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 niniejszego protokołu jest wykonanie elektrod mankietowych o płaskim interfejsie do zastosowań w interfejsach neuronowych. Zastosowanie elektrod mankietowych o płaskim interfejsie może pomóc w rozwiązaniu problemów w dziedzinie neuroprotetyki, takich jak rejestracja intencji ruchu kończyn z nerwów. Pomimo że elektrody mankietowe posiadają elementy o rozmiarach submilimetrowych, mogą być one nadal niezawodnie wykonywane ręcznie.
Projekt ten jest elastyczny. Można go łatwo dostosować do wielu różnych zastosowań w interfejsach neuronalnych. Należy rozpocząć od użycia oprogramowania CAD w celu przygotowania schematu elektrody w skali rzeczywistej.
Schemat ten pozwoli określić wymiary elektrody oraz miejsca rozmieszczenia poszczególnych elementów elektrody. Podobnie należy stworzyć dodatkowy plik CAD kontaktów i komponentów elektrody, aby można było je wykonać przy użyciu urządzenia do cięcia laserowego. W ramach przygotowań umieść kontakty centralne pod mikroskopem i przymocuj je do przewodu za pomocą zgrzewarki punktowej.
Przytrzymaj styk, aby wykonać wstępne zgięcie pod kątem około 45 stopni, a następnie zegnij go wokół ramy styku. Naprzemiennie rozmieszczaj wyprowadzenia styków po obu stronach ramy macierzy. Następnie połóż arkusz folii przezroczystej na schemacie pomocniczym i przymocuj go taśmą do płyty podstawy.
Aby rozpocząć budowę, wytnij kwadratowy fragment o boku 5 cm z arkusza silikonu o grubości 5 mil. Połóż go na płycie bazowej, dbając o to, aby nie uwięzić pęcherzyków powietrza. Następnie przygotuj 2 g nieutwardzonego silikonu i odgazuj go w komorze próżniowej przez 3 minuty.
Okresowo zwalniaj i ponownie przykładaj próżnię, aby uwięzione powietrze mogło uciec. Następnie nałóż cienką linię nieutwardzonego silikonu w miejscach segmentów dystansera zgodnie z instrukcją. Następnie przytwierdź przygotowane elementy dystansera do wyznaczonych obszarów, dociskając je do warstwy silikonu.
Następnie umieść silikon w rozgrzanym do 130 °C piecu isotemp na 30 minut, a następnie studź przez 10 minut. Teraz umieść kontakty referencyjne w wyznaczonych miejscach, tak aby punkty spawania były skierowane do góry, a wyprowadzenia kontaktów prowadziły w stronę linii środkowej mankietu, by wyjść jego drugim końcem. Po upewnieniu się co do prawidłowego rozmieszczenia, dociśnij kontakty do warstwy silikonu i wprowadź nieutwardzony silikon do otworów przelotowych.
Następnie tymczasowo przymocuj przewody taśmą i utwardź silikon w temperaturze 130 °C przez 90 minut lub przez noc w temperaturze pokojowej. Po przymocowaniu kontaktów referencyjnych za pomocą silikonu, zastosuj tę samą technikę w celu przytwierdzenia centralnej macierzy kontaktowej. Co ważne, kontakty centralne muszą zostać rozmieszczone precyzyjnie, aby uzyskać wysokiej jakości zapis.
Prawidłowe poprowadzenie wyprowadzeń do wyznaczonych miejsc wyjściowych jest również krytyczne. Wytnij z folii przezroczystej arkusz o wymiarach 1 cm na 5 cm i użyj go do przykrycia centralnych macierzy kontaktowych. Następnie przymocuj go taśmą do płyty bazowej.
Umieść mały pręt mocujący w poprzek środka elektrody i przymocuj go do płyty podstawy, aby unieruchomić środkowe styki na czas utwardzania silikonu. Po utwardzeniu zdejmij mały pręt mocujący. Następnie usuń całą taśmę zabezpieczającą przewody elektrod odniesienia i styków metalowych, a potem ostrożnie zdejmij przezroczystą folię, aby odsłonić macierze styków metalowych.
Następnie wytnij kwadratowy kawałek folii przezroczystej o szerokości równej szerokości elektrody i długości 5 cm. Następnie wytnij kwadratowy kawałek arkusza silikonowego, który będzie mógł pokryć całą powierzchnię elektrody. Teraz nałóż silikon na kawałek folii przezroczystej i rozciągnij go na płasko, aby usunąć wszelkie nierówności i zapobiec uwięzieniu pęcherzyków powietrza.
Następnie odetnij cztery kawałki rurki silikonowej o długości 5 cm każdy i umieść je w miejscach wyjścia zgodnie ze schematem. Pozostaw 2 mm odstępu między krawędzią elektrody a rurką. Przytrzymując każdą parę rurek pęsetą, przymocuj je taśmą, zaczynając od odległości 1 mm od końca rurki.
