Fabricación de alta densidad, Contacto-Interface plana Electrodos nerviosas para aplicaciones de registro y estimulación

Resumen

Este artículo proporciona una descripción detallada sobre el proceso de fabricación de un electrodo del nervio interfaz plana de contacto alta densidad (FINA). Este electrodo está optimizado para la grabación y la estimulación de la actividad neuronal selectiva dentro de los nervios periféricos.

Resumen

Muchos intentos se han hecho para la fabricación de electrodos multicontacto del manguito de los nervios que son seguros, robustos y fiables para aplicaciones neuroprosthetic largo plazo. Este protocolo describe una técnica de fabricación de un electrodo de manguito cilíndrico nervio modificado para cumplir con estos criterios. habilidades de diseño asistido por ordenador mínimo y de fabricación (CAD y CAM) son necesarias para producir consistentemente puños con alta precisión (colocación de contactos de 0,51 ± 0,04 mm) y diferentes tamaños de manguitos. La precisión en la distribución espacialmente los contactos y la capacidad de retener una geometría predefinida logrado con este diseño son dos criterios esenciales para optimizar la interfaz del manguito para la grabación selectiva y la estimulación. El diseño presentado también maximiza la flexibilidad en la dirección longitudinal mientras se mantiene la suficiente rigidez en la dirección transversal para formar de nuevo el nervio mediante el uso de materiales con diferentes elasticidades. La expansión de la sección transversal del manguitoárea como resultado del aumento de la presión dentro del manguito se observó que 25% a los 67 mm Hg. Esta prueba demuestra la flexibilidad del manguito y su respuesta a la inflamación del nervio después del implante. La estabilidad de los contactos "calidad de interfaz y grabación también se examinaron con contactos 'impedancia y las métricas de relación de señal a ruido de un manguito crónicamente implantado (7,5 meses), y observa que es 2,55 ± 0,25 kW y 5,10 ± 0,81 dB respectivamente.

Introducción

Interfaz con el sistema nervioso periférico (PNS) proporciona acceso a las señales de comando neuronales altamente procesados ​​a medida que viajan a diferentes estructuras dentro del cuerpo. Estas señales son generadas por los axones confinados dentro de los fascículos, rodeados de células perineuro articuladas estrechamente. La magnitud de los potenciales mensurables resultantes de las actividades neuronales se ve afectada por la impedancia de las diferentes capas dentro de la nervio, como la capa de perineuro altamente resistiva que rodea los fascículos. En consecuencia, dos enfoques de interfaz se han explorado en función de la ubicación de grabación con respecto a la capa perineuro, a saber los enfoques intrafascicular y extrafascicular. enfoques intra-fasciculares colocan los electrodos dentro de los fascículos. Los ejemplos de estos enfoques son la matriz Utah ^17, el electrodo longitudinal Intra-fascicular (LIFE) ^18, y el electrodo transversal intra-fascicular multicanal (TIME) ^32. Ttécnicas stos pueden grabar selectivamente del nervio, pero no se ha demostrado para retener de manera fiable la funcionalidad durante largos períodos de tiempo in vivo, probablemente debido a el tamaño y el cumplimiento del electrodo ^12.

enfoques extra-fasciculares colocan los contactos alrededor del nervio. Los electrodos del brazalete utilizado en estos enfoques no pongan en peligro el perineuro ni el epineuro y han demostrado ser tanto un medio seguro y robusto de la grabación desde el sistema nervioso periférico ^12. Sin embargo, los enfoques extra-fascicular carecen de la capacidad para medir la actividad de una sola unidad - en comparación con los diseños intra-fascicular. Aplicaciones neuroprosthetic que utilizan electrodos del manguito nerviosas incluyen la activación de la extremidad inferior, la vejiga, el diafragma, el tratamiento del dolor crónico, el bloque de la conducción neural, retroalimentación sensorial, y la grabación de electroneurograms ^1. Las aplicaciones potenciales para utilizar la interconexión de los nervios periféricos incluir descansooring movimiento a las víctimas de parálisis con la estimulación eléctrica funcional, el registro de actividad de las neuronas motoras de nervios residuales para controlar las prótesis de miembros accionados en amputados, y la interfaz con el sistema nervioso autónomo para entregar medicamentos bio-electrónica ^20.

