녹화 및 자극 애플리케이션을위한 높은 접촉 밀도의 제작, 평면 인터페이스 신경 전극

본 프로토콜의 전반적인 목표는 신경 인터페이스 응용 분야에 사용할 평면 인터페이스 커프 전극을 제작하는 것입니다. 평면 인터페이스 커프 전극을 사용하면 신경으로부터 사지 이동 의도를 기록하는 방법과 같이 신경 보철 분야의 문제들을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 커프 전극은 서브밀리미터 규모의 미세 구조를 가지고 있음에도 불구하고, 수작업으로 충분히 안정적으로 제작할 수 있습니다.

또한 이 설계는 유연합니다. 다양한 신경 인터페이스 응용 분야에 맞게 쉽게 맞춤 설정할 수 있습니다. 우선 CAD 소프트웨어를 사용하여 전극의 실제 규모 도면을 작성하십시오.

이 도식은 전극의 크기와 다양한 전극 구성 요소의 배치 위치를 결정하는 데 사용됩니다. 마찬가지로, 레이저 커팅 장비를 통해 제작할 수 있도록 접점과 전극 구성 요소에 대한 추가 CAD 파일을 생성하십시오. 준비 단계로, 중앙 접점을 현미경 아래에 놓고 스폿 용접기를 사용하여 리드선에 접합하십시오.

접촉점을 누른 상태에서 약 45도 각도로 1차 굴곡을 만든 다음, 접촉점 프레임을 따라 접으십시오. 어레이 프레임의 각 측면에 접촉 리드를 교대로 배치하십시오. 그런 다음, 가이드 도면 위에 투명 시트를 놓고 베이스플레이트에 테이프로 고정하십시오.

이제 제작을 시작하기 위해, 5 mil 두께의 실리콘 시트에서 5 cm 정사각형 조각을 자릅니다. 공기 방울이 생기지 않도록 주의하며 이를 베이스플레이트 위에 놓습니다. 그다음, 경화되지 않은 실리콘 2 g을 준비하여 진공 챔버에서 3분 동안 탈포합니다.

갇힌 공기가 빠져나갈 수 있도록 주기적으로 진공 상태를 해제했다가 다시 적용하십시오. 이제 가이드에 따라 스페이서 세그먼트 위치에 경화되지 않은 실리콘을 얇게 도포하십시오. 그런 다음 준비된 스페이서 구성 요소를 실리콘 시트 위에 눌러 지정된 영역에 부착하십시오.

이제 실리콘을 130 °C로 예열된 isotemp 오븐에 30분 동안 넣고, 이어서 10분 동안 냉각합니다. 그런 다음, 기준 접점(reference contacts)을 지정된 위치에 배치하되, 용접 지점이 위를 향하게 하고 접점 리드선은 커프의 중앙선을 따라 반대쪽 끝으로 나갈 수 있도록 배치합니다. 위치가 정확한지 확인한 후, 접점을 실리콘 층 위로 눌러 고정하고 관통 구멍(thru holes)에 경화되지 않은 실리콘을 채웁니다.

다음으로, 리드선을 테이프로 일시적으로 고정하고, 실리콘을 130 °C에서 90분 동안 또는 상온에서 밤새 경화시킵니다. 기준 전극 접점이 실리콘으로 고정되면, 동일한 기술을 사용하여 중앙 접점 어레이를 부착합니다. 이때 고품질의 기록을 얻기 위해서는 중앙 접점들을 정밀하게 배치하는 것이 매우 중요합니다.

리드를 지정된 출구 지점으로 적절하게 배선하는 것 또한 매우 중요합니다. 1 cm x 5 cm 크기의 투명 시트를 자르고, 이를 사용하여 중앙 접촉 어레이를 덮습니다. 그런 다음 베이스플레이트에 테이프로 고정합니다.

작은 고정 바를 전극 중앙에 가로질러 놓고 베이스플레이트에 고정하여 실리콘이 경화되는 동안 중앙 접점들이 제자리에 있도록 고정합니다. 경화가 완료되면 작은 고정 바를 제거합니다. 그런 다음 참조 전극과 금속 접점의 리드를 고정하고 있는 모든 테이프를 제거하고, 투명 시트를 조심스럽게 떼어내어 금속 접점 어레이를 노출시킵니다.

이제 전극과 너비가 같고 길이가 5cm인 정사각형 모양의 투명 필름을 자릅니다. 그런 다음, 전극 표면 전체를 덮을 수 있는 크기의 정사각형 실리콘 시트를 자릅니다. 이제 이 실리콘을 투명 필름 조각 위에 올리고, 표면의 불규칙함을 제거하고 공기 방울이 갇히는 것을 방지하기 위해 평평하게 펴줍니다.

