Wytwarzanie elektrod nerwowych o płaskim interfejsie o dużej gęstości kontaktowej do zastosowań związanych z rejestracją i stymulacją
4 października 2016
Ten artykuł zawiera szczegółowy opis procesu produkcji płaskiej elektrody nerwowej o wysokiej gęstości kontaktu (FINE). Elektroda ta jest zoptymalizowana pod kątem selektywnego rejestrowania i stymulowania aktywności neuronalnej w nerwach obwodowych.
Ogólnym celem tego protokołu jest wyprodukowanie elektrod mankietowych z płaskim interfejsem do wykorzystania w aplikacjach interfejsu neuronowego. Zastosowanie elektrod mankietowych z płaskim interfejsem może pomóc w rozwiązaniu problemów w dziedzinie neuroprotetyki, takich jak rejestrowanie zamiaru poruszenia kończyną z nerwów. Mimo że elektrody mankietu mają cechy submilimetrowe, nadal można je niezawodnie wykonać ręcznie.
A projekt jest elastyczny. Można go łatwo dostosować do wielu różnych aplikacji interfejsu neuronowego. Zacznij od oprogramowania CAD, aby stworzyć prawdziwy schemat skali elektrody.
Ten schemat określi wymiary elektrody i miejsca umieszczenia różnych elementów elektrody. W podobny sposób utwórz dodatkowy plik CAD ze stykami i elementami elektrody, aby można je było wyprodukować za pomocą maszyn do cięcia laserowego. W ramach przygotowań umieść środkowe styki pod mikroskopem i przymocuj je do przewodu za pomocą zgrzewarki punktowej.
Przytrzymaj kontakt, aby wykonać początkowe zgięcie pod kątem około 45 stopni, a następnie złóż go wokół ramy styku. Naprzemiennie przewody kontaktowe po obu stronach ramy macierzy. Następnie umieść arkusz przezroczystości na schemacie prowadzącym i przyklej go do płyty podstawy.
Teraz, aby rozpocząć budowę, wytnij kwadratowy kawałek o grubości pięciu cm z arkusza silikonu o grubości pięciu milimetrów. Umieść go na płycie podstawy, nie zatrzymując pęcherzyków powietrza. Następnie przygotuj dwa gramy nieutwardzonego krzemu i odgazuj go w komorze próżniowej przez trzy minuty.
Okresowo zwalniaj i ponownie włączaj podciśnienie, aby uwięzione powietrze mogło się wydostać. Teraz nałóż cienką linię nieutwardzonego silikonu w miejscach segmentów dystansowych zgodnie z instrukcją. Następnie przyklej przygotowane elementy dystansowe do wyznaczonych obszarów, dociskając je do arkusza silikonowego.
Teraz umieść krzem w nagrzanym do 130 stopni Celsjusza piekarniku izotemperaturowym na 30 minut, a następnie schładzaj przez 10 minut. Teraz umieść styki odniesienia w wyznaczonych miejscach, z punktami spawania do góry, a przewodami kontaktowymi poprowadzonymi w kierunku linii środkowej mankietu, aby wyjść na drugim końcu. Po upewnieniu się, że ustawienie jest prawidłowe, dociśnij styki do warstwy silikonu i umieść nieutwardzony krzem w otworach przelotowych.
Następnie tymczasowo zabezpiecz przewody taśmą i utwardź silikon w temperaturze 130 stopni Celsjusza przez 90 minut lub przez noc w temperaturze pokojowej. Po zabezpieczeniu styków odniesienia krzemem użyj tej samej techniki, aby przymocować środkowy układ styków. Co ważne, styki środkowe muszą być precyzyjnie rozmieszczone, aby uzyskać wysokiej jakości nagranie.
Kluczowe znaczenie ma również prawidłowe poprowadzenie przewodów do wyznaczonych miejsc wyjścia. Wytnij arkusz przezroczystości o wymiarach 1 cm na pięć cm i użyj go do zakrycia środkowych układów kontaktowych. Następnie przyklej go taśmą do płyty podstawy.
