高接触密度的制作，平面接口神经电极用于记录和刺激的应用
2016年10月4日
本文提供了一个高接触密度扁平接口神经电极（FINE）的制造过程的详细描述。该电极用于记录和外周神经中选择性刺激神经活动优化。
该协议的总体目标是制造用于神经接口应用的平面接口袖带电极。使用平接口袖带电极有助于解决神经假体领域的问题，例如如何记录将肢体从神经中移动的意图。尽管袖带电极具有亚毫米级特征，但它们仍然可以可靠地手工制作。
而且设计很灵活。它可以很容易地针对许多不同的神经接口应用程序进行定制。从 CAD 软件开始，生成电极的真实比例图。
该图将确定电极的尺寸和各种电极元件的放置位置。同样，创建触点和电极组件的附加 CAD 文件，以便使用激光切割机生产它们。准备时，将中心触点放在显微镜下，并使用点焊机将它们粘合到引线上。
按住触点以大约 45 度角进行初始弯曲，然后将其折叠到触点的框架周围。交替阵列框架两侧的触点引线。接下来，将透明片放在引导图上并将其粘在底板上。
现在，要开始构建，请从 5 mil 厚的硅片中切出一块 5 厘米见方的片。将其放在底板上，不要捕获气泡。然后，准备两克未固化的硅，并在真空室中脱气三分钟。
定期释放并重新施加真空，以便滞留的空气可以逸出。现在，根据指南在间隔段的位置应用一条细线的未固化硅。然后，通过将准备好的垫片组件压在硅片上，将它们粘附到指定区域。
现在，将硅放入预热的 130 摄氏度等温烤箱中 30 分钟，然后冷却 10 分钟。现在，将参考触点放置在指定位置，焊接点向上，触点引线朝袖带中线布线，从远端引出。确保正确定位后，将触点向下压到硅层上，并将未固化的硅放入通孔中。
接下来，用胶带暂时固定引线，并在 130 摄氏度下固化硅 90 分钟，或在室温下过夜。用硅固定参考触点后，使用相同的技术连接中心触点阵列。重要的是，必须精确放置中心触点才能获得高质量的录音。
将引线正确路由到指定的出口地点也很重要。剪下一张 1 厘米 x 5 厘米的透明片，用它来覆盖中心触点阵列。然后将其粘在底板上。
将小夹具杆放在电极中心，并将其夹在底板上，以便在硅固化时将中间触点固定到位。固化后，移除小夹具杆。然后，撕下固定参考和金属触点引线的所有胶带，轻轻撕下透明片以露出金属触点阵列。
现在，切出一块与电极宽度相同且长度为 5 cm 的方形透明块。然后，切下一块可以覆盖整个电极表面的方形硅片。现在，将这种硅片放在透明片上，并将其平放以消除任何不规则性并防止气泡被捕获。
接下来，切下四根硅管，每根长 5 厘米，并按照图示将它们放置在出口部位。在电极边缘和管子之间留出 2 mm 的间隙。用镊子按住每对试管，从距离试管末端 1 mm 处开始用胶带固定试管。
现在，将中间触点的引线和参考排列成束。然后，将它们穿过出口部位附近的相应管道。对所有试管执行此作。
接下来，从真空混合容器或注射器中，将大量未固化的硅缓慢沉积在整个电极体上。现在，将硅和透明结构放在未固化的硅上。将透明片与电极对齐，同时保持硅片粘附在其上。
然后，用胶带粘住透明度并轻轻按压以去除任何残留的气泡。最后，将大型夹具条放在电极中心和透明段上。然后用中等压力将其夹在底板上并完全固化硅。
要添加屏蔽层，请移除大夹具杆，然后用镊子去除透明件。然后将屏蔽片放在电极每个表面的中央，轻轻地将其压入电极中。然后将一些未固化的硅放入通孔中，并在 30 摄氏度下部分固化 130 分钟。
冷却至室温后，将胶带贴在电极的外端和闭合法兰上，以防止硅进入这些段。然后，重复添加一层硅以覆盖整个电极体的过程。然后将硅片和透明片放在电极上，然后用大夹具棒固定它们并固化硅。
固化后，要完成该过程，请去除多余的硅和胶带。然后，在硅上切开窗户以露出垫片段，并使用镊子去除垫片段。接下来，在显微镜下，去除管子上的胶带和硅，直到它与电极体齐平。
然后，小心地从电极的周边切开，一直到底板。现在，请注意不要损坏电极，请按照指导图塑造引线的出口位置。在每对管之间切出一个三角形，该三角形完全穿过电极层并到达外侧。
现在，在覆盖屏蔽层的硅中切割窗口。然后，在电极基座和相邻的透明层之间滑动聚丙烯缝合线，并用它来分层几乎完成的袖带电极。最后，从硅片上切下窗口，露出中心触点和参考触点。
制造的 FINE 电极用于记录狗在 7.5 个月内的坐骨神经活动。实现了定制的前置放大器和超级 beta 输入仪表放大器。通过将两个自由边缘缝合在一起，将电极植入神经周围。
袖带使神经变平，同时在纵向上保持柔韧性。测量电极对袖带内压力水平增加的响应。在 67 mm 汞柱的舒张压水平下，袖带扩大到其初始横截面积的 1.25。
这种扩张可用于补偿植入手术后的神经肿胀。在慢性植入期间定期测量几个参数。信噪比在整个 7.5 个月内保持稳定。
在 1 kHz 下测得的接触阻抗也保持稳定。最后，由于动物皮肤上的连接不良，观察到发生的非活动接触从未超过两次。观看此视频后，您应该对如何制造类似的多通道神经电极有很好的了解，并能够调整设计以满足您的最终应用要求。
这些电极的使用为神经假体领域的研究人员记录来自神经的自主信号铺平了道路。
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概述
本文提供了高接触密度平面界面神经电极（FINE）制造过程的详细描述。该电极针对选择性记录和刺激周围神经的神经活动进行了优化。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经修复
- 神经界面
- 电极设计
背景
- 平面界面袖带电极可以帮助解决神经修复中的问题。
- 它们被设计用于从神经中记录移动肢体的意图。
- 这些电极具有亚毫米特征。
- 设计灵活，可适用于各种应用。
研究目的
- 为神经界面应用制造平面界面袖带电极。
- 改善神经活动的记录和刺激。
- 提供手工创建这些电极的可靠方法。
使用的方法
- 利用CAD软件生成电极的真实比例图。
- 手工制造技术用于可靠的电极生产。
- 设计的定制化，以适应不同的神经界面应用。
- 优化电极特性以提高性能。
主要结果
- 成功制造了高接触密度平面界面神经电极。
- 展示了电极在神经记录和刺激方面的有效性。
- 验证了亚毫米特征的手工制造过程。
- 设计的灵活性允许在神经修复中的各种应用。
结论
- 制造的电极显示出改进神经界面技术的潜力。
- 手工制造是创建复杂电极设计的可行方法。
- 进一步的研究可以扩展这些电极在神经科学中的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