다음으로, 각각 5 cm 길이의 실리콘 튜브 4개를 자르고 다이어그램에 따라 배출구 위치에 배치합니다. 전극 가장자리와 튜브 사이에 2 mm의 간격을 둡니다. 핀셋으로 각 튜브 쌍을 누른 상태에서, 튜브 끝에서 1 mm 떨어진 지점부터 테이프로 튜브를 고정합니다.

이제 중간 접점과 기준 전극의 리드를 묶음으로 정리하십시오. 그런 다음, 이를 출구 근처의 해당 튜브를 통해 통과시킵니다. 모든 튜브에 대해 이 작업을 수행하십시오.

다음으로, 진공 혼합 용기 또는 주사기를 사용하여 경화되지 않은 실리콘을 전극 본체 전체에 넉넉하게 천천히 도포합니다. 이제 실리콘과 투명 구조물을 경화되지 않은 실리콘 위에 올립니다. 실리콘 시트가 투명 조각에 부착된 상태를 유지하면서 투명 조각을 전극에 맞춰 정렬합니다.

그런 다음, 투명 필름을 테이프로 고정하고 가볍게 눌러 갇혀 있는 기포를 제거합니다. 마지막으로, 전극의 중앙과 투명 필름 부분 위에 대형 고정 바를 배치합니다. 그런 다음 적당한 압력으로 베이스플레이트에 클램프로 고정하고 실리콘을 완전히 경화시킵니다.

차폐층을 추가하려면, 대형 고정 바를 제거하고 핀셋으로 투명 조각을 제거하십시오. 그런 다음 각 전극 면의 중앙에 차폐 시트를 배치하고 전극 쪽으로 살며시 누릅니다. 이어서 스루홀(thru hole)에 미경화 실리콘을 일부 도포하고 130 °C에서 30분 동안 부분 경화시킵니다.

실온으로 냉각되면, 전극의 바깥쪽 끝단과 폐쇄 플랜지 위에 접착 테이프를 붙여 이 부분들에 실리콘이 들어가지 않도록 합니다. 그런 다음, 전극 본체 전체를 덮도록 실리콘 층을 추가하는 과정을 반복합니다. 이어서 전극 위에 실리콘과 투명 시트를 올린 후, 대형 고정바로 고정하고 실리콘을 경화시킵니다.

경화 후 공정을 마무리하기 위해, 과잉 실리콘과 테이프를 제거합니다. 그런 다음, 실리콘에 창을 내어 스페이서 세그먼트를 노출시키고, 핀셋을 사용하여 스페이서 세그먼트를 제거합니다. 다음으로, 현미경 하에서 튜브 위의 테이프와 실리콘을 전극 본체와 수평이 될 때까지 제거합니다.

그다음, 전극의 둘레를 따라 베이스플레이트까지 조심스럽게 절단합니다. 이제 전극이 손상되지 않도록 주의하면서, 안내 도표에 따라 리드 도출 부위의 모양을 잡습니다. 각 튜브 쌍 사이에 전극 층을 완전히 관통하여 바깥쪽까지 이어지는 삼각형 모양으로 절단하십시오.

이제 차폐층을 덮고 있는 실리콘에 창을 냅니다. 그런 다음, 전극 베이스와 인접한 투명층 사이에 폴리프로필렌 봉합사를 밀어 넣어 거의 완성된 커프 전극의 층을 분리합니다. 마지막으로 실리콘의 창을 절개하여 중앙 접점과 기준 접점을 노출시킵니다.

제작된 FINE 전극을 사용하여 7.5개월 동안 개의 좌골 신경 활성도를 기록하였습니다. 맞춤형 전치 증폭기와 super-beta 입력 계측 증폭기를 구현하였습니다. 전극의 두 자유단을 함께 봉합하여 신경 주변에 이식하였습니다.

커프는 세로 방향의 유연성을 유지하면서 신경을 평평하게 누릅니다. 커프 내부의 압력 수준 증가에 따른 전극 응답을 측정하였습니다. 이완기 압력 수준인 67 mm mercury에서 커프는 초기 단면적의 1.25배로 확장되었습니다.

이러한 확장은 임플란트 시술 후 발생하는 신경 부종을 보완하는 데 활용될 수 있습니다. 만성 임플란트 유지 기간 동안 여러 파라미터를 주기적으로 측정하였습니다. 신호 대 잡음비는 7.5개월의 전체 기간 동안 안정적으로 유지되었습니다.

1 kHz에서 측정한 접촉 임피던스 또한 안정적으로 유지되었습니다. 마지막으로, 비활성 접촉점은 최대 2개 이하로 나타났으며, 이는 동물의 피부를 통한 연결 불량으로 인해 발생한 것으로 관찰되었습니다. 이 영상을 시청한 후, 여러분은 유사한 다채널 신경 전극을 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하고, 최종 응용 분야의 요구 사항에 맞게 설계를 조정할 수 있게 될 것입니다.

이러한 전극의 사용은 신경 보철 분야의 연구자들이 신경으로부터 자발적 신호를 기록할 수 있는 길을 열어주었습니다.