De spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen

Summary

Dit manuscript biedt een innovatieve methode voor het ontwikkelen van een biologische perifere zenuwinterface genaamd de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Deze chirurgische constructie kan de bijbehorende perifere zenuw efferente signalen versterken om nauwkeurige detectie van motorische intentie en de potentiële controle van exoskeletapparaten te vergemakkelijken.

Abstract

Robotische exoskeletten hebben onlangs bekendheid gekregen op het gebied van revalidatiegeneeskunde als een veelbelovende modaliteit voor functioneel herstel voor die personen met extremiteitszwakte. Het gebruik ervan blijft echter grotendeels beperkt tot onderzoeksinstellingen, die vaak fungeren als een middel ter ondersteuning van statische extremiteiten, omdat motorische detectiemethoden onbetrouwbaar blijven. Perifere zenuwinterfaces zijn ontstaan als een mogelijke oplossing voor deze tekortkoming; vanwege hun inherent kleine amplitudes kunnen deze signalen echter moeilijk te onderscheiden zijn van achtergrondgeluid, waardoor hun algehele motordetectienauwkeurigheid wordt verlaagd. Omdat de huidige interfaces afhankelijk zijn van abiotische materialen, kan inherente materiaalafbraak optreden naast de reactie van vreemd lichaamsweefsel in de loop van de tijd, wat hun nauwkeurigheid verder beïnvloedt. De Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) is ontworpen om deze geconstateerde complicaties te overwinnen. Bestaande uit een segment van vrij spiertransplantaat dat omtrekig is bevestigd aan een intacte perifere zenuw, regenereert het construct en wordt het na verloop van tijd opnieuw geïnnerveerd door de ingesloten zenuw. Bij ratten heeft dit construct het vermogen aangetoond om de motorische efferente actiepotentialen van een perifere zenuw tot 100 keer de normale waarde te versterken door het genereren van samengestelde spieractiepotentialen (CMAP's). Deze signaalversterking vergemakkelijkt een zeer nauwkeurige detectie van motorintentie, waardoor mogelijk betrouwbaar gebruik van exoskeletapparaten mogelijk wordt.

Introduction

Alleen al in de Verenigde Staten worden ongeveer 130 miljoen mensen getroffen door neuromusculaire en musculoskeletale aandoeningen, wat resulteert in meer dan $ 800 miljard aan jaarlijkse economische impact ^1,2. Deze groep aandoeningen is meestal secundair aan pathologie in het zenuwstelsel, op de neuromusculaire overgang of in de spier zelf³. Ondanks de verscheidenheid aan pathologische oorsprongen, deelt de meerderheid een zekere mate van extremiteitszwakte ^1,3. Helaas is deze zwakte vaak permanent gezien de beperkingen in ne....

Protocol

Alle dierprocedures en experimenten werden uitgevoerd met de goedkeuring van het Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC) van de Universiteit van Michigan. Mannelijke en vrouwelijke Fischer F344- en Lewis-ratten (~ 200-300 g) op de leeftijd van 3-6 maanden worden het vaakst gebruikt in experimenten, maar elke stam kan theoretisch worden gebruikt. Als donorratten worden gebruikt in plaats van autologe spiertransplantaten, moeten donorratten isogeen zijn voor de experimentele stam. Ratten krijgen zowel pre- als postoperatief vrije toegang tot voedsel en water. Na terminale eindpuntevaluaties wordt euthanasie uitgevoerd onder diepe anesthesie met intra-car....

Results

MC-RPNI chirurgische fabricage wordt beschouwd als een peri-operatief falen als ratten de opkomst van chirurgische anesthesie niet overleven of een infectie ontwikkelen binnen een week na de operatie. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat een rijpingsperiode van 3 maanden zal resulteren in betrouwbare signaalversterking van deze constructen 42,45,48,49. Op dat moment of daarna kan chirurgische .......

Discussion

De MC-RPNI is een nieuw construct dat het mogelijk maakt om de efferente actiepotentialen van een intacte, perifere motorzenuw te versterken om een exoskeletapparaat nauwkeurig te besturen. In het bijzonder verleent de MC-RPNI een bijzonder voordeel aan personen met extremiteitszwakte veroorzaakt door significante spierziekte en / of afwezigheid van spieren waar EMG-signalen niet kunnen worden geregistreerd. Het verminderen van de reeds gecompromitteerde spierfunctie zou verwoestend zijn in deze populatie; de MC-RPNI hee.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
#15 Scalpel	Aspen Surgical, Inc	Ref 371115	Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100)	Strain Measurement Devices, Inc	SMD100-0002	Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 1654G	P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture	Ethicon	SKU# 687G	P-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament Suture	AROSurgical	T06A08N14-13	Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats	Envigo	F344-NH-sd	Rats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finish	Fine Science Tools	11413-11	Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane)	VetOne	13985-528-40	Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig	Red Rock	n/a	Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software	Mathworks, Inc	PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU	Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System	Nicolet	MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG	Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
Oxygen	Cryogenic Gases	UN1072	Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride	APP Pharmaceuticals	63323-965-20	Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP	MediChoice	65517-0009-1	10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment	Dechra	17033-211-38	Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen)	Zoetis, Inc.	NADA# 141-199	Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope	Leica	Model M60	User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments	Fine Science Tools	Various	User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment	MediChoice	39892-0830-2	Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge	Fine Science Tools	15000-04	Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3	Surgivet	V7015	Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep	Coviden	Ref 6818	Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep