Die Herstellung von High-Kontakt-Dichte, Flach-Interface Nerve Elektroden für die Aufnahme und Stimulation Anwendungen

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, flache Cuff-Elektroden herzustellen, die in neuronalen Schnittstellenanwendungen eingesetzt werden können. Der Einsatz von flachen Cuff-Elektroden kann helfen, Probleme im Bereich der Neuroprothetik zu lösen, beispielsweise die Erfassung der Bewegungsintention eines Gliedes über die Nerven. Obwohl die Cuff-Elektroden submillimetergroße Strukturen aufweisen, können sie dennoch zuverlässig manuell hergestellt werden.

Und das Design ist flexibel. Es kann leicht an viele verschiedene Anwendungen für neuronale Schnittstellen angepasst werden. Beginnen Sie mit einer CAD-Software, um eine maßstabsgetreue Zeichnung der Elektrode zu erstellen.

Dieses Diagramm legt die Abmessungen der Elektrode und die Positionierungsstellen der verschiedenen Elektrodenkomponenten fest. Erstellen Sie auf ähnliche Weise eine zusätzliche CAD-Datei der Kontakte und Elektrodenkomponenten, damit diese mithilfe einer Laserschneidmaschine hergestellt werden können. Bereiten Sie vor, indem Sie die Mittelkontakte unter das Mikroskop legen und mit dem Leiter mittels Punktschweißgerät verbinden.

Halten Sie den Kontakt fest, um eine erste Biegung in einem Winkel von etwa 45 Grad vorzunehmen, und falten Sie ihn dann um den Kontaktträger herum. Wechseln Sie die Kontaktanschlüsse auf jeder Seite des Array-rahmens ab. Legen Sie anschließend ein Transparentpapier über das Leitdiagramm und befestigen Sie es mit Klebeband an der Grundplatte.

Schneiden Sie nun zum Start des Aufbaus ein fünf cm großes Quadrat aus einem fünf Mil starken Silikonblatt aus. Legen Sie es blasenfrei auf die Grundplatte. Bereiten Sie anschließend zwei Gramm ungehärtetes Silikon vor und entgasen Sie es drei Minuten lang in einer Vakuumkammer.

Lösen Sie das Vakuum in regelmäßigen Abständen kurzzeitig und wenden Sie es erneut an, damit eingeschlossene Luft entweichen kann. Tragen Sie nun gemäß der Anleitung einen dünnen Strich aus ungehärtetem Silikon an den Positionen der Abstandshaltersegmente auf. Befestigen Sie anschließend die vorbereiteten Abstandshalterkomponenten durch Andrücken auf den Silikonfilm in ihren vorgesehenen Bereichen.

Stellen Sie nun das Silikon für 30 Minuten in einen vorgeheizten Isotemp-Ofen bei 130 Grad Celsius und kühlen Sie es anschließend 10 Minuten lang ab. Platzieren Sie nun die Referenzkontakte an ihren vorgesehenen Positionen mit den Schweißpunkten nach oben und führen Sie die Kontaktadern zur Mittellinie der Manschette, sodass sie am gegenüberliegenden Ende austreten. Nachdem Sie die korrekte Positionierung überprüft haben, drücken Sie die Kontakte auf die Silikonschicht und geben ungehärtetes Silikon in die Durchgangslöcher ein.

Danach die Leitungen vorübergehend mit Klebeband sichern und das Silikon bei 130 Grad Celsius für 90 Minuten aushärten lassen oder über Nacht bei Raumtemperatur. Sobald die Referenzelektroden mit Silikon befestigt sind, die gleiche Technik verwenden, um die zentrale Kontaktpalette anzubringen. Wichtig ist, dass die mittleren Kontakte exakt positioniert werden, um eine qualitativ hochwertige Aufnahme zu erhalten.

Die korrekte Führung der Leitungen zu den vorgesehenen Austrittsstellen ist ebenfalls entscheidend. Schneiden Sie ein Transparenzfolienstück mit einer Größe von einem cm mal fünf cm zurecht und verwenden Sie es, um die zentralen Kontaktfelder abzudecken. Befestigen Sie es anschließend mit Klebeband an der Basisplatte.

Platzieren Sie den kleinen Haltebügel über der Mitte der Elektrode und befestigen Sie ihn an der Grundplatte, um die mittleren Kontakte während des Aushärtens des Silikons zu sichern. Nach dem Aushärten entfernen Sie den kleinen Haltebügel. Entfernen Sie anschließend das gesamte Klebeband, das die Leitungen für die Referenzen und Metallkontakte fixiert, und nehmen Sie vorsichtig das transparente Blatt ab, um die Metallkontaktreihen freizulegen.

Schneiden Sie nun ein quadratisches Stück Transparentfolie zu, das die gleiche Breite wie die Elektrode aufweist und fünf cm lang ist. Anschließend schneiden Sie ein quadratisches Stück Silikonfolie zu, das die gesamte Elektrodenoberfläche bedecken kann. Legen Sie diese Silikonfolie nun auf das Stück Transparentfolie und ziehen Sie sie glatt, um Unebenheiten zu beseitigen und zu verhindern, dass Luftblasen eingeschlossen werden.