Umieść mały pręt mocujący w poprzek środka elektrody i zaciśnij go do płyty podstawy, aby zabezpieczyć środkowe styki na miejscu podczas utwardzania się krzemu. Po utwardzeniu usuń mały pręt mocujący. Następnie usuń całą taśmę mocującą przewody do odniesień i metalowych styków, a następnie delikatnie usuń przezroczystą blachę, aby odsłonić metalowe układy styków.
Teraz wytnij kwadratowy kawałek przezroczystości o tej samej szerokości co elektroda i długości pięciu cm. Następnie wytnij kwadratowy kawałek arkusza silikonu, który może pokryć całą powierzchnię elektrody. Teraz połóż ten silikon na kawałku przezroczystości i rozciągnij go płasko, aby usunąć wszelkie nierówności i zapobiec uwięzieniu pęcherzyków powietrza.
Następnie wytnij cztery kawałki silikonowej rurki, każdy o długości pięciu cm, i umieść je w miejscach wyjścia zgodnie ze schematem. Pozostaw dwumilimetrową szczelinę między krawędzią elektrody a rurką. Przytrzymując każdą parę rurek pęsetą, przyklej rurki taśmą, zaczynając od jednego mm od końca tuby.
Teraz ułóż wyprowadzenia środkowych styków i referencje w wiązki. Następnie przepuść je przez odpowiednią rurkę w pobliżu miejsc wyjścia. Zrób to dla wszystkich probówek.
Następnie, z próżniowego pojemnika do mieszania lub strzykawki, powoli nałóż dużą ilość nieutwardzonego silikonu na cały korpus elektrody. Teraz umieść krzem i przezroczystą strukturę na nieutwardzonym krzemie. Dopasuj element przezroczysty do elektrody, trzymając przylegający do niej arkusz silikonu.
Następnie przyklej taśmę do przezroczystości i lekko dociśnij, aby usunąć wszelkie uwięzione pęcherzyki powietrza. Na koniec umieść dużą listwę mocującą w poprzek środka elektrody i nad segmentem przezroczystości. Następnie przyciśnij go do płyty podstawy z umiarkowanym naciskiem i całkowicie utwardź silikon.
Aby dodać warstwę ekranującą, usuń dużą listwę mocującą i usuń element przezroczysty za pomocą pęsety. Następnie umieść arkusz ekranujący na środku każdej powierzchni elektrody i delikatnie wciśnij go w elektrodę. Następnie umieść trochę nieutwardzonego krzemu w otworach przelotowych i częściowo utwardź go przez 30 minut w temperaturze 130 stopni Celsjusza.
Po schłodzeniu do temperatury pokojowej umieść taśmę samoprzylepną na zewnętrznych końcach elektrody i na kołnierzach zamykających, aby krzem nie dostał się do tych segmentów. Następnie powtórz proces dodawania warstwy krzemu, aby pokryć cały korpus elektrody. Następnie umieść arkusze krzemu i przezroczystości na elektrodzie, a następnie zabezpiecz je dużym prętem mocującym i utwardź krzem.
Po utwardzeniu, aby zakończyć proces, usuń nadmiar silikonu i taśmę. Następnie przetnij okienka przez silikon, aby odsłonić segmenty przekładki i użyj pęsety, aby usunąć segmenty dystansowe. Następnie pod mikroskopem usuń taśmę i silikon z rurek, aż zrówna się z korpusem elektrody.
Następnie ostrożnie przeciąć na obwodzie elektrody aż do płyty podstawy. Teraz, uważając, aby nie uszkodzić elektrody, postępuj zgodnie ze schematem przewodnika, aby ukształtować miejsca wyjścia przewodu. Wytnij trójkąt między każdą parą rurek, który przechodzi całkowicie przez warstwy elektrod i wychodzi na zewnętrzną stronę.
Teraz wytnij okna w krzemie, który pokrywa warstwę ekranującą. Następnie wsuń szew polipropylenowy między podstawę elektrody a sąsiednią przezroczystą warstwę i użyj go do rozwarstwienia prawie gotowej elektrody mankietu. Na koniec wytnij okienka z silikonu, aby odsłonić styki środkowe i styki odniesienia.
Spreparowana elektroda FINE została użyta do zarejestrowania aktywności nerwu kulszowego u psa przez 7,5 miesiąca. Zaimplementowano niestandardowy przedwzmacniacz i wzmacniacz oprzyrządowania wejściowego super-beta. Elektroda została wszczepiona wokół nerwu poprzez zszycie ze sobą dwóch wolnych krawędzi.
Mankiet spłaszcza nerw, zachowując elastyczność w kierunku wzdłużnym. Zmierzono reakcję elektrody na rosnący poziom ciśnienia wewnątrz mankietu. Przy poziomie ciśnienia rozkurczowego wynoszącym 67 mm słupa rtęci mankiet został rozszerzony do 1,25 jego początkowego pola przekroju.
To rozszerzenie może być wykorzystane do kompensacji obrzęku nerwów po zabiegu wszczepienia implantu. W trakcie przewlekłego leczenia implantu okresowo mierzono kilka parametrów. Stosunek sygnału do szumu utrzymywał się na stałym poziomie przez całe 7,5 miesiąca.
Impedancja styków, mierzona przy 1 kHz, również pozostała stabilna. Wreszcie, nigdy nie było więcej niż dwóch nieaktywnych kontaktów, które zaobserwowano, że wystąpiły z powodu złych połączeń na skórze zwierzęcia. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać podobne wielokanałowe elektrody nerwowe i być w stanie dostosować projekt do wymagań aplikacji końcowej.
Zastosowanie tych elektrod utorowało drogę naukowcom zajmującym się neuroprotetyką do rejestrowania dobrowolnych sygnałów z nerwów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł zapewnia szczegółowy opis procesu produkcji wysoko-gęstościowej płaskiej interfejsowej elektrod nerwowych (FINE). Ta elektroda jest zoptymalizowana do selektywnego rejestrowania i stymulacji aktywności nerwowej w obrębie nerwów obwodowych.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuroprotetyka
- Interfejsy nerwowe
- Projektowanie elektrod
Tło
- Płaskie interfejsowe elektrody mankietowe mogą pomóc rozwiązać problemy w neuroprotetyce.
- Są zaprojektowane do rejestrowania intencji ruchu kończyny z nerwów.
- Te elektrody mają cechy submilimetrowe.
- Projekt jest elastyczny i może być dostosowany do różnych zastosowań.
Cel badania
- Wytworzenie płaskich interfejsowych elektrod mankietowych do zastosowań w interfejsach nerwowych.
- Poprawa rejestracji i stymulacji aktywności nerwowej.
- Dostarczenie niezawodnej metody tworzenia tych elektrod ręcznie.
Stosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania CAD do wytwarzania diagramów w prawdziwej skali elektrod.
- Techniki ręcznego wytwarzania dla niezawodnej produkcji elektrod.
- Dostosowywanie projektów dla różnych zastosowań w interfejsach nerwowych.
- Optymalizacja cech elektrod dla zwiększonej wydajności.
Główne wyniki
- Udana produkcja elektrod nerwowych o wysokiej gęstości kontaktów.
- Demonstracja skuteczności elektrod w rejestracji i stymulacji nerwowej.
- Walidacja procesu ręcznego wytwarzania dla cech submilimetrowych.
- Elastyczność w projekcie pozwala na różne zastosowania w neuroprotetyce.
Wnioski
- Wyprodukowane elektrody prezentują obiecujące wyniki dla poprawy technologii interfejsów nerwowych.
- Wytwarzanie ręczne jest wykonalną metodą tworzenia złożonych projektów elektrod.
- Dalsze badania mogą poszerzyć zastosowania tych elektrod w dziedzinie neurologii.
Często zadawane pytania
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.
