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方法文章

用于记录和刺激应用的高接触密度、平面界面神经电极的制备

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DOI：

10.3791/54388

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2016年10月4日

 ,  ,  ,  , 
1Neural Engineering Center, Case Western Reserve University, 2Advanced Platform Technology Center, U.S. Department of Veterans Affairs, 3Jordan University of Science and Technology

本文内容

摘要

本文详细介绍了高接触密度平面界面神经电极（FINE）的制备过程。该电极经过优化，可选择性地记录和刺激外周神经内的神经活动。

摘要

人们已多次尝试制造用于长期神经假体应用的安全、坚固且可靠的多触点神经袖套电极。本方案描述了一种改进型圆柱形神经袖套电极的制备技术，以满足上述要求。该方法仅需最少的计算机辅助设计与制造（CAD 和 CAM）技能，即可稳定地制造出高精度（触点位置偏差为 0.51 ± 0.04 mm）且尺寸多样的袖套。本设计实现了触点在空间上的精确分布，并能保持预设的几何形状，这两项标准对于优化袖套在选择性记录与刺激中的界面性能至关重要。所提出的设计还在纵向上最大限度地提高了柔韧性，同时在横向保持足够的刚性，通过使用不同弹性模量的材料实现对神经的重塑。当袖套内部压力升高时，其横截面积的扩张程度在 67 mm Hg 压力下观测为 25%。该测试表明了袖套的柔韧性及其对植入后神经肿胀的响应能力。此外，还通过长期植入（7.5 个月）的袖套电极，采用触点阻抗和信噪比指标评估了触点界面的稳定性与记录质量，结果分别为 2.55 ± 0.25 kΩ 和 5.10 ± 0.81 dB。

引言

与外周神经系统（PNS）接口可获取在神经信号传向体内不同结构过程中已高度加工的神经指令信号。这些信号由局限于神经束内、并被紧密连接的神经束膜细胞所包围的轴突产生。神经活动所产生的可测电位幅度受到神经内部各层阻抗的影响，例如包裹神经束的高电阻神经束膜层。因此，根据记录位置相对于神经束膜层的位置，已探索出两种接口策略，即束内和束外方法。束内方法将电极置入神经束内部，此类方法的示例包括犹他阵列17，纵向束内电极（Longitudinal Intra-fascicular Electrode, LIFE）18以及横向束内多通道电极（TIME）32这些技术可选择性地记录神经信号，但尚未证明能长期稳定保持其功能。 体内，可能是由于电极的尺寸及其顺应性所致12.

束外方法将电极触点放置在神经周围。这些方法所使用的袖带电极不会破坏神经束膜或神经外膜，已被证明是一种安全且可靠的外周神经系统信号记录手段12。然而，与束内电极设计相比，束外方法无法测量单个神经元单位的活动。使用神经袖带电极的神经假体应用包括下肢激活、膀胱控制、膈肌刺激、慢性疼痛治疗、神经传导阻断、感觉反馈以及神经电信号记录1。利用外周神经接口的潜在应用还包括：通过功能性电刺激恢复瘫痪患者的运动功能、从截肢者残余神经中记录运动神经元活动以控制动力假肢，以及与自主神经系统接口以递送生物电子药物20。

套管电极的一种设计实现是扁平界面神经电极（FINE）21。该设计将神经重塑为横截面呈扁平状的结构，相较于圆形截面具有更大的周长。这种设计的优势在于能够在神经上布置更多的电极接触点，并使接触点更靠近重新排列的内部神经束，从而实现选择性记录与刺激。此外，大型动物和人类的上肢与下肢神经可呈现多种形态，而FINE所产生的重塑作用不会扭曲神经的自然几何结构。近期的试验表明，FINE能够在人体中通过功能性电刺激恢复上肢的感觉16，并恢复下肢的运动功能22。

套管电极的基本结构是在一段神经表面放置多个金属触点，然后将这些触点连同神经段一起包裹在非导电的套管内进行绝缘。为了实现这一基本结构，先前的研究已提出了多种设计方案，包括：

(1) 嵌入涤纶网中的金属电极。将该网状结构包裹在神经周围，形成的套管形状与神经的几何形态相吻合4, 5。

(2采用预成型刚性非导电圆柱体的分体式圆柱设计 以固定神经周围的接触点。接受该套管的神经节段将重塑为与套管内部几何形状相匹配的形态6-8.