Następnie pogrupuj przewody środkowych styków oraz referencyjne w wiązki. Następnie przeprowadź je przez odpowiednie rurki w pobliżu miejsc wyjścia. Powtórz tę czynność dla wszystkich rurek.
Następnie, za pomocą próżniowego pojemnika do mieszania lub strzykawki, powoli nanieś znaczną ilość nieutwardzonego silikonu na cały korpus elektrody. Teraz umieść strukturę z silikonu i folii przezroczystej na nieutwardzonym silikonie. Wyrównaj element z folii przezroczystej z elektrodą, dbając o to, aby arkusz silikonu pozostał do niej przylegający.
Następnie przyklej folię przezroczystą taśmą i lekko ją dociśnij, aby usunąć uwięzione pęcherzyki powietrza. Na koniec umieść duży pręt mocujący w poprzek środka elektrody i nad segmentem folii. Następnie przytwierdź go do płyty podstawy, stosując umiarkowany nacisk, i w pełni utwardź silikon.
Aby dodać warstwę ekranującą, należy zdjąć duży pręt mocujący oraz usunąć pęsetą przezroczysty element. Następnie należy umieścić arkusz ekranujący na środku każdej ścianki elektrody i delikatnie docisnąć go do elektrody. Następnie należy wprowadzić nieutwardzony silikon do otworów przelotowych i poddać go częściowemu utwardzaniu przez 30 minut w temperaturze 130 °C.
Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej należy nakleić taśmę klejącą na zewnętrzne końce elektrody oraz na kołnierze zamykające, aby zapobiec przedostawaniu się silikonu do tych segmentów. Następnie należy powtórzyć proces nakładania warstwy silikonu, aby pokryć cały korpus elektrody. Kolejnym krokiem jest nałożenie silikonu i arkuszy przezroczystych na elektrodę, a następnie zabezpieczenie ich dużym prętem mocującym i utwardzenie silikonu.
Po utwardzeniu, aby zakończyć proces, należy usunąć nadmiar silikonu oraz taśmę. Następnie należy wyciąć w silikonie otwory, aby odsłonić segmenty dystansowe, a następnie za pomocą pęsety usunąć segmenty dystansowe. W kolejnym kroku, pod mikroskopem, należy usunąć taśmę i silikon znajdujący się nad rurkami, aż będą one zrównane z korpusem elektrody.
Następnie ostrożnie wytnij obszar wokół obwodu elektrody, docinając aż do płytki podstawy. Teraz, zachowując ostrożność, aby nie uszkodzić elektrody, postępuj zgodnie ze schematem pomocniczym w celu uformowania miejsc wyjścia przewodów. Wytnij trójkąt między każdą parą rurek, przecinając całkowicie warstwy elektrody aż do zewnętrznej strony.
Następnie należy wyciąć otwory w silikonie pokrywającym warstwę ekranującą. Potem wprowadź szew polipropylenowy pomiędzy podstawę elektrody a przyległą warstwę przezroczystą i wykorzystaj go do rozwarstwienia niemal gotowej elektrody mankietowej. Na koniec wytnij otwory w silikonie, aby odsłonić styki centralne oraz styki referencyjne.
Wytworzona elektroda FINE została wykorzystana do rejestracji aktywności nerwu kulszowego u psa przez okres 7,5 miesiąca. Zastosowano dostosowany przedwzmacniacz oraz instrumentalny wzmacniacz wejściowy super-beta. Elektrodę wszczepiono wokół nerwu, zszywając ze sobą dwa wolne brzegi.
Mankiet spłaszcza nerw, zachowując jednocześnie elastyczność w kierunku podłużnym. Zmierzono odpowiedź elektrody na rosnące poziomy ciśnienia wewnątrz mankietu. Przy ciśnieniu rozkurczowym wynoszącym 67 mm mercury mankiet rozszerzył się do 1,25 jego początkowej powierzchni przekroju poprzecznego.
Rozszerzenie to można wykorzystać do zrekompensowania obrzęku nerwu po procedurze implantacji. W trakcie trwania chronicznej implantacji okresowo pomiarowano kilka parametrów. Stosunek sygnału do szumu pozostawał stabilny przez cały okres 7,5 miesięcy.
Impedancja styku, mierzona przy 1 kHz, również pozostała stabilna. Ostatecznie nigdy nie odnotowano więcej niż dwóch nieaktywnych styków, co uznano za efekt złych połączeń na skórze zwierzęcia. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak wykonać podobne wielokanałowe elektrody nerwowe oraz jak dostosować ich konstrukcję do wymagań konkretnej aplikacji.
Zastosowanie tych elektrod utorowało drogę badaczom z dziedziny neuroprotetyki do rejestrowania sygnałów dobrowolnych z nerwów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł zawiera szczegółowy opis procesu wytwarzania płaskiej elektrody nerwowej o wysokiej gęstości kontaktów (FINE). Elektroda ta została zoptymalizowana pod kątem selektywnego rejestrowania i stymulowania aktywności neuronalnej w obrębie nerwów obwodowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuroprotezy
- Interfejsy neuronalne
- Projektowanie elektrod
Wprowadzenie
- Elektrody mankietowe o płaskim interfejsie mogą pomóc w rozwiązaniu problemów w neuroprotetyce.
