המצאה של צפיפות לתקשר גבוהה, אלקטרודות עצב שטוח ממשק עבור יישומי הקלטת הגירוי
4 באוקטובר 2016
מאמר זה מספק תיאור מפורט על תהליך הייצור של אלקטרודה עצב ממשק שטוח קשר בצפיפות גבוהה (FINE). אלקטרודה זה ממוטב עבור הקלטת מגרת פעילות עצבית באופן סלקטיבי בתוך עצבים היקפיים.
המטרה הכוללת של פרוטוקול זה היא לייצר אלקטרודות שרוול ממשק שטוח לשימוש ביישומי ממשק עצבי. השימוש באלקטרודות שרוול בעלות ממשק שטוח יכול לסייע בפתרון בעיות בתחום התותבות העצביות, כגון כיצד לתעד את הכוונה להזיז איבר מהעצבים. למרות שלאלקטרודות השרוול יש תכונות תת-מילימטריות, עדיין ניתן לייצר אותן בעבודת יד בצורה אמינה.
והעיצוב גמיש. ניתן להתאים אותו בקלות ליישומי ממשק עצבי רבים ושונים. התחל עם תוכנת CAD כדי לייצר דיאגרמה בקנה מידה אמיתי של האלקטרודה.
תרשים זה יקבע את מידות האלקטרודה ואת אתרי המיקום של רכיבי האלקטרודה השונים. באופן דומה, ליצור קובץ CAD נוסף של המגעים ורכיבי האלקטרודות, על מנת לייצר אותם באמצעות מכונות חיתוך לייזר. בהכנה, הניחו את המגעים המרכזיים מתחת למיקרוסקופ והצמידו אותם לעופרת באמצעות רתך נקודתי.
החזק את המגע לחוץ כדי לבצע כיפוף ראשוני בזווית של כ-45 מעלות, ולאחר מכן קפל אותו סביב מסגרת המגע. החלף את מובילי המגע בכל צד של מסגרת המערך. לאחר מכן, הניחו דף שקיפות מעל התרשים המנחה והדביקו אותו ללוחית הבסיס.
כעת, כדי להתחיל את הבנייה, גזרו חתיכה מרובעת של חמישה ס"מ מגיליון סיליקון בעובי חמישה מיל. הנח אותו על לוחית הבסיס מבלי ללכוד בועות אוויר. לאחר מכן, הכינו שני גרם של סיליקון לא נרפא ושחררו אותו בתא ואקום למשך שלוש דקות.
שחרר והחל מחדש את הוואקום מעת לעת כדי שאוויר כלוא יוכל לברוח. כעת, החל קו דק של סיליקון לא נרפא במיקומי מקטעי המרווח בהתאם למדריך. לאחר מכן, הדביקו את רכיבי המרווח המוכנים על האזורים המיועדים להם על ידי לחיצה עליהם על יריעת הסיליקון.
כעת, הכניסו את הסיליקון לתנור איזוטמפ שחומם מראש ל-130 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולאחר מכן קיררו למשך 10 דקות. כעת, מקם את מגעי הייחוס במיקומים המיועדים להם, כאשר הריתוך מצביע כלפי מעלה ומובילי המגע מנותבים לכיוון קו האמצע של השרוול כדי לצאת בקצה הרחוק. לאחר הבטחת מיקום נכון, לחץ את המגעים כלפי מטה על שכבת הסיליקון והפקיד סיליקון לא נרפא לתוך החורים.
לאחר מכן, אבטח זמנית את המוליכים בעזרת סרט, ורפא את הסיליקון ב -130 מעלות צלזיוס למשך 90 דקות, או לילה בטמפרטורת החדר. לאחר שמגעי הייחוס מאובטחים עם סיליקון, השתמש באותה טכניקה כדי לחבר את מערך המגעים המרכזי. חשוב לציין, יש למקם את אנשי הקשר המרכזיים במדויק כדי לקבל הקלטה באיכות גבוהה.
ניתוב נכון של הלידים לאתרי היציאה המיועדים הוא גם קריטי. חותכים יריעת שקיפות של ס"מ על חמישה ס"מ, ומשתמשים בה כדי לכסות את מערכי המגע המרכזיים. לאחר מכן הדביקו אותו ללוחית הבסיס.
הנח את מוט המתקן הקטן על פני מרכז האלקטרודה והדק אותו כלפי מטה אל לוחית הבסיס כדי להדק את המגעים האמצעיים במקומם בזמן שהסיליקון מתרפא. לאחר הריפוי, הסר את מוט המתקן הקטן. לאחר מכן, הסר את כל הסרט המאבטח את המוליכים עבור ההפניות ומגעי המתכת, והסר בעדינות את היריעה השקופה כדי לחשוף את מערכי המגע המתכתיים.
כעת, חותכים חתיכת שקיפות מרובעת שרוחבה זהה לאלקטרודה ואורכה חמישה ס"מ. לאחר מכן, חותכים חתיכה מרובעת של יריעת סיליקון שיכולה לכסות את כל משטח האלקטרודה. כעת, הניחו את הסיליקון הזה על פיסת השקיפות, ומתחו אותו שטוח כדי להסיר אי סדרים וכדי למנוע בועות אוויר להילכד.
לאחר מכן, חותכים ארבע חתיכות של צינורות סיליקון, כל אחת באורך חמישה ס"מ, ומניחים אותן באתרי היציאה בעקבות התרשים. השאירו מרווח של שני מ"מ בין קצה האלקטרודה לצינור. תוך כדי החזקת כל זוג צינורות בפינצטה, הדביקו את הצינורות החל ממרחק של מילימטר אחד מקצה הצינור.
כעת, סדרו את הלידים של אנשי הקשר האמצעיים ואת ההפניות לצרורות. לאחר מכן, העבירו אותם דרך הצינור המתאים ליד אתרי היציאה. עשה זאת עבור כל הצינורות.
לאחר מכן, ממיכל ערבוב שואב אבק, או מזרק, הפקידו לאט לאט כמות נדיבה של סיליקון לא נרפא על כל גוף האלקטרודה. כעת, הנח את מבנה הסיליקון והשקיפות על הסיליקון הלא מעובד. יישר את חתיכת השקיפות עם האלקטרודה תוך שמירה על יריעת הסיליקון דבוקה אליה.
לאחר מכן, הדביקו את השקיפות והפעילו לחץ קל כדי להסיר בועות אוויר כלואות. לבסוף, הנח את מוט המתקן הגדול על פני מרכז האלקטרודה ומעל קטע השקיפות. לאחר מכן מהדקים אותו ללוחית הבסיס בלחץ מתון ומרפאים לחלוטין את הסיליקון.
כדי להוסיף שכבת מיגון, הסר את מוט המתקן הגדול והסר את חתיכת השקיפות בעזרת פינצטה. לאחר מכן הנח את יריעת המיגון במרכז כל פנים של האלקטרודה, ולחץ אותה בעדינות לתוך האלקטרודה. לאחר מכן הפקידו מעט סיליקון לא נרפא לתוך החורים ורפאו אותו חלקית למשך 30 דקות בטמפרטורה של 130 מעלות צלזיוס.
לאחר שהתקרר לטמפרטורת החדר, הנח סרט דבק מעל הקצוות החיצוניים של האלקטרודה ומעל אוגני הסגירה כדי להרחיק סיליקון מהמקטעים הללו. לאחר מכן, חזור על התהליך של הוספת שכבת סיליקון כדי לכסות את כל גוף האלקטרודה. עקוב אחר זה על ידי הנחת יריעות סיליקון ושקיפות מעל האלקטרודה, ולאחר מכן אבטח אותם עם מוט מתקן גדול ורפא את הסיליקון.
לאחר הריפוי, להשלמת התהליך, הסר את עודפי הסיליקון והקלטת. לאחר מכן, חתוך חלונות דרך הסיליקון כדי לחשוף את מקטעי המרווח, והשתמש בפינצטה כדי להסיר את מקטעי המרווח. לאחר מכן, תחת מיקרוסקופ, הסר את הסרט והסיליקון מעל הצינורות עד שהוא מיושר עם גוף האלקטרודה.
לאחר מכן, חותכים בזהירות סביב היקף האלקטרודה עד ללוחית הבסיס. כעת, היזהר לא לפגוע באלקטרודה, עקוב אחר תרשים המדריך כדי לעצב את אתרי היציאה של העופרת. גזרו משולש בין כל זוג צינורות שעובר כולו דרך שכבות האלקטרודה ואל הצד החיצוני.