(3) 自卷曲设计，其中电极接触部分被夹在两层绝缘材料之间。内层在拉伸状态下与外层未拉伸的材料熔接在一起。由于这两层粘合材料的自然静息长度不同，最终结构形成一个可灵活卷曲的螺旋，能够自行包裹神经。这些层通常采用的材料包括聚乙烯9、聚酰亚胺10和硅橡胶1。

(4) 将导线的未绝缘部分贴附于神经上作为电极接触点。这些导线可编织在硅胶管内11，或模制成嵌套式硅胶圆柱体12。类似原理也被用于构建FINE电极，即通过排列并融合绝缘导线形成阵列，随后在导线连接处的中间位置去除一小段绝缘层，从而形成暴露的电极接触点13。这些设计均假设神经具有圆形横截面，并据此假定的神经几何形状进行适配。

(5) 基于柔性聚酰亚胺的电极33 通过微加工聚酰亚胺结构形成电极触点，随后集成到拉伸的硅胶片中，形成自卷曲套管。该设计同样假设神经横截面为圆形。

为了防止拉伸或压迫神经而造成神经损伤，袖状电极应具备柔韧性和自适应尺寸调节能力3。已知的导致袖状电极产生此类效应的机制包括：邻近肌肉将力传递至电极套管，进而作用于神经；电极套管与神经在力学性能上的不匹配；以及电极引线承受过度张力。这些安全问题对电极在机械柔韧性、几何构型和尺寸方面提出了特定的设计约束1。对于高触点数的扁平神经内电极（FINE），这些设计标准尤其具有挑战性，因为电极必须同时在横向保持一定刚性以重塑神经形态，又需在纵向具备足够的柔韧性以避免损伤，并能容纳多个触点。自适应尺寸的螺旋结构设计可实现多触点袖状电极14，但所得电极结构相对较僵硬。采用柔性聚酰亚胺材料的设计虽可容纳大量触点，但容易发生分层。线阵列设计13可形成具有扁平横截面的 FINE，但为维持该几何形状，导线沿套管长度方向被熔合在一起，导致表面刚硬且边缘尖锐，因而不适合长期植入应用。

本文所述的制备技术可制造出具有高接触密度且结构柔韧的FINE电极，该电极可手工制作并始终保持高精度。该技术采用刚性聚合物（聚醚醚酮（PEEK））以实现电极接触点的精确定位。PEEK段在电极中心处保持平坦的横截面，同时在沿神经的纵向方向上仍具备柔韧性。由于电极本体无需刚性结构来压平神经或固定接触点，该设计还最大限度地减小了套管的整体厚度和刚度。

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方案

1. 电极组件的制备

  1. 准备四个需要在制造前进行精密切割（使用激光切割，请参见材料清单）的电极组件。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。它覆盖神经套管的整个宽度，用于固定中间接触电极，并具有蛇形边缘（图1B）。中间接触电极被包裹在导引通道中，因此其暴露宽度受限于通道宽度，而电极间距则由通道之间的间距决定。
    中间接触条带：中间接触电极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等宽，并预留额外长度，以便能够完全折叠包裹框架。将电极引线以0º角沿条带主轴方向进行点焊。
    参考电极：共需四个参考电极。这些电极的长边尺寸略小于神经套管的宽度，以确保其完全位于套管内部。将每个参考电极的引线以90º角沿电极主轴方向进行点焊。
    PEEK间隔片：间隔片用于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（也可使用其他材料）制成，并切割至与电极等长。中间间隔片的宽度等于电极的高度。