Una implementación del diseño del electrodo de manguito es el electrodo del nervio interfaz plana (FINA) ^21. Este diseño da nueva forma del nervio en una sección transversal plana con la circunferencia mayor en comparación con una forma redonda. Las ventajas de este diseño se incrementan el número de contactos que se pueden colocar sobre el nervio, y la proximidad de los contactos con los fascículos internos de nuevo para el registro selectivo y la estimulación. Por otra parte, los nervios de las extremidades superiores e inferiores en grandes animales y humanos pueden adoptar diversas formas y la reconfiguración generada por la multa no distorsionar la geometría natural del nervio. Los ensayos recientes han demostrado que la FINA es capaz de restaurar la sensibilidad enla extremidad superior ¹⁶ y el movimiento restauración en la extremidad inferior ²² con la estimulación eléctrica funcional en los seres humanos.

La estructura básica de un electrodo de manguito consiste en colocar varios contactos de metal sobre la superficie de un segmento de nervio, y luego aislante de estos contactos junto con el segmento del nervio dentro de un manguito no conductor. Para conseguir esta estructura básica, se han propuesto varios diseños en los estudios anteriores, incluyendo:

(1) Los contactos metálicos embebidos en una malla de dacrón. La malla se envuelve alrededor del nervio y la forma del manguito resultante sigue la geometría de los nervios ^{4, 5.}

(2) Los diseños de Split cilindros que utilizan cilindros rígidos y no conductores preformadas para fijar los contactos alrededor del nervio. El segmento de nervio que recibe este manguito se forma de nuevo en la geometría interna del manguito ^{6 - 8.}

(3) Auto-arrolla diseños en los que los contactos están encerrados entre dos capas de aislamiento. La capa interna se funde mientras se extendía con una capa anti-estirado externa. Con diferentes longitudes natural de descanso para las dos capas unidas hace que la estructura final para formar una espiral flexible que se envuelve alrededor del nervio. El material utilizado para estas capas han sido típicamente de polietileno ⁹ poliimida ^10, y caucho de silicona ^1.

(4) segmentos no aislados de los cables conductores colocados contra el nervio que sirven como los contactos de los electrodos. Estos cables se tejen, ya sea en un tubo de silicona ¹¹ o moldeados en cilindros de silicona anidados ^12. Un principio similar se utilizó para construir multas por la organización y la fusión de alambres aislados para formar una matriz, y luego una abertura a través del aislamiento está realizado por extracción de un pequeño segmento por el medio de estos cables unidos ^13. Estos diseños culoume una sección transversal del nervio redonda y se ajustan a este asume la geometría del nervio.

Electrodos (5) en base de poliamida flexible ³³ con los contactos formados por micromecanizado estructura de poliamida y, a continuación, integrando en láminas de silicona estiradas para formar puños autoenrollables. Este diseño también asume una sección transversal del nervio ronda.

Electrodos brazalete debe ser flexible y auto-calibrado con el fin de evitar el estiramiento y la compresión del nervio que puede causar daño a los nervios ^3. Algunos de los mecanismos conocidos por el cual los electrodos del manguito puede inducir estos efectos son la transmisión de fuerzas de los músculos adyacentes al manguito y por lo tanto en el nervio, falta de correspondencia entre el manguito y las propiedades mecánicas de los nervios, y la tensión indebida en las derivaciones de la banda. Estas cuestiones de seguridad llevan a determinado conjunto de restricciones de diseño en la flexibilidad mecánica, la configuración geométrica y tamaño ^1. Estos criterios son particularmente challenging en el caso de un recuento preciso de contacto alto debido a que el manguito debe ser al mismo tiempo rigidez en la dirección transversal para formar de nuevo el nervio y flexible en la dirección longitudinal para evitar daños, así como acomodar múltiples contactos. Auto-dimensionamiento diseños espirales pueden acomodar múltiples contactos abofetean el ^14, pero el manguito resultante es algo rígida. diseño flexible de poliimida puede alojar a un gran número de contactos, pero son propensos a la delaminación. La gama de diseño de alambre ¹³ produce una multa con sección transversal plana, pero con el fin de retener a esta geometría de los cables están fusionadas juntas a lo largo de la longitud del manguito de producir caras rígidas y bordes afilados que hacen entonces inadecuados para los implantes a largo plazo.

La técnica de fabricación se describe en este artículo produce una multa alta densidad de contactos con estructura flexible que puede ser hecho a mano con consistentemente alta precisión. Se utiliza un polímero rígido (poliéter éter cetona (PEEK)) para permitir que precisa placement de los contactos. El segmento de PEEK mantiene una sección transversal plana en el centro del electrodo sin dejar de ser flexible en la dirección longitudinal a lo largo del nervio. Este diseño también minimiza el espesor global y la rigidez del manguito ya que el cuerpo del electrodo no tiene que ser rígido con el fin de aplanar el nervio o asegurar los contactos.

Protocolo

1. Electrodo Componentes Preparación

1. Reúne cuatro componentes de electrodos que requieren corte de precisión (se utilizó cortado con láser, por favor refiérase a la Lista de Materiales) antes del proceso de fabricación. Estos componentes son (Figura 1):
   Contactos matriz del marco: Este marco está hecho de lámina de 125 micras de espesor poliéter éter cetona (PEEK). Se cubre todo el ancho del manguito y tiene los contactos medio y tiene bordes en forma de serpentina (Figura 1B). Los contactos medias están envueltos en los canales de guía; por lo tanto, la anchura expuesta de los contactos está limitada por la anchura de los canales y la separación se determina por la separación entre los canales.
   Los contactos medias bandas: Los contactos medias se forman envolviendo estas tiras alrededor del marco contactos array (Figura 1B). Cortar las tiras fuera de la hoja de platino / 10% de iridio a la anchura de los canales de guía y añadir una longitud extra para que puedan be completamente plegada alrededor del marco. Soldadura por puntos la ventaja de los contactos a 0º ángulo con eje mayor de la tira.
   Los contactos de referencia: Se necesitan cuatro referencias. La dimensión larga de estos contactos es ligeramente más corto que el ancho del manguito para contener plenamente dentro del manguito. La punta de soldadura cada contacto referencia a una ventaja en un ángulo de 90º con el eje principal del contacto.
   Espaciadores PEEK: Los espaciadores se utilizan para crear región más delgada en el electrodo para permitir la flexión y de cierre (figura 1C). Todos los separadores están hechos de PEEK (otro material podría utilizarse) y se cortan a la longitud del electrodo. La anchura del espacio intermedio es igual a la altura del electrodo.

2. Contactos matriz de preparación

1. Limpiar los componentes hechos en el paso 1 por tratamiento con ultrasonidos en etanol durante 2 min a 40 KHz y la temperatura ambiente, a continuación, 2 min en agua desionizada destilada bajo los mismos parámetros de sonicación. Deje secar.
2. inspeccionar visualmente elcontactos que no tienen defectos como los residuos de corte por láser o deformaciones de la superficie.
3. Coloque los contactos uno a uno bajo el microscopio con el punto de soldadura hacia arriba. Mantenga el contacto con las pinzas en aproximadamente 1/3 de la longitud de partida desde el extremo libre. Elevar la cabeza a un ángulo de 45º mientras se mantiene el contacto para hacer la primera curva.
4. Coloque el contacto pre-dobladas debajo del marco matriz con la soldadura hacia arriba. Sostenga la armadura hacia abajo con pinzas y elevar la cabeza a un ángulo de 45º para hacer una segunda curva. Mientras continúa sosteniendo el bastidor hacia abajo, agarra el extremo libre del contacto con pinzas y se doblan en un ángulo de 180º (doblar hacia la línea media del bastidor).
5. Enderezar y tire el contacto hacia el operador y luego doblar a 180º de ángulo (doblar a la línea media). El punto de soldadura por puntos ahora debe estar encerrado entre los dos extremos doblados.
6. Repita los pasos 2.3 hasta 2.5 para el resto de contactos. Hacer lo más ajustado posible. Alternar la contact lleva en cada lado de la estructura matriz.

3. Guía Manguito Disposición

1. Crear un diagrama 2D del manguito en posición abierta plana.
   NOTA: Utilice cualquier software de CAD para producir un diagrama verdadera escala. Este diagrama determinará las dimensiones del electrodo y el lugar de colocación de los diversos componentes de los electrodos.
2. Imprimir el diagrama 2D en el papel de impresión regular a escala utilizando la máquina de impresión ordinaria, y luego se corta a 5 cm por 5 cm pieza cuadrada con el dibujo situado en el centro.
3. Recorte de 5 cm por 5 cm pieza cuadrada de la hoja de transparencia térmica (T1) con un escalpelo.
4. Coloque la pieza de la transparencia T1 en la parte superior del papel de diagrama y, a continuación, colocar las dos capas en la placa base con el diagrama hacia arriba. Cinta hacia abajo a la placa de base con cinta adhesiva.

4. Electrodo Capa base y de referencia Contactos Colocación

1. Recorte de 5 cm por 5 cm de lámina de silicona con un bisturí (S1), y THes colocarlo en la capa de transparencia. Comience por dejar caer una esquina y luego baje lentamente el resto de la hoja para evitar atrapar burbujas de aire entre T1 y sábanas S1 (Figura 2A).
2. Mezclar aproximadamente 2 g de silicona sin curar como se indica en la hoja de datos del fabricante. Rigurosamente agitar las dos partes juntas con el palillo de madera agitación esterilizada. Colocar la mezcla en una cámara de vacío durante 3 min. Ciclo el vacío para eliminar las burbujas a medida que suben a la superficie. Precalentar el horno a 130 ºC Isotemp.
   Nota: Los guantes de látex pueden inhibir el proceso de curado de la silicona. Los guantes de látex también contienen azufre que pueden dejar contaminantes en las superficies de trabajo. Se recomienda el uso de guantes de nitrilo lugar.
3. Con la herramienta palillo de dientes, aplicar una fina línea de silicona sin curar lo largo de la mitad de los segmentos espaciadores en que se encuentran en el diagrama de guía.
4. Coloque los espaciadores en las regiones designadas, a continuación, presione hacia abajo contra la lámina de silicona S1.
5. Parcialmente curar la silicona en el horno Isotemp durante 30 minutos, dejar enfriar durante 10 minutos.
6. Coloque los contactos de referencia sobre las áreas designadas. Asegúrese de que los puntos de soldadura estén mirando hacia arriba y los conductores de contacto se encaminan hacia la línea media de la banda en la salida en el otro extremo. Después de asegurar un posicionamiento correcto, presione hacia abajo sobre los contactos de la capa de silicona S1. Depósito de silicona sin curar en los agujeros pasantes.
7. Tape abajo los cables y luego curar totalmente la silicona a 130 ºC durante 90 min, o durante la noche a temperatura ambiente (Figura 2B).

5. Centro de Colocación de matriz Contactos

1. Recorte 1,5 cm por 5 cm pieza transparencia con un bisturí (T2). Tape abajo de la referencia se aleja de la región media para evitar que se ejecuten por debajo de la matriz de contactos durante el paso siguiente.
2. Coloque las matrices de contacto en la ubicación dedicada con el lado de los cables hacia arriba. Depositar silicona sin curar que virar en la matrizlugar.
3. Coloque la pieza de 5,1 (T2) a través de la línea media del electrodo y sobre las matrices para mantener pulsadas las teclas, y luego con cinta adhesiva los extremos mientras presiona hacia abajo en la arrays. alinear manualmente la matriz con la posición dedicada. Pegue los cables fuera del perímetro del manguito.
4. Coloque la barra accesorio pequeño a través del centro del electrodo y sobre el segmento de la transparencia T2. Abrazadera de abajo a la placa de base con una presión moderada para presionar los contactos media contra la capa de silicona de base S1.
5. curar totalmente la silicona durante 90 minutos a 130 ° C, o durante la noche a temperatura ambiente.

