferenti, fornendo al contempo un feedback sensoriale afferente simultaneo. Il C-RPNI è costituito da un segmento di innesto dermico e muscolare libero fissato intorno a un bersaglio nervoso sensoriale misto, con reinnervazione del nervo motorio preferenziale dell'innesto muscolare e reinnervazione del nervo sensoriale dell'innesto dermico. Nei ratti, questo costrutto ha dimostrato la generazione di potenziali di azione muscolare composti (CMAP), amplificando il segnale del nervo bersaglio dal livello di micro- mill-volt, con rapporti segnale-rumore in media circa 30-50. La stimolazione del componente dermico del costrutto genera potenziali composti di azione nervosa sensoriale (CSTR) al nervo prossimale. Come tale, questo costrutto ha promesso utilità futura verso la realizzazione della protesi ideale e intuitiva.

La fabbricazione del costrutto è considerata infruttuosa se i ratti sviluppano un'infezione o non sopravvivono all'anestesia chirurgica. Ricerche precedenti hanno indicato che questi costrutti richiedono circa tre mesi per riscolitare e reinnervare2,3,17,36. Dopo il periodo di recupero di tre mesi, è possibile eseguire il test di costruzione per esaminare la f...

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Fabrication of the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface C-RPNI in the Adult Rat

Il seguente manoscritto descrive un nuovo metodo per lo sviluppo di un sistema biologico di feedback neurale a circuito chiuso chiamato interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI). Questo costrutto ha la capacità di integrarsi con i nervi periferici per amplificare i segnali motori efferenti, fornendo allo stesso tempo un feedback sensoriale afferente.

Fabbricazione dell'interfaccia nervo periferica rigenerativa composita (C-RPNI) nel ratto adulto

Recent advances in neuroprosthetics have enabled those living with extremity loss to reproduce many functions native to the absent extremity, and this is ...

Il nostro protocollo è significativo in quanto consente l'amplificazione simultanea del segnale nervoso motorio insieme alla fornitura di una stimolazione nervosa sensorialefferente attraverso l'utilizzo di un'interfaccia nervosa periferica biologica. Questa tecnica può fornire un dispositivo protesico simile alla vita per coloro che hanno amputazioni in quanto il C-RPNI consente il controllo simultaneo del motore e il feedback sensoriale all'interno della stessa interfaccia nervosa periferica. Molti di coloro che vivono con amputazioni abbandonano i dispositivi neuroprotesi avanzati perché i dispositivi mancano di un controllo intuitivo e di un feedback sensoriale significativo.Questa tecnica fornisce entrambi e può prevenire l'abbandono del dispositivo protesico. Questa tecnica potrebbe essere applicata a individui con arti deboli o assenti o deficit sensoriali fornendo ulteriori informazioni sui sistemi di feedback che forniscono un controllo preciso e intuitivo delle estremità. Eseguire un intervento chirurgico sui nervi periferici è difficile in quanto c'è poco margine di errore.L'uso di strumenti di alta qualità e la pratica spesso sono i modi migliori per garantire il successo. Le tecniche chirurgiche sono incredibilmente difficili da trasmettere e da imparare da un formato letterario. Osservare ogni singolo passaggio coinvolto nella fabbricazione del costrutto è la chiave per padroneggiare il metodo.Per preparare un innesto cutaneo, dopo aver confermato una mancanza di risposta al dito del piedi, applicare un unguento agli occhi del ratto anestetizzato. Usando i tosaerba, radere l'intero arto posteriore inferiore, la regione della caviglia e i lati della zampa. Disinfettare l'arto posteriore selezionato nella superficie plantare della zampa con una soluzione sequenziale alcol-iodopovidone e pulizia dell'alcol.Utilizzando un trapano portatile ad alta velocità a micromotore con una pietra di lucidatura della grana fine rotonda rimovibile, sbavare la superficie plantare della zampa per rimuovere l'epidermide a una velocità di 4.000 giri al minuto applicando gocce di soluzione salina in modo da non bruciare la pelle. Il derma sottostante avrà un aspetto lucido con sanguinamento millimetro. Applicare un laccio emostatico agli arti inferiori per rallentare il flusso sanguigno e utilizzare un bisturi numero 15 per rimuovere bruscamente la pelle plantare.Posizionare la pelle in garza inumidita salina per prevenire l'essiccazione e applicare un involucro di garza sul piede sanguinante per rallentare l'emorragia. Posizionare la pelle al microscopio sezionante e utilizzare microscissori per rimuovere qualsiasi tessuto tendinoso e connettivo dallo strato profondo dell'innesto cutaneo. L'innesto dermico assottigliato dovrebbe essere leggermente opaco, contenere solo derma e misurare circa 0,5 per un centimetro di dimensione.Quindi posizionare il tessuto in un nuovo pezzo di garza inumidita salina fino a costruire la fabbricazione. Per preparare un innesto muscolare, utilizzare un bisturi numero 15 per fare un'incisione longitudinale lungo l'aspetto anteriore dell'arto posteriore inferiore da appena sopra la caviglia a appena sotto il ginocchio. Sezionare attraverso il tessuto sottocutaneo per esporre la muscolatura sottostante.All'aspetto distale dell'incisione, esporre gli inserimenti tendinosi della muscolatura dell'arto inferiore. La tibialis anteriore è tipicamente la più grande e la più anteriore dei muscoli. Appena sotto e posteriore a questo muscolo si trova l'estensore digitorum longus.Per isolare il tendine distale extensor digitorum longus dagli altri tendini della zona, inserire entrambi i denti di una forza sotto il tendine e aprire le forcep per esertare la pressione verso l'alto per causare escursioni al tendine. La manipolazione del tendine dovrebbe causare l'estensione simultanea di tutte le dita dei piedi. Usa le forbici affilate dell'iride per eseguire una tenotomia distale e usa le tenomoties per separare senza mezzi termini il muscolo dal tessuto circostante lavorando prossimalmente per trovare l'origine tendinoso.Una volta che il tendine prossimale può essere visualizzato, utilizzare le forbici dell'iride per eseguire una seconda tenotomia e posizionare l'innesto muscolare in una garza inumidita salina. Per l'isolamento e la preparazione del comune nervo peroneale, radere una coscia e disinfettare la pelle esposta con una pulizia sequenziale alcol-betadina-alcol. Posizionare il ratto anestetizzato su una pastiglia riscaldante al microscopio chirurgico e contrassegnare l'incisione da appena distale alla tacca sciatica alla porzione inferiore del ginocchio inferiore e angolata lontano dal femore.Quindi usa un bisturi numero 15 per fare un'incisione lungo il segno attraverso la fascia del bicipite femoris sottostante. Sezionare attentamente attraverso il muscolo bicipite femoris allo spazio sottostante il bicipite femoris. Dopo l'identificazione del comune nervo peroneale, utilizzare micro forcep e microscissori a punta fine per isolare attentamente il nervo peroneale comune dagli altri rami sciatici.Rimuovere distally qualsiasi tessuto connettivo persistente e nel punto in cui il nervo attraversa la superficie del ginocchio, trascritti bruscamente il nervo con un paio di microscissori. Quindi liberare con cura qualsiasi tessuto connettivo rimanente dal comune nervo peroneale e lavorare prossimamente per liberare il nervo a una lunghezza di circa due centimetri. I nervi sono delicati e piccoli errori possono causare deficit funzionali duraturi.La pratica frequente, gli strumenti chirurgici precisi e il posizionamento e il supporto ideali delle mani sono fondamentali per padroneggiare questa tecnica. Per fabbricare il costrutto C-RPNI, posizionare l'innesto muscolare sotto il microscopio sezionante e rimuovere tutto il tessuto tendinoso centrale e un piccolo segmento centrale dell'epimisio lasciando intatte le estremità tendinee. Utilizzo di un 8-0 sutura di nylon e due punti interrotti, fissare l'epineurium dell'estremità trasected del comune nervo peroneale all'area dell'innesto muscolare privo di epimisio su entrambi i lati del nervo.Fissare l'innesto muscolare al periostio femore con un singolo punto interrotto in nylon 6-0 sia prossimamente che distally con la giunzione muscolare nervosa rivolta lontano dal femore. Posizionare un 8-0 punto di nylon al margine centrale inferiore dell'epimisio dell'innesto muscolare fissarlo al comune epineurium nervoso peroneale in modo da creare lassismo nel nervo all'interno dell'innesto muscolare. Posizionare l'innesto cutaneo sull'innesto muscolare in modo che copra completamente il nervo e la maggior parte del muscolo con il margine profondo del derma appoggiato sul muscolo.Tagliare qualsiasi derma che si estende oltre il bordo del muscolo e utilizzare 8-0 suture interrotte in nylon per fissare circonferenzialmente l'innesto cutaneo all'innesto muscolare. Chiudi la fascia biceps femoris sul costrutto in modo running con sutura cromatica 5-0 e chiudi la pelle sovrascrivere con una sutura cromatica 4-0 in modo running. Quindi scambiare l'area chirurgica con un tampone alcolico e applicare un unguento antibiotico prima di consentire al ratto di riprendersi con fonti di cibo e acqua separate dai compagni di gabbia con il monitoraggio fino alla piena reclinazione.In caso di successo, l'esposizione chirurgica dei costrutti dopo tre mesi rivelerà muscoli e pelle rivascolarizzati e una delicata spremitura del comune nervo peroneico con forcep prossimali al costrutto si tradurrà in una contrazione muscolare visibile. L'analisi istologica dovrebbe dimostrare la pelle, il nervo e i muscoli vitali. L'immunosocienza rivelerà anche la re-innervazione motoria e sensoriale dei nervi rispettivamente alle loro giunzioni neuromuscolari e agli organi finali sensoriali.I test elettrofisiologici possono essere eseguiti su questi costrutti in vivo come dimostrato, ad esempio a tre e nove mesi dopo la fabbricazione di C-RPNI. Qui, vengono mostrati i potenziali di azione muscolare composti singoli e sommatori e i potenziali di azione nervosa sensoriale composta ottenuti durante i test elettrofisiologici in un formato grafico. I risultati non ottimali all'innesto muscolare sono indicati da segnali attenuati che mancano della caratteristica forma d'onda potenziale di azione muscolare composta.I risultati non ottimali a livello della componente dermica di solito comportano uno smorzamento della forma d'onda con rumore di fondo significativo. Strumenti di buona qualità sono fondamentali. Le forbici devono essere affilate e le forcep devono essere affilate per facilitare una manipolazione estremamente precisa degli innesti dermici e del nervo senza danni.Dopo la fabbricazione, questo metodo può essere utilizzato nelle indagini elettrofisiologiche per caratterizzare ulteriormente le capacità di segnalazione fornendo maggiori informazioni sui cicli di feedback efferenti efferenti. Sebbene il C-RPNI consenta un feedback sensoriale, non è chiaro se sia possibile stabilire un sistema di feedback a circuito chiuso per la propriocezione. Al momento stiamo affrontando questa domanda in laboratorio.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Fabrication of the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) in the Adult Rat

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

Fabbricazione di elettrochimica-DNA biosensori per il rilevamento Reagentless di acidi nucleici, proteine ​​e piccole molecole

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

Ricerca

Bioingegneria

Bridging the Bio-Electronic Interface with Biofabrication

Colmare il Bio-Electronic Interface con Biofabrication

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

Generazione di una tridimensionale a tutto spessore della pelle Equivalent e Automated Ferimento

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

Progettazione e Realizzazione di un&#39;unità elastomerico per soft robot modulari in Chirurgia Mini-Invasiva

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Methods for the Self-integration of Megamolecular Biopolymers on the Drying Air-LC Interface

Metodi per la Self-integrazione di Megamolecular biopolimeri sul asciugatura ad aria-LC Interfaccia

Living organisms that use water are always prone to drying in the environment. Their activities are driven by biopolymer-based micro- and ...

Fabrication of Extracellular Matrix-derived Foams and Microcarriers as Tissue-specific Cell Culture and Delivery Platforms

Fabbricazione di Schiume matrice extracellulare-derivati ​​e microcarriers come tessuto-specifica delle cellule, Cultura e piattaforme di distribuzione

Cell function is mediated by interactions with the extracellular matrix (ECM), which has complex tissue-specific composition and architecture. The focus ...

An Ultrasonic Tool for Nerve Conduction Block in Diabetic Rat Models

Blocco di uno strumento ad ultrasuoni per la conduzione del nervo in modelli di ratto diabetico

Nerve conduction block with a high intensity-focused ultrasound (HIFU) transducer has been performed in normal and diabetic animal models recently. HIFU ...

Fabrication of Decellularized Cartilage-derived Matrix Scaffolds

Fabbricazione di scaffold decellularizzati matrice della cartilagine-derivato

Osteochondral defects lack sufficient intrinsic repair capacity to regenerate functionally sound bone and cartilage tissue. To this extent, cartilage ...

A Tripeptide-Stabilized Nanoemulsion of Oleic Acid

Nanoemulsione Tripeptide-stabilizzato di acido oleico

We describe a method to produce a nanoemulsion composed of an oleic acids-Pt(II) core and a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) coating (KYF-Pt-NE). The ...

The Fabrication and Operation of a Continuous Flow, Micro-Electroporation System with Permeabilization Detection

La fabbricazione e il funzionamento di un sistema di micro-elettroporazione a flusso continuo con rilevamento di permeabilizzazione

Current therapeutic innovations, such as CAR-T cell therapy, are heavily reliant on viral-mediated gene delivery. Although efficient, this technique is ...