2. 接触阵列制备

  1. 将步骤1中制备的部件在乙醇中进行超声清洗，条件为40 kHz、室温下超声2分钟，随后在相同超声参数下于去离子蒸馏水中超声2分钟。然后使其自然干燥。
  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。用镊子夹住触点自由端起始约三分之一长度处，固定触点的同时将引线抬起至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。用镊子压住框架，将引线抬起至45º角进行第二次弯折。在持续压住框架的同时，用镊子夹住触点的自由端，将其向中间线方向弯折180º角（向框架中线折叠）。
  5. 将触点向操作者方向拉直并拉紧，然后再次弯折180º角（折叠至中线位置），使点焊部位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，尽量使弯折紧密。触点引线应交替分布在阵列框架的两侧。

3. 套管布局指南

  1. 创建套管在平展打开状态下的二维图。
    注意：使用任意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打印纸上，然后剪出一个5 cm × 5 cm的正方形纸片，图样位于正中央。
  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。
  4. 将透明膜T1放置在图纸纸片上方，然后将两层一起放在基板上，图纸面朝上。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，然后将其放置在透明层上。先放下一个角，再缓慢放下其余部分，以避免在T1和S1层之间夹入气泡（图2A）。
  2. 根据制造商说明书，混合约2 g未固化的硅胶。使用灭菌的木质搅拌棒将两部分充分搅拌均匀。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Isotemp烘箱预热至130 ºC。
    注意：乳胶手套可能抑制硅胶的固化过程。此外，乳胶手套含有硫，可能在工作表面留下污染物。建议使用腈类手套替代。
  3. 使用牙科挑针工具，在间隔片所在位置的引导图中央，沿其边缘涂布一条薄薄的未固化硅胶。
  4. 将间隔片放置在指定区域，然后将其压紧至硅胶片S1上。
  5. 在Isotemp烘箱中部分固化硅胶30分钟，随后冷却10分钟。
  6. 将参考电极接触点放置在指定区域。确保焊接点朝上，导线沿套管中线走向，并从远端引出。确认位置正确后，将接触点压至硅胶层S1上，并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，然后在按压阵列的同时用胶带固定两端。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，使用适中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. 植入电极组件

  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。移除固定参考电极和中间触点导线的所有胶带（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），然后裁剪一块硅胶片以覆盖整个电极表面（S2）。
  3. 将硅胶片（S2）放置在透明片（T3）上方，并将其拉伸以消除任何波纹或不平整，同时排除夹层中的气泡。
  4. 裁剪四段硅胶管，每段长 5 cm。根据引导图所示位置，将它们放置在导线引出位置处。电极边缘与管子边缘之间保留 2 mm 的间隙。用镊子固定每对管子的同时，从管端起 1 mm 处开始用胶带固定。对另一对管子重复此操作。
  5. 将中间触点和参考电极的导线整理成束，然后将其穿过引出位置附近的相应管子。对另外三根管子重复此步骤（图 2D）。
  6. 在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，可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被困的气泡。将大型固定杆横跨电极中心并压在透明段 T3 上，然后以适中压力将其夹紧到底板上。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（建议用于记录袖带）

  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个面的中心位置，并施加轻微压力将其压入电极中。将未固化的硅胶注入通孔中。
  2. 在 130 ºC 下对硅胶进行部分固化，持续 30 分钟，然后使其完全冷却至室温。在电极的外端以及闭合法兰上覆盖胶带，以防止向这些部位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. 通过硅胶切割出窗口，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）形成空腔，并构成柔性的单层硅胶片。
  3. 剥离覆盖在硅胶管上的胶带表面多余的硅胶，然后用手术刀片将其切割至与电极主体齐平。
  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割出三角形，并根据引导图示在外部切割以形成引线出口位置。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，然后通过在基底硅胶层 S1 上切出窗口暴露这些区域。对周围的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用通孔完全嵌入电极本体内部。

10. 将连接器焊接到引线上

  1. 分别将焊料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，外部包覆一层镍钴基合金 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于导线（请参见材料列表）。

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结果

使用定制的前置放大器记录神经活动，该放大器采用超β输入仪表放大器（带宽为700 Hz - 7 kHz，总增益为2,000）。采用本方案制备的FINE电极示例见图3。将FINE电极植入神经周围时，通过缝合其两个自由边缘实现闭合。套管柔韧性的演示结果（图3B）表明，该套管在压扁神经的同时，仍保持了沿纵轴方向的柔韧性。