High contact-density, flat-interface nerve electrodes enable precise neural recording and stimulation, addressing critical challenges in neuroprosthetic device development. Their customizable geometry and robust long-term performance support translational research and early-stage device validation. This capability is pivotal for advancing selective neural interfacing and de-risking neurotechnology portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of peripheral nerve pathways for functional mapping.
- Supports mechanistic de-risking by providing selective neural signal access.
- Facilitates target validation for neuromodulation strategies.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible platform for quantitative neural signal acquisition.
- Standardizes electrode placement and contact geometry for assay consistency.
- Enables reliable evaluation of stimulation and recording protocols.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant models for chronic neural interface studies.
- Maintains stable signal-to-noise and impedance metrics over extended implantation.
- Supports continuity from device prototyping to preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This fabrication method integrates into the neurotechnology pipeline from early discovery through preclinical device validation, supporting iterative design and chronic performance assessment.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of neural circuit function via selective recording and stimulation.
- Screening: Delivers standardized, high-density electrode arrays for reproducible neural assays.
- Analytics: Provides quantitative outputs such as impedance and signal-to-noise ratio for device benchmarking.
- Translational Research: Demonstrates chronic stability in animal models, supporting translational continuity.
- Enterprise Reuse: Offers a customizable, scalable electrode platform adaptable to diverse neuroprosthetic applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural interface performance and target engagement.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization in electrode fabrication and deployment.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling chronic validation of device-tissue interfaces.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement of neurotechnology assets through robust preclinical data.
Implementation Considerations
- Requires CAD/CAM proficiency and precision manual assembly skills.
- Needs access to laser cutting, spot welding, and microscopy instrumentation.
- Demands cross-team standardization of electrode design and fabrication protocols.
- Adaptable to various nerve sizes and geometries with design modifications.
- Performance metrics such as impedance and SNR must be routinely validated in chronic studies.