6. Incorporación de los componentes del electrodo

1. Retire la barra accesorio pequeño y retire con cuidado la lámina transparente T2 para exponer las matrices de contacto medias. Retire todas las cintas que sujetan los cables de ambas referencias y contactos medias (Figura 2C).
2. Cortar un trozo cuadrado de la hoja de transparencia con un bisturí para el mismo ancho de laelectrodo y 5 cm de longitud (T3), y luego se corta una pieza cuadrada de hoja de silicona para cubrir toda la superficie del electrodo (S2).
3. Ponga la hoja de silicona (S2) en la parte superior de la pieza de la transparencia (T3) y estirarlo para eliminar cualquier onda o irregularidades y para eliminar las burbujas de aire quede atrapado en el medio.
4. Corte cuatro piezas de tubo de silicona; 5 cm de largo cada uno. Colocarlos en el sitio de salida de los cables que le sean asignadas en el diagrama de guía. Deja un espacio de 2 mm entre el borde del electrodo y los bordes de los tubos. Mientras mantiene pulsado cada par de tubos con pinzas, cinta de abajo de los tubos a partir de 1 mm de distancia del extremo del tubo. Repita para el otro par.
5. Organizar y cables de los contactos medias y las referencias en haces, y luego se pasa a través del tubo correspondiente cerca de los lugares de salida. Repita para los otros tres tubos. (Figura 2D).
6. Depósito generosa cantidad de silicona sin curar sobre todo el cuerpo del electrodo.
   NOTA: Evitar la formación de unair burbujas durante este paso por cualquiera de verter lentamente la silicona sin curar desde el recipiente de mezcla aspirada o inyectar con una jeringuilla.
7. Coloque la estructura de 6,3 en la parte superior de la silicona sin curar depositada en la lámina de silicona S2 hacia abajo. Alinear la pieza transparencia T3 con el electrodo mientras se mantiene la hoja de silicona S2 adherido a ella.
8. Pegue la pieza transparencia T3 y luego aplicar presión para canalizar las burbujas de aire atrapadas. Coloque la barra de fijación grande a través del centro del electrodo y sobre el segmento T3 transparencia. Entonces amordácela a la placa base con una presión moderada. curar totalmente la silicona durante 90 minutos a 130 ° C, o durante la noche a temperatura ambiente.

7. Blindaje capa de colocación (Recomendado para los puños de grabación)

1. Retire la barra accesorio grande y delaminate la pieza de la transparencia (T3) con unas pinzas. Coloque la hoja de protección en el centro de cada cara del electrodo y aplique una presión ligera to presionarlos en el electrodo. Depósito de silicona sin curar en los agujeros pasantes.
2. Parcialmente curar la silicona durante 30 minutos a 130 ° C, y luego dejar que se enfríe completamente a temperatura ambiente. Coloque cinta adhesiva sobre los extremos exteriores del electrodo y sobre las pestañas de cierre para evitar la adición de silicona sin curar extra para estos segmentos.
3. Repita los pasos 6.6 a 6.8.

8. Cortar el electrodo terminado

1. Pelar y cortar el exceso de silicona en la parte superior de la cinta adhesiva añadido en el paso 7.2 utilizando hoja de bisturí, a continuación, retire con cuidado la cinta adhesiva.
2. Cortar ventanas a través de la silicona para exponer los segmentos espaciadores través de la capa S2. Extraer los segmentos espaciadores integrados con pinzas. Este paso va a dejar huecos y formar una sola lámina de silicona flexible a estas regiones (originalmente S1).
3. Despegar la exceso de silicona en la parte superior de las cintas adhesivas que cubren los tubos de silicona, y luego cortar con el bisturí blade para nivelar los tubos con el cuerpo del electrodo.
4. Corte alrededor del perímetro del electrodo a la placa base.
5. Cortar un triángulo entre cada par de tubos completamente a través de la placa de base, y en el lado exterior siguiendo el diagrama de guía para dar forma a los sitios de salida de los cables. Retirar todo el material de silicona que se separa del cuerpo del electrodo durante los últimos pasos.

9. La exposición de los contactos y capas protectoras

1. Cortar las ventanas a través de la capa de silicona S2 que cubre la capa de protección. Glide filamento de sutura de polipropileno en la base entre el electrodo (capa S1) y la capa T1 transparente sobre la placa de base a la delaminación del electrodo de manguito acabado.
2. Da la vuelta al electrodo de tal forma que los contactos centrales y la capa de silicona S1 queden mirando hacia arriba, y luego exponerlos mediante la reducción de las ventanas a través de la capa de silicona S1 de base. Repetir para los contactos de referencia exteriores exponiendo 1 mm segmentos de ancho a lo largo del centro de la cONTACTOS. Asegúrese de que la estabilización de orificios pasantes en los lados de los contactos de referencia están totalmente integrado en el cuerpo del electrodo.

10. Soldadura de un conector a los cables

1. sustancia depósito de soldadura en las pistas y en las clavijas del conectador separado, y luego el calor y fundir ambas partes, junto con el soldador.
   Nota: Los cables conductores DFT consisten en la base de plata rodeada de una capa externa hecha de la Níquel-Cobalto MP35N aleación de base. El depósito de la sustancia de soldadura en estos cables requiere el uso de flujo de especialidad para permitir la adhesión al cable (por favor refiérase a la Lista de Materiales).

Resultados

Registrar la actividad neuronal se realizó con un preamplificador personalizado utilizando el amplificador super-β instrumentación de entrada (700 Hz - ancho de banda de 7 kHz y la ganancia total de 2.000). Un ejemplo del electrodo FINO fabricado con el protocolo presentado se muestra en la Figura 3. La implantación de la finas alrededor de los nervios se realiza mediante la sutura de los dos bordes libres juntos. Una demostración de la flexibilidad del manguito (Figura 3B) indica que e...

Discusión

El método de fabricación descrito en este artículo requiere movimientos diestros y finos con el fin de garantizar la calidad del manguito final. Los contactos de grabación deben ser colocados con precisión en el medio de los dos electrodos de referencia. Esta colocación se ha demostrado que reduce significativamente las interferencias de los músculos circundantes actividad eléctrica ^27. Cualquier desequilibrio en la posición relativa del contacto durante la fabricación puede degradar el rechazo de señales de ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Lámina de platino-iridio	Alfa Aesar	41802	90% platino iridio
Alambres DFT	Fort Wayne Metals	35N LT-DFT-28%Ag
Conector de plomo	Omnetics Connector Corporation	MCS-27-SS
Lámina de silicona	Especialidad Fabricante	silicona 0.005 "x 12" x 12" Lámina de silicona	de alta dureza, vulcanizada
Lámina de poliéter éter cetona (PEEK)	Hoja Peek-Optima	0.005 Malla
	Malla quirúrgica	PETKM2002
Tubo de silicona (0.04" I.D. 0.085" O.D.)	Silcon Medical/NewAge Industries.
Capa de blindaje exterior	Alfa Aesar, A Johnson Matthey	MFCD00003436 (11391)	Lámina de oro, 0,004" de espesor
Hoja de transparencia	APOLLO	APOCG7060
Limpiador de baño ultrasónico	Terra Universal	2603-00A-220
Isotemp horno de laboratorio estándar	Fisher Scientific	13247637G
Microscopio óptico	Pinzas Fisher Scientific	15-000-101
	Technik	18049USA (2A-SA)
Mangos de cuchilla quirúrgica	Productos quirúrgicos Aspen	371031
Bastidor base	McMaster-Carr	9785K411
Viga de soporte	McMaster-Carr	9524K359
Silicona de dos partes	Nusil	MED 4765
Fundente de soldadura	SRA Productos de soldadura	FLS71
Cinta	3M Healthcare	1535-0 (SKUMMM15350H)	Papel, cinta quirúrgica hipoalergénica
Máquina de soldadura por puntos	Unitek	Fuente de alimentación 125 con cabezal
Plataforma de corte por láser	Universal Laser Systems	PLS6.150D	Láser de 150 vatios