כעת, חותכים חלונות לתוך הסיליקון המכסה את שכבת המיגון. לאחר מכן, החלק את תפר הפוליפרופילן בין בסיס האלקטרודה לשכבה השקופה הסמוכה והשתמש בו כדי לפרק את אלקטרודת השרוול כמעט גמורה. לבסוף, גזרו חלונות מהסיליקון כדי לחשוף את אנשי הקשר המרכזיים ואנשי הקשר המתייחסים.
האלקטרודה המפוברקת FINE שימשה לתיעוד פעילות העצב הסיאטי בכלב במשך 7.5 חודשים. יושמו מגבר קדם מותאם אישית ומגבר מכשור קלט סופר-בטא. האלקטרודה הושתלה סביב העצב על ידי תפירת שני הקצוות החופשיים יחד.
השרוול משטח את העצב תוך שמירה על גמישות בכיוון האורך. נמדדה תגובת האלקטרודה לעלייה ברמות הלחץ בתוך השרוול. ברמת הלחץ הדיאסטולי של 67 מ"מ כספית, השרוול הורחב ל-1.25 שטח החתך הראשוני שלו.
ניתן להשתמש בהרחבה זו כדי לפצות על נפיחות עצבית לאחר הליך ההשתלה. מספר פרמטרים נמדדו מעת לעת במהלך משך ההשתלה הכרונית. אות לרעש נשאר יציב במשך כל 7.5 החודשים.
עכבת המגע, שנמדדה ב-1 קילו-הרץ, נותרה גם היא יציבה. לבסוף, מעולם לא היו יותר משני מגעים לא פעילים שנצפו שהתרחשו עקב קשרים גרועים על פני עור החיה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד לייצר אלקטרודות עצב רב-ערוציות דומות, ולהיות מסוגל להתאים את העיצוב כך שיעמוד בדרישות היישום הסופי שלך.
השימוש באלקטרודות אלו סלל את הדרך לחוקרים בתחום התותבות העצביות להקליט אותות רצוניים מעצבים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מספק תיאור מפורט של תהליך הייצור של אלקטרודת עצב ממשק שטוח בצפיפות מגע גבוהה (FINE). אלקטרודה זו מותאמת להקלטה וגירוי סלקטיבי של פעילות עצבית בתוך עצבים היקפיים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- נוירופרוסתטיות
- ממשקים עצביים
- עיצוב אלקטרודות
רקע
- אלקטרודות אוזן שטוחות יכולות לעזור לפתור בעיות בנוירופרוסתטיות.
- הן נועדו להקליט את הכוונה להזיז גפה מעצבים.
- לאלקטרודות אלו יש מאפיינים בגודל תת-מילימטרי.
- העיצוב גמיש וניתן להתאמה אישית ליישום שונים.
מטרת המחקר
- לייצר אלקטרודות אוזן שטוחות ליישומי ממשק עצבי.
- לשפר את ההקלטה והגירוי של פעילות עצבית.
- לספק שיטה אמינה ליצירת אלקטרודות אלו ביד.
שיטות ששימשו
- שימוש בתוכנת CAD להפקת תרשימים בקנה מידה אמיתי של האלקטרודות.
- טכניקות ייצור ביד להפקת אלקטרודות אמינות.
- התאמה אישית של עיצובים ליישומי ממשק עצבי שונים.
- אופטימיזציה של מאפייני האלקטרודה לביצועים משופרים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של אלקטרודות עצב ממשק שטוח בצפיפות מגע גבוהה.
- הוכחת יעילות האלקטרודות בהקלטה וגירוי עצבי.
- אימות תהליך הייצור ביד עבור מאפיינים בגודל תת-מילימטרי.
- גמישות בעיצוב מאפשרת יישום שונים בנוירופרוסתטיות.
מסקנות
- האלקטרודות שיוצרו מראות הבטחה לשיפור טכנולוגיית הממשק העצבי.
- ייצור ביד הוא שיטה מעשית ליצירת עיצובים מורכבים של אלקטרודות.
- מחקר נוסף יכול להרחיב את היישום של האלקטרודות האלו במדעי המוח.
שאלות נפוצות
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.