Schneiden Sie anschließend vier Stücke Silikonschlauch, jedes fünf cm lang, zurecht und platzieren Sie sie gemäß der Abbildung an den Austrittsstellen. Lassen Sie einen zwei mm breiten Spalt zwischen der Kante der Elektrode und dem Schlauch. Während Sie jedes Schlauchpaar mit einer Pinzette festhalten, befestigen Sie die Schläuche mit Klebeband, beginnend einen mm vom Schlauchende entfernt.

Ordnen Sie nun die Leitungen der mittleren Kontakte und der Referenzen zu Bündeln. Führen Sie sie dann durch die entsprechenden Schläuche in der Nähe der Austrittsstellen. Wiederholen Sie dies für alle Schläuche.

Danach tragen Sie langsam aus einem evakuierten Mischbehälter oder einer Spritze eine reichliche Menge ungehärteten Silikons auf den gesamten Elektrodenkörper auf. Legen Sie nun die Silikon- und Transparenzstruktur auf das ungehärtete Silikon. Richten Sie das Transparenzstück mit der Elektrode aus, während Sie die Silikonschicht daran haftend halten.

Dann befestigen Sie die Transparentfolie mit Klebeband und üben Sie leichten Druck aus, um eingeschlossene Luftblasen zu entfernen. Anschließend platzieren Sie den großen Halterungsstab in der Mitte der Elektrode und über dem Abschnitt der Transparentfolie. Danach befestigen Sie ihn mit mäßigem Druck an der Grundplatte und härten das Silikon vollständig aus.

Um eine Abschirmungsschicht hinzuzufügen, entfernen Sie den großen Befestigungsstab und nehmen Sie das Transparenzteil mit einer Pinzette heraus. Anschließend platzieren Sie das Abschirmblatt in die Mitte jeder Fläche der Elektrode und drücken es vorsichtig in die Elektrode ein. Danach geben Sie etwas nicht ausgehärtetes Silikon in die Durchgangslöcher und härten es teilweise 30 Minuten bei 130 Grad Celsius aus.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur Klebeband über die äußeren Enden der Elektrode und über die Schließlaschen legen, um zu verhindern, dass Silikon in diese Bereiche gelangt. Anschließend den Vorgang des Auftragens einer Silikonschicht wiederholen, um den gesamten Elektrodenkörper zu bedecken. Danach Silikon und Transparentfolien über die Elektrode legen, mit einem großen Fixierbügel sichern und das Silikon aushärten lassen.

Nach der Aushärtung entfernen Sie zur Vervollständigung des Vorgangs das überschüssige Silikon und das Klebeband. Anschließend schneiden Sie Fenster durch das Silikon, um die Abstandshaltersegmente freizulegen, und entfernen mithilfe einer Pinzette die Abstandshaltersegmente. Danach entfernen Sie unter dem Mikroskop das Klebeband und das Silikon über den Röhren, bis es bündig mit dem Elektrodenkörper ist.

Danach vorsichtig entlang des Umfangs der Elektrode bis zur Basisplatte schneiden. Nun unter Vorsicht, die Elektrode nicht zu beschädigen, dem Führungsdiagramm folgen, um die Austrittsstellen der Leitung zu formen. Zwischen jedem Röhrenpaar ein Dreieck ausschneiden, das vollständig durch die Elektrodenschichten hindurchgeht und sich auf der Außenseite befindet.

Schneiden Sie nun Fenster in das Silizium, das die Abschirmungsschicht bedeckt. Führen Sie dann die Polypropylen-Naht zwischen die Elektrodenbasis und die angrenzende transparente Schicht ein und lösen Sie damit die fast fertige Cuff-Elektrode ab. Schneiden Sie abschließend Fenster aus dem Silizium, um die Mittelkontakte und Referenzkontakte freizulegen.

Die hergestellte FINE-Elektrode wurde verwendet, um die Aktivität des Nervus ischiadicus bei einem Hund über einen Zeitraum von 7,5 Monaten aufzuzeichnen. Ein angepasster Vorverstärker und ein Instrumentierungsverstärker mit Super-Beta-Eingang wurden eingesetzt. Die Elektrode wurde durch Zusammenheften der beiden freien Ränder um den Nerv implantiert.

Die Manschette glättet den Nerv, behält dabei aber die Flexibilität in longitudinaler Richtung bei. Die Elektrodenantwort auf steigende Druckniveaus innerhalb der Manschette wurde gemessen. Bei dem diastolischen Druckniveau von 67 mm Quecksilber wurde die Manschette auf das 1,25-fache ihrer anfänglichen Querschnittsfläche erweitert.

Diese Ausdehnung kann genutzt werden, um eine Nervenschwellung nach dem Implantationsverfahren auszugleichen. Während der chronischen Implantatdauer wurden mehrere Parameter regelmäßig gemessen. Das Signal-Rausch-Verhältnis blieb über die gesamten 7,5 Monate stabil.

Die bei 1 kHz gemessene Kontaktimpedanz blieb ebenfalls stabil. Schließlich gab es nie mehr als zwei inaktive Kontakte, die aufgrund schlechter Verbindungen über die Haut des Tieres beobachtet wurden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie ähnliche Mehrkanal-Nervenelektroden hergestellt werden, und in der Lage sein, das Design an Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen anzupassen.

Die Verwendung dieser Elektroden hat es Forschern auf dem Gebiet der Neuroprothetik ermöglicht, willkürliche Signale aus Nerven aufzuzeichnen.