制作用于记录神经活动的平面界面神经电极

摘要

来源：Dweiri, Y. M.，等。用于记录和刺激应用的高接触密度、平面接口神经电极的制备。J. Vis. Exp. (2016)

本视频演示了平面神经包裹电极的制备过程。展示了屏蔽金属与精确聚合物层的集成，以形成有效的记录表面。该过程包括聚合物层的粘附、固化、修整和切割，以实现与神经的最佳接触和精确信号记录。

方案

1. 电极组件的制备

1. 收集四种在制造前需要进行精密切割的电极组件（已使用激光切割；请参见材料列表）。这些组件包括（图1）：
   接触阵列框架：该框架由厚度为125 µm的聚醚醚酮（PEEK）片材制成。它覆盖套管的整个宽度，用于固定中间接触点，并具有蛇形边缘（图1B）。中间接触点被包裹在导引通道内，因此接触点的暴露宽度受限于通道的宽度，而间距则由通道之间的间距决定。
   中间接触条带：中间接触点通过将这些条带缠绕在接触阵列框架上形成（图1B）。将条带从铂/10%铱合金片材上切割成与导引通道相同的宽度，并额外留出长度，以便能够完全折叠包裹框架。将接触点的引线以0º角与条带的主轴方向进行点焊连接。
   参考接触点：共需要四个参考接触点。这些接触点的长边尺寸略小于套管宽度，以确保其完全容纳在套管内部。将每个参考接触点的引线以90º角与其主轴方向进行点焊连接。
   PEEK间隔片：间隔片在电极上形成较薄区域，以便实现弯曲和闭合（图1C）。所有间隔片均由PEEK材料制成（也可使用其他材料），并切割至与电极相同的长度。中间间隔片的宽度等于电极的高度。

2. 电极阵列制备

1. 将步骤1中制备的部件在乙醇中进行超声清洗，40 kHz条件下室温处理2分钟，随后在相同超声参数下用去离子蒸馏水清洗2分钟，然后自然晾干。
2. 目视检查各触点是否存在激光切割残留物或表面形变等缺陷。
3. 在显微镜下逐个放置触点，使焊接点朝上。从自由端开始，用镊子夹住触点长度约1/3处，保持触点不动，将引线抬起至45º角，完成第一次弯折。
4. 将预弯好的触点置于阵列框架下方，焊接面朝上。用镊子固定框架，将引线抬起至45º角进行第二次弯折。在持续压紧框架的同时，用镊子夹住触点的自由端，向180º角弯折（向框架中线折叠）。
5. 将触点拉直并向操作者方向拉紧，然后再次以180º角弯折（折向中线），使点焊位置被两个弯折端紧密包夹。
6. 对剩余触点重复步骤2.3至2.5，尽可能使结构紧凑。阵列框架两侧的触点引线应交替布置。

3. 袖带布局指南

1. 绘制套管在平展打开状态下的二维图。
   注意： 使用任意计算机辅助设计（CAD）软件绘制真实比例的图样。该图样将用于确定电极的尺寸以及各个电极组件的放置位置。
2. 使用普通打印机按比例将二维图打印在普通纸上，然后剪出一个5 cm × 5 cm的正方形纸片，使图样位于其中心。
3. 使用手术刀从热转印透明膜（T1）上裁剪出一块5 cm × 5 cm的正方形片材。
4. 将透明膜T1放置在图纸纸张的上方，然后将两层一起放在基板上，使图纸朝上。用胶带将它们固定在基板上。

4. 电极基底层与参比电极接触点的放置

1. 使用手术刀（S1）裁剪一块5 cm × 5 cm的硅胶片，并将其放置在透明层上。先放下一个角，然后缓慢放下其余部分，以避免在T1和S1层之间夹入气泡（图2A）。
2. 按照制造商数据表的说明，混合约2 g未固化的硅胶。使用无菌的木质搅拌棒将两部分彻底搅拌均匀。将混合物放入真空室中处理3分钟，循环抽真空以去除上升至表面的气泡。将恒温烘箱预热至130 ºC。
   注意：乳胶手套可能抑制硅胶的固化过程，且其中含有的硫元素可能在工作表面留下污染物。建议使用腈类手套。
3. 使用牙科挑针工具，在导引图所示的垫片段中间位置涂布一条薄薄的未固化硅胶。
4. 将垫片放置在指定区域，然后将其压紧至硅胶片S1上。
5. 在恒温烘箱中部分固化硅胶30分钟，随后冷却10分钟。
6. 将参考电极放置在指定区域。确保焊接点朝上，导线朝向套管中线方向，并从远端引出。确认位置正确后，将电极压至硅胶层S1上。将未固化的硅胶注入通孔中。
7. 用胶带固定导线，然后在130 ºC下完全固化硅胶90分钟，或在室温下过夜固化（图2B）。

5. 中心接触点阵列的放置

1. 使用手术刀裁剪一块 1.5 cm × 5 cm 的透明片（T2）。将参考导线用胶带固定在远离中间区域的位置，以防止在下一步操作中导线位于触点阵列下方。
2. 将触点阵列放置在指定位置，导线侧朝上。滴加未固化的硅胶以初步固定阵列。
3. 将步骤 5.1 中的透明片（T2）横跨电极中线并覆盖在阵列上方，以压紧阵列。在按压阵列的同时，用胶带固定透明片两端。手动将阵列与指定位置对齐，并将导线沿套管边缘外侧用胶带固定。
4. 将小型夹具条横跨电极中心并压在透明片段 T2 上。用中等压力将其夹紧至基板上，使中间触点紧贴底层硅胶层 S1。
5. 在 130 ºC 下完全固化硅胶 90 分钟，或在室温下过夜固化。