- Są one zaprojektowane do rejestrowania intencji ruchu kończyn z nerwów.
- Elektrody te posiadają cechy w skali submilimetrowej.
- Konstrukcja jest elastyczna i możliwa do dostosowania do różnych zastosowań.
Cel badania
- W celu wykonania elektrod mankietowych o płaskim interfejsie do zastosowań w interfejsach neuronowych.
- W celu usprawnienia rejestracji i stymulacji aktywności neuronowej.
- W celu przedstawienia niezawodnej metody ręcznego tworzenia tych elektrod.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania CAD do tworzenia schematów elektrod w skali rzeczywistej.
- Techniki ręcznego wytwarzania w celu niezawodnej produkcji elektrod.
- Dostosowywanie projektów do różnych zastosowań w interfejsach neuronalnych.
- Optymalizacja parametrów elektrod w celu poprawy ich wydajności.
Główne wyniki
- Skuteczne wykonanie płaskich elektrod nerwowych o wysokiej gęstości styków.
- Wykazanie skuteczności elektrod w rejestracji i stymulacji neuronalnej.
- Walidacja procesu ręcznego wykonania elementów o rozmiarach submilimetrowych.
- Elastyczność projektu umożliwiająca różnorodne zastosowania w neuroprotezyce.
Wnioski
- Wytworzone elektrody wykazują potencjał w zakresie doskonalenia technologii interfejsów neuronalnych.
- Ręczne wykonanie jest wykonalną metodą tworzenia złożonych konstrukcji elektrod.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć zastosowania tych elektrod w neuronauce.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Elektrody nerwowe o wysokiej gęstości styków i płaskim interfejsie umożliwiają precyzyjną rejestrację i stymulację aktywności neuronalnej, rozwiązując kluczowe problemy w rozwoju urządzeń neuroprotetycznych. Ich konfigurowalna geometria oraz stabilna wydajność w długim terminie wspierają badania translacyjne i wczesną walidację urządzeń. Zdolność ta ma kluczowe znaczenie dla rozwoju selektywnego interfejsu neuronalnego i minimalizowania ryzyka w portfelach technologii neuronowych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie dróg nerwów obwodowych w celu mapowania funkcjonalnego.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez zapewnienie selektywnego dostępu do sygnałów neuronalnych.
- Ułatwia walidację celów dla strategii neuromodulacyjnych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia powtarzalną platformę do ilościowego pozyskiwania sygnałów neuronalnych.
- Standaryzuje rozmieszczenie elektrod i geometrię styków w celu zapewnienia spójności analizy.
- Umożliwia wiarygodną ocenę protokołów stymulacji i rejestracji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne z modelami chorobowymi istotnymi dla długoterminowych badań nad interfejsami neuronalnymi.
- Utrzymuje stabilny stosunek sygnału do szumu oraz parametry impedancji podczas przedłużonej implantacji.
- Zapewnia ciągłość od etapu prototypowania urządzenia do walidacji przedklinicznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda wytwarzania integruje się z procesem rozwoju neurotechnologii – od wczesnego etapu odkryć po przedkliniczną walidację urządzeń, wspierając iteracyjne projektowanie oraz ocenę wydajności w warunkach chronicznych.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących funkcji obwodów neuronalnych poprzez selektywną rejestrację i stymulację.
- Przesiewanie: Dostarcza standaryzowane matryce elektrod o wysokiej gęstości do powtarzalnych analiz neuronalnych.
- Analityka: Zapewnia ilościowe wyniki, takie jak impedancja i stosunek sygnału do szumu, w celu benchmarkingu urządzeń.
- Badania translacyjne: Wykazuje stabilność chroniczną w modelach zwierzęcych, wspierając ciągłość translacyjną.
- Wykorzystanie przedsiębiorcze: Oferuje konfigurowalną i skalowalną platformę elektrod, możliwą do dostosowania do różnorodnych zastosowań neuroprotetycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie wydajności interfejsu neuronowego i angażowania celu.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację w procesie wytwarzania i wdrażania elektrod.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko biologiczne na późnym etapie dzięki umożliwieniu chronicznej walidacji interfejsów urządzenie-tkanka.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowany do ryzyka rozwój zasobów neurotechnologicznych poprzez solidne dane przedkliniczne.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga biegłości w obsłudze systemów CAD/CAM oraz precyzyjnych umiejętności montażu manualnego.
- Wymaga dostępu do aparatury do cięcia laserowego, zgrzewania punktowego oraz mikroskopii.
- Wymaga standaryzacji projektowania elektrod i protokołów ich wykonania pomiędzy zespołami.
- Możliwość dostosowania do różnych rozmiarów i geometrii nerwów poprzez modyfikacje konstrukcyjne.
- Parametry wydajności, takie jak impedancja i SNR, muszą być rutynowