Fabbricazione di High Contact-Density, Flat-Interface Elettrodi nervose per la registrazione e la stimolazione Applicazioni
4 ottobre 2016
Questo articolo fornisce una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione di una interfaccia piana del nervo elettrodo ad alta contatto densità (FINE). Questo elettrodo è ottimizzato per la registrazione e stimolare l'attività neuronale selettivamente all'interno di nervi periferici.
L'obiettivo generale di questo protocollo è la fabbricazione di elettrodi a manicotto con interfaccia piana da utilizzare in applicazioni di interfaccia neurale. L'uso di elettrodi a manicotto con interfaccia piana può contribuire a risolvere problemi nel campo della neuroprotesi, ad esempio come registrare l'intenzione di muovere un arto dai nervi. Anche se gli elettrodi a manicotto presentano caratteristiche submillimetriche, possono comunque essere realizzati manualmente in modo affidabile.
E il design è flessibile. Può essere facilmente personalizzato per molteplici applicazioni di interfaccia neurale. Iniziare con un software CAD per produrre un diagramma in scala reale dell'elettrodo.
Questo diagramma determinerà le dimensioni dell'elettrodo e la posizione dei vari componenti dell'elettrodo. Analogamente, creare un file CAD aggiuntivo per i contatti e i componenti dell'elettrodo, in modo che possano essere prodotti mediante macchinari per il taglio al laser. In preparazione, posizionare i contatti centrali sotto il microscopio e unirli al terminale utilizzando un saldatore a punti.
Tenere premuto il contatto per creare una piega iniziale con un angolo di circa 45 gradi, quindi piegarlo attorno alla struttura del contatto. Alternare i terminali del contatto su ciascun lato della struttura dell'array. Successivamente, posizionare un foglio trasparente sopra il diagramma guida e fissarlo con del nastro alla piastra di base.
Ora, per iniziare l'assemblaggio, ritagliare un quadrato di cinque cm da un foglio di silicio spesso cinque mil. Posizionarlo sulla piastra di base senza intrappolare bolle d'aria. Successivamente, preparare due grammi di silicio non indurito e sottoporli a degasaggio in una camera a vuoto per tre minuti.
Rilasciare e riapplicare periodicamente il vuoto in modo che l'aria intrappolata possa fuoriuscire. Applicare ora una sottile linea di silicone non indurito nei punti corrispondenti ai segmenti distanziatori seguendo la guida. Quindi, fissare i componenti distanziatori preparati nelle rispettive posizioni premendoli sulla lamina di silicone.
Ora, posizionare il silicone in un forno isotemp pre-riscaldato a 130 gradi Celsius per 30 minuti, seguiti da un raffreddamento di 10 minuti. Successivamente, posizionare i contatti di riferimento nelle loro posizioni designate, con i punti di saldatura rivolti verso l'alto e i conduttori dei contatti diretti verso la linea mediana della cuffia, in modo da uscire all'estremità opposta. Dopo aver verificato il corretto posizionamento, premere i contatti contro lo strato di silicone e depositare del silicone non polimerizzato nei fori passanti.
Successivamente, fissare temporaneamente i cavi con del nastro adesivo e polimerizzare il silicone a 130 gradi Celsius per 90 minuti, oppure lasciarlo indurire tutta la notte a temperatura ambiente. Una volta fissati i contatti di riferimento con il silicone, utilizzare la stessa tecnica per attaccare la matrice dei contatti centrali. È fondamentale posizionare con precisione i contatti centrali per ottenere una registrazione di alta qualità.
Il corretto posizionamento dei cavi verso i siti di uscita designati è altrettanto fondamentale. Ritagliare un foglio trasparente di dimensioni 1 cm per 5 cm ed utilizzarlo per coprire gli array di contatto centrali. Successivamente, fissarlo con del nastro alla piastra di base.
Posizionare la piccola barra di fissaggio al centro dell'elettrodo e fissarla alla basetta per mantenere saldamente i contatti centrali durante la polimerizzazione del silicone. Una volta completata la polimerizzazione, rimuovere la piccola barra di fissaggio. Successivamente, rimuovere tutto il nastro che fissa i cavi di riferimento e i contatti metallici, quindi rimuovere con delicatezza il foglio trasparente per esporre gli array di contatti metallici.
Ora, ritagliare un pezzo quadrato di trasparenza delle stesse dimensioni dell'elettrodo e lungo cinque cm. Successivamente, ritagliare un pezzo quadrato di foglio di silicone che possa coprire l'intera superficie dell'elettrodo. Posizionare quindi il silicone sul pezzo di trasparenza e stenderlo uniformemente per eliminare eventuali irregolarità e impedire la formazione di bolle d'aria.
Successivamente, tagliare quattro pezzi di tubo in silicone, ciascuno lungo cinque cm, e posizionarli nei punti di uscita seguendo lo schema. Lasciare un'intercapedine di due mm tra il bordo dell'elettrodo e il tubo. Tenendo premuta ciascuna coppia di tubi con le pinzette, fissare i tubi con del nastro, iniziando da un punto distante un mm dall'estremità del tubo.
Ora, disporre i conduttori dei contatti intermedi e dei riferimenti in fasci. Quindi, farli passare attraverso il tubo corrispondente vicino ai siti di uscita. Eseguire questa operazione per tutti i tubi.
Successivamente, da un contenitore di miscelazione sotto vuoto o da una siringa, depositare lentamente una quantità abbondante di silicone non indurito su tutta la superficie del corpo dell'elettrodo. Posizionare ora la struttura in silicone e trasparenza sul silicone non indurito. Allineare il pezzo trasparente con l'elettrodo mantenendo il foglio di silicone aderente ad esso.
Quindi, fissare la pellicola trasparente con del nastro e applicare una leggera pressione per rimuovere eventuali bolle d'aria intrappolate. Infine, posizionare la barra di supporto grande al centro dell'elettrodo e sopra il segmento della pellicola trasparente. Quindi bloccarla alla piastra di base con una pressione moderata e polimerizzare completamente il silicone.
Per aggiungere uno strato schermante, rimuovere la barra di supporto grande e togliere il pezzo trasparente con una pinzetta. Quindi posizionare il foglio schermante al centro di ogni faccia dell'elettrodo e premere delicatamente affinché aderisca all'elettrodo. Successivamente, depositare del silicone non polimerizzato nei fori passanti e polimerizzarlo parzialmente per 30 minuti a 130 gradi Celsius.
Dopo aver raffreddato a temperatura ambiente, applicare del nastro adesivo sulle estremità esterne dell'elettrodo e sulle flange di chiusura per impedire che il silicone penetri in questi segmenti. Successivamente, ripetere il processo di aggiunta di uno strato di silicone per ricoprire l'intero corpo dell'elettrodo. Procedere quindi applicando fogli di silicone e trasparenza sull'elettrodo, fissarli con una barra di supporto di grandi dimensioni e polimerizzare il silicone.
Dopo la polimerizzazione, per completare il processo, rimuovere l'eccesso di silicone e il nastro. Quindi, praticare delle finestre attraverso il silicone per esporre i segmenti distanziatori ed utilizzare una pinzetta per rimuovere tali segmenti. Successivamente, al microscopio, rimuovere il nastro e il silicone presente sui tubi fino a quando non risulti allineato con il corpo dell'elettrodo.
Quindi, tagliare con attenzione lungo il perimetro dell'elettrodo fino alla piastra di base. Ora, facendo attenzione a non danneggiare l'elettrodo, seguire lo schema guida per modellare i punti di uscita dei conduttori. Ritagliare un triangolo tra ogni coppia di tubi, attraversando completamente i livelli dell'elettrodo e arrivando al lato esterno.
Ora, praticare delle finestre nel silicone che ricopre lo strato schermante. Quindi, far scorrere il filo di polipropilene tra la base dell'elettrodo e lo strato trasparente adiacente e utilizzarlo per delaminare l'elettrodo a manicotto quasi completato. Infine, rimuovere delle finestre di silicone per esporre i contatti centrali e i contatti di riferimento.
L'elettrodo FINE realizzato è stato utilizzato per registrare l'attività del nervo sciatico in un cane per un periodo di 7,5 mesi. Sono stati utilizzati un preamplificatore personalizzato e un amplificatore di strumentazione con ingresso super-beta. L'elettrodo è stato impiantato attorno al nervo suturando insieme i due margini liberi.
La cuffia appiattisce il nervo mantenendo al contempo la flessibilità nella direzione longitudinale. È stata misurata la risposta dell'elettrodo all'aumentare della pressione all'interno della cuffia. Al livello di pressione diastolica di 67 mm di mercurio, la cuffia si è espansa fino a raggiungere 1,25 volte la sua area iniziale di sezione trasversale.
Questa espansione può essere utilizzata per compensare il gonfiore del nervo dopo la procedura di impianto. Diversi parametri sono stati misurati periodicamente durante la durata dell'impianto cronico. Il rapporto segnale-rumore è rimasto stabile per tutta la durata di 7,5 mesi.
L'impedenza di contatto, misurata a 1 kHz, è rimasta stabile anche alla fine. Infine, non ci sono mai stati più di due contatti inattivi, il cui verificarsi è stato osservato a causa di cattivi collegamenti attraverso la pelle dell'animale. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come realizzare elettrodi nervosi multicanale simili e si dovrebbe essere in grado di modificare il progetto per soddisfare i requisiti della propria applicazione finale.
L'uso di questi elettrodi ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della neuroprotesi per registrare segnali volontari dai nervi.
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Panoramica
Questo articolo fornisce una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione di un elettrodo nervoso planare ad alta densità di contatti (FINE). Questo elettrodo è ottimizzato per registrare e stimolare selettivamente l'attività neurale all'interno dei nervi periferici.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroprotesi
- Interfacce neurali
- Progettazione di elettrodi
Sfondo
- Le elettrodi a manicotto con interfaccia piatta possono contribuire a risolvere problemi nel campo delle neuroprotesi.
- Sono progettati per registrare l'intento di muovere un arto attraverso i nervi.
- Questi elettrodi presentano caratteristiche sub-millimetriche.
- La progettazione è flessibile e personalizzabile per diverse applicazioni.
Scopo dello studio
- Realizzare elettrodi a manicotto con interfaccia piana per applicazioni di interfaccia neurale.
- Migliorare la registrazione e la stimolazione dell'attività neurale.
- Fornire un metodo affidabile per la costruzione manuale di questi elettrodi.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di software CAD per produrre diagrammi in scala reale degli elettrodi.
- Tecniche di fabbricazione manuale per la produzione affidabile di elettrodi.
- Personalizzazione dei design per diverse applicazioni di interfaccia neurale.
- Ottimizzazione delle caratteristiche degli elettrodi per prestazioni migliorate.
Risultati principali
- Realizzazione con successo di elettrodi nervosi planari con interfaccia ad alta densità di contatti.
- Dimostrazione dell'efficacia degli elettrodi nella registrazione e stimolazione neurale.
- Convalida del processo di fabbricazione manuale per strutture submillimetriche.
- La flessibilità del design consente diverse applicazioni in neuroprotesi.
Conclusioni
- Gli elettrodi realizzati mostrano potenzialità per il miglioramento della tecnologia delle interfacce neurali.
- La fabbricazione manuale è un metodo praticabile per creare progetti complessi di elettrodi.
- Ulteriori ricerche possono ampliare le applicazioni di questi elettrodi nelle neuroscienze.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Gli elettrodi nervosi a densità di contatto elevata e interfaccia piatta consentono una registrazione e stimolazione neurale precisa, affrontando sfide fondamentali nello sviluppo di dispositivi neuroprotesici. La loro geometria personalizzabile e le prestazioni solide a lungo termine supportano la ricerca traslazionale e la validazione in fase iniziale dei dispositivi. Questa capacità è fondamentale per far progredire l'interfacciamento neurale selettivo e ridurre i rischi nei portafogli di neurotecnologie.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi dei percorsi nervosi periferici per la mappatura funzionale.
- Consente la riduzione del rischio meccanicistica fornendo accesso selettivo ai segnali neurali.
- Semplifica la validazione del bersaglio per strategie di neuromodulazione.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce una piattaforma riproducibile per l'acquisizione quantitativa dei segnali neurali.
- Standardizza la posizione degli elettrodi e la geometria del contatto per garantire coerenza nel saggio.
- Consente una valutazione affidabile dei protocolli di stimolazione e registrazione.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Si allinea a modelli rilevanti per lo studio di interfacce neurali croniche.
- Mantiene stabili nel tempo i parametri di rapporto segnale-rumore e di impedenza durante l’impianto prolungato.
- Consente una transizione continua dalla prototipazione del dispositivo alla validazione preclinica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo di fabbricazione si integra nel flusso di lavoro delle neurotecnologie, dalla fase iniziale di scoperta fino alla validazione preclinica del dispositivo, sostenendo la progettazione iterativa e la valutazione delle prestazioni croniche.
- Biologia della scoperta: Consente la verifica di ipotesi sulla funzione dei circuiti neurali mediante registrazione e stimolazione selettive.
- Screening: Fornisce array standardizzati di elettrodi ad alta densità per saggi neurali riproducibili.
- Analisi: Fornisce parametri quantitativi come impedenza e rapporto segnale-rumore per la valutazione delle prestazioni del dispositivo.
- Ricerca traslazionale: Dimostra stabilità cronica in modelli animali, favorendo la continuità traslazionale.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma di elettrodi personalizzabile e scalabile, adattabile a diverse applicazioni neuroprostetiche.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nelle prestazioni dell'interfaccia neurale e nel raggiungimento dell'obiettivo.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione nella fabbricazione e nel posizionamento degli elettrodi.
- Valore strategico: Riduce il rischio biologico in fase avanzata consentendo una validazione cronica delle interfacce tra dispositivo e tessuto.
- Impatto sul portafoglio: Sostiene l'avanzamento di asset in neurotecnologia con rischio aggiustato grazie a dati preclinici robusti.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze di progettazione e modellazione assistita da computer (CAD/CAM) e abilità manuali precise per il montaggio.
- Necessita dell'accesso a strumentazione per il taglio laser, la saldatura a punti e la microscopia.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per la progettazione degli elettrodi e i protocolli di fabbricazione.
- È adattabile a diverse dimensioni e geometrie dei nervi mediante modifiche progettuali.
- Parametri prestazionali come l'impedenza e il rapporto segnale-rumore (SNR) devono essere regolarmente convalidati in studi cronici.