6. 电极组件的嵌入

1. 取下小型固定杆，轻轻移除透明片 T2，以暴露中间的触点阵列。移除所有固定参考电极和中间触点导线的胶带（图 2C）。
2. 使用手术刀，将透明片切割成与电极宽度相同、长度为 5 cm 的方形片（T3），然后将硅胶片切割成可覆盖整个电极表面的方形片（S2）。
3. 将硅胶片（S2）放置在透明片（T3）上方，拉伸以消除任何波纹或不平整，并排除夹层中的气泡。
4. 截取四段硅胶管，每段长 5 cm。根据引导图所示，将它们放置在导线引出位置处。电极边缘与管端之间保留 2 mm 的间隙。用镊子固定每对硅胶管，从管端起 1 mm 处开始用胶带固定。对另一对重复相同操作。
5. 将中间触点和参考电极的导线整理成束，并将其穿过靠近引出位置的相应硅胶管。对另外三根硅胶管重复此步骤（图 2D）。
6. 在整个电极本体上均匀涂布足量未固化的硅胶。
   注意：为避免产生气泡，应从真空混合容器中缓慢倾倒未固化硅胶，或使用注射器注入。
7. 将步骤 6.3 中的结构放置在已涂布的未固化硅胶上，使硅胶片 S2 朝下。在保持硅胶片 S2 与透明片 T3 粘附的同时，将透明片 T3 与电极对齐。
8. 用胶带固定透明片 T3，然后施加压力以排出任何滞留的气泡。将大型固定杆横跨电极中心并压在透明段 T3 上，随后以适中压力将其夹紧至基板。在 130 ºC 下完全固化 90 分钟，或在室温下过夜固化。

7. 屏蔽层放置（建议用于记录袖状电极）

1. 拆除大型固定杆，并用镊子将透明件（T3）剥离。将屏蔽片置于电极每一面的中央，并施加轻微压力使其压入电极中。将未固化的硅胶注入通孔中。
2. 在 130 ºC 下部分固化硅胶 30 分钟，然后使其完全冷却至室温。在电极的外端和闭合法兰上覆盖胶带，以防止向这些部分添加额外的未固化硅胶。
3. 重复步骤 6.6 至 6.8。

8. 切割出制备完成的电极

1. 使用手术刀片剥离并切除第7.2步中添加在胶带上方多余的硅胶，然后小心移除胶带。
2. 通过硅胶切出窗口，暴露S2层中的隔片段。用镊子取出嵌入的隔片段。此步骤将在这些区域（原为S1）留下空腔，并形成一块柔性的单层硅胶片。
3. 剥离覆盖在硅胶管上的胶带顶部多余的硅胶，然后用手术刀片将其切割，使管子与电极主体表面齐平。
4. 沿电极边缘向下切割至基板。
5. 在每对管之间完全穿透基板切出一个三角形。在外侧，依照引导图示塑造引线出口位置。清除在前述步骤中从电极主体上分离的所有硅胶材料。

9. 暴露接触点和屏蔽层

1. 在覆盖屏蔽层的硅胶层 S2 上切出窗口。将聚丙烯缝合丝线插入电极基底层（S1 层）与基板上的透明层 T1 之间，以分离制备完成的套管电极。
2. 翻转电极，使中心触点和硅胶层 S1 朝上，然后通过切开基底硅胶层 S1 暴露这些触点。对外围参考触点重复此操作，沿触点中心暴露宽度为 1 mm 的区段。确保参考触点侧面的稳定通孔完全嵌入电极本体内部。

10. 将连接器焊接到导线上

1. 将焊料分别涂覆在引线和连接器引脚上，然后使用电烙铁加热并熔合两部分。
   注意：DFT 引线由银芯构成，外层包覆镍钴基合金 MP35N。在这些导线上涂覆焊料时，需使用专用助焊剂以确保焊料能够附着（请参见材料清单）。

结果

图1：FINE及其组件概览。 A) 处于打开状态的FINE及其四个需要精密切割的主要构成部件：触点阵列框架（I）、中间触点条（II）、参考触点（III）、PEEK间隔片（IV）。袖套相对于触点与神经接触的位置朝下放置。组装完成后，间隔片（IV）将被移除。B) 中心触点的放大视图，以及将其围绕中间框架折叠并固定的步骤。C) 电极的折叠后构型。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铂铱箔	Alfa Aesar	41802	90%铂铱
DFT导线	Fort Wayne Metals	35N LT-DFT-28%Ag
导联连接器	Omnetics Connector Corporation	MCS-27-SS
硅胶片	Speciality Silicon Fabricator	0.005"x12"x12" 硅胶片	高硬度，硫化处理
聚醚醚酮（PEEK）片	Peek-Optima	0.005片 LT3级
聚酯稳定网	Surgicalmesh	PETKM2002
硅胶管（0.04" 内径，0.085" 外径）	Silcon Medical/NewAge Industries.	2810458
外层屏蔽层	Alfa Aesar, A Johnson Matthey	MFCD00003436 (11391)	金箔，厚度0.004"
透明片材	APOLLO	APOCG7060
超声波清洗机	Terra Universal	2603-00A-220
Isotemp标准实验室烘箱	Fisher Scientific	13247637G
光学显微镜	Fisher Scientific	15-000-101
镊子	Technik	18049USA (2A-SA)
手术刀柄	Aspen Surgical Products	371031
基座框架	McMaster-Carr	9785K411
支撑梁	McMaster-Carr	9524K359
双组分硅胶	Nusil	MED 4765
焊剂	SRA Soldering Products	FLS71
胶带	3M Healthcare	1535-0 (SKUMMM15350H)	纸质，低致敏性外科胶带
点焊机	Unitek	125电源配101F焊接头
激光切割平台	Universal Laser Systems	PLS6.150D	150瓦激光器