本手稿提供了一种用于开发生物性外周神经接口的创新方法，该接口称为肌袖再生性外周神经接口（Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface, MC-RPNI）。这种外科构建体能够放大其相关外周神经的运动传出信号，从而促进对运动意图的精确检测，并有望实现对外骨骼装置的控制。
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摘要
摘要
机器人外骨骼近年来在康复医学领域获得了广泛认可，被视为一种有望帮助肢体无力患者恢复功能的干预手段。然而，其应用目前仍主要局限于研究机构，常仅作为静态肢体支撑使用，因为现有的运动检测方法仍不够可靠。外周神经接口的出现为解决这一缺陷提供了潜在方案；但由于这些信号本身幅值较小，难以与背景噪声有效区分，从而降低了整体的运动检测准确性。目前的神经接口依赖于非生物材料，随着时间推移，材料本身可能发生降解，并伴随异物组织反应，进一步影响其检测性能。肌肉套管再生性外周神经接口（Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface, MC-RPNI）正是为克服上述问题而设计。该结构由一段游离肌肉移植物环形固定于完整的外周神经上构成，随时间推移，肌肉移植物可再生并被所包裹的神经重新支配。在大鼠模型中，该结构已被证实可通过产生复合肌肉动作电位（CMAPs），将外周神经的运动传出动作电位放大至正常水平的100倍。这种信号放大效应有助于高精度地检测运动意图，从而有望实现对外骨骼装置的可靠控制。
引言
仅在美国，约有1.3亿人受到神经肌肉和肌肉骨骼系统疾病的影响，每年造成的经济负担超过8000亿美元1,2。这类疾病通常继发于神经系统、神经肌肉接头或肌肉本身的病理改变3。尽管病因多样，但大多数疾病均表现出一定程度的肢体无力1,3。遗憾的是，由于神经和肌肉组织再生能力有限，尤其是在严重创伤情况下，这种无力通常具有永久性4,5,6。
对于肢体无力的治疗，传统算法主要集中在康复性和支持性措施上，通常依赖于利用尚存功能的肢体来代偿（如拐杖、轮椅等）7。然而，对于肢体无力不限于单一肢体的患者，这种策略存在明显不足。随着机器人技术的最新进展，已开发出先进的外骨骼装置，能够为患有肢体无力的个体恢复肢体功能8,9,
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方案
所有动物操作和实验均经密歇根大学动物照护与使用委员会（IACUC）批准。实验中最常使用3至6月龄、体重约200-300 g的雄性和雌性Fischer F344及Lewis大鼠，但理论上任何品系均可使用。若使用供体大鼠而非自体肌肉移植物，则供体大鼠必须与实验所用大鼠品系为同基因型。大鼠在术前和术后均可自由获取食物和水。在完成终点评估后，于深麻醉状态下通过心内注射氯化钾实施安乐死，随后采用双侧气胸作为辅助处死方法。
1. 大鼠的实验准备
- 在诱导室中使用含5%异氟烷的氧气溶液（流速0.8-1.0 L/min）对实验大鼠进行麻醉。当达到充分麻醉状态且通过角膜反射消失确认后，将大鼠置于循环呼吸面罩上，并将异氟烷浓度降低至1.75%-2.25%以维持麻醉。
- 使用27 G针头，在肩胛骨之间的皮下区域注射0.02-0.03 mL卡洛芬溶液（50 mg/mL）与0.2 mL无菌生理盐水的混合液，用于围手术期和术后镇痛。
- 在双眼涂抹无菌眼膏，以防止麻醉期间发生角膜溃疡。
- 使用电动剃刀剃除双侧后肢外侧部位的毛发，范围从髋关节起，经大腿，直至足背。
- 首先用酒精棉片擦拭手术区域 ，然后涂抹聚维酮碘溶液，最后用新的酒精棉片彻底清洁以去除残留的聚维酮碘溶液，完成手术部位的消毒。 重复此交替清洁过程三次，以保持无菌状态。
注意：该溶液可能....
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结果
如果大鼠在术后未能从麻醉中苏醒，或在手术后一周内发生感染，则认为MC-RPNI手术构建属于围手术期失败。既往研究表明，此类构建物经过3个月的成熟期后，可实现可靠的信号放大42,45,48,49。在此时间点或之后，可对手术构建物进行外科暴露和评估。若MC-RPNI构建成功，在原始植入部位应能清晰观察到已再血管化的肌肉组织（图2B）。成功的MC-RPNI在近端神经刺激后还会出现肌肉收缩（视频1）。有时可见明显瘢痕组织及萎缩的肌肉移植物（图2C），提示再血管化或再生失败，通常继发于移植物过大、操作不当或围手术期组织损伤。此类萎缩性移植物在近端神经刺激下可能仍存在一定程度的收缩，但产生的信号放大效果较低。总体而言，若在暴露时发现MC-RPN.......
