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

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....

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....

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.......

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.......

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% 铂铱合金
DFT 导线	Fort Wayne Metals	35N LT-DFT-28%Ag
铅连接器	Omnetics Connector Corporation	MCS-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-Optima	0.005 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 Industries	2810458
外屏蔽层	Alfa Aesar，A Johnson Matthey	MFCD00003436 (11391)	金箔，0.004" 厚
透明胶片	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	技术	18049美国（2A-SA）
手术刀刀柄	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	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