除了在纵向上的袖套柔韧性外，袖套还应具备弹性，以适应神经肿胀，尤其是在植入后的早期愈合阶段。袖套内部过高的压力可能会压迫血管，导致神经内部血流受阻。因此，由于神经肿胀而在袖套内产生的压力不应超过舒张压。图4展示了组装后的袖套在不同内部压力水平下的响应情况。随着压力升高，电极向外扩张，形成更大的横截面积。在67 mm Hg时，电极扩张至其原始横截面积的1.25倍。这一现象可解释为：若袖套的横截面积至少为神经初始横截面积的1.2倍，则神经可膨胀至其初始横截面积的1.5倍，而袖套内部由此引起的压力升高仍可保持在67 mm Hg以下。因此，神经袖套电极应具备至少1.5的袖套与神经...

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讨论

本文所述的制造方法需要灵巧而精细的操作，以确保最终袖带的质量。记录电极必须精确地位于两个参考电极的正中间。研究表明，这种布置可显著减少周围肌肉电活动带来的干扰27。在制造过程中，若电极接触点的相对位置存在任何不平衡，都可能降低对袖带外部产生的共模干扰信号的抑制能力。然而，采用谨慎的操作技术后，参考电极中几乎未观察到明显的位置不平衡。

针对初次动物试验中遇到的袖带设计失效模式，已进行了多项改进。这些失效模式及相应的改进措施如下：

导联断裂：观察到参考电极的导联在焊接点处发生断裂。该故障归因于导联引出电极处的应变释放不足。通过在导联引出电极本体之前，在其内部预留一段长度，解决了这一问题。

封闭部位失效：植入后观察到袖带开口，原因是缝线割穿了硅胶材料。通过增加加固网并使用较柔软的缝线材料（如丝线）缝合袖带来解决此问题。

运动伪影：在记录袖带的初始设...

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披露

作者声明不存在任何竞争性财务利益。本稿件中列出的供应商仅用于参考。

致谢

本工作由国防高级研究计划局（DARPA）微机械技术办公室在杰克·朱迪博士和道格·韦伯博士的指导下，通过太平洋空间与海军作战系统中心资助完成，资助/合同编号为N66001-12-C-4173。我们感谢托马斯·艾格斯在制造过程中的帮助，同时感谢罗纳德·特里奥洛、马修·谢弗、李·费舍尔和马克斯·弗里伯格在复合式神经袖套设计开发中的贡献。

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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 Aesar4180290% 铂铱合金 
DFT 导线Fort Wayne Metals35N LT-DFT-28%Ag
铅连接器Omnetics Connector CorporationMCS-27-SS
硅胶片特种硅材料制造商0.005" × 12" × 12" 硅胶片高硬度，硫化 
聚醚醚酮（PEEK）片材Peek-Optima0.005 片 LT3 级
聚酯稳定网外科网片PETKM2002
硅胶管（0.04" I.D. 0.085" O.D.)Silcon Medical/NewAge Industries2810458
外屏蔽层Alfa Aesar，A Johnson MattheyMFCD00003436 (11391)金箔，0.004" 厚
透明胶片APOLLOAPOCG7060
超声波清洗机Terra Universal2603-00A-220
Isotemp 标准实验室烘箱Fisher Scientific13247637G
光学显微镜Fisher Scientific15-000-101
镊子技术18049美国（2A-SA）
手术刀刀柄Aspen Surgical Products371031
基座框架 McMaster-Carr9785K411
支撑梁McMaster-Carr9524K359
双组分硅胶NusilMED 4765
焊锡助焊剂SRA 焊接产品FLS71
胶带3M 医疗保健1535-0 (SKUMMM15350H)纸巾，低致敏性外科胶带
点焊机Unitek125 电源配 101F 焊接头
激光切割平台Universal Laser SystemsPLS6.150D150 瓦激光器

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