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讨论
MC-RPNI 是一种新型结构，可放大完整外周运动神经的传出动作电位，从而精确控制外骨骼装置。具体而言，对于因严重肌肉疾病和/或肌肉缺失导致肢体无力而无法记录肌电图（EMG）信号的个体，MC-RPNI 具有特殊优势。在此类人群中，进一步削弱本已受损的肌肉功能将造成严重后果；然而，MC-RPNI 能够在不损害远端支配肌肉的前提下实现神经信号的放大52（表 1 和 表 2）。在患有肌肉源性或下运动神经元疾病的个体中，外周感觉神经通常不受疾病过程影响53。由于感觉功能得以保留，必须维持神经的连续性并避免损伤；而根据组织学（图 3）、免疫组织化学（图 4）以及肌肉功能评估（表 2）的结果，MC-RPNI 似乎整体上避免了对远端支配靶组织造成任何损害。
MC-RPNI .......
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致谢
作者感谢 Jana Moon 在实验室管理和技术协助方面的专业支持，以及 Charles Hwang 在成像技术方面的专业知识。本文的部分实验得到了整形外科基金会向 SS 提供的资助（编号 3135146.4），美国国家儿童健康与人类发育研究所向 SS 提供的资助（资助编号 1F32HD100286-01），以及美国国立卫生研究院下属国家关节炎与肌肉骨骼和皮肤病研究所的资助（资助编号 P30 AR069620）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #15 手术刀 | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | 肋背碳钢手术刀片（#15） |
| 2-N薄膜测力传感器（S100） | Strain Measurement Devices, Inc | SMD100-0002 | 用于测量附着肌肉产生的力 |
| 4-0 慢性肠线缝合线 | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 反向切割针 |
| 5-0 慢性肠线缝合线 | Ethicon | SKU# 687G | P-3 反向切割针 |
| 8-0 单丝缝合线 | AROSurgical | T06A08N14-13 | 黑色聚酰胺单丝缝合线，带螺纹锥形针 |
| 实验大鼠 | Envigo | F344-NH-sd | 大鼠为 Fischer F344 品系 |
| 精细镊子——镜面抛光 | Fine Science Tools | 11413-11 | 尖端精细、镜面抛光的镊子，适用于处理神经等精细结构 |
| Fluriso（异氟烷） | VetOne | 13985-528-40 | 吸入性麻醉剂 |
| 力测量夹具 | Red Rock | n/a | 定制设计的力测量夹具，可固定后肢以实现准确的肌肉力记录 |
| MATLAB 软件 | Mathworks, Inc | PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU | 根据被动和总力测量值，计算每条记录力曲线的主动收缩力 |
| Nicolet Viasys EMG EP 系统 | Nicolet | MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG | 便携式肌电图和神经信号记录系统，可同时进行神经和/或肌肉的双通道记录 |
| 氧气 | Cryogenic Gases | UN1072 | 标准医用级氧气罐 |
| 氯化钾 | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | 注射用，2 mEq/mL |
| 聚维酮碘 USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% 外用溶液，一瓶可用于多次手术前准备 |
| Puralube Vet 眼科软膏 | Dechra | 17033-211-38 | 术中使用的角膜保护软膏 |
| Rimadyl（卡洛芬） | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | 注射用，50 mg/mL |
| 体视显微镜 | Leica | Model M60 | 用户可根据个人偏好调节放大倍数 |
| 外科器械 | Fine Science Tools | Various | 用户可根据个人偏好或实验室现有条件选择器械 |
| 三重抗生素软膏 | MediChoice | 39892-0830-2 | 软膏以无菌一次性小包装提供 |
| Vannas 弹簧剪刀——2 mm 刃口 | Fine Science Tools | 15000-04 | 弯头显微解剖剪，用于制作神经外膜窗 |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | 麻醉塔，可容纳异氟烷和氧气罐 |
| Webcol 酒精消毒片 | Coviden | Ref 6818 | 酒精消毒擦拭片；每次消毒使用新的擦拭片 |
参考文献
- Andersson, G. S. The burden of musculoskeletal diseases in the United States : prevalence, societal, and economic cost. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , Rosemont, IL. (1942).
- Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T.
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重印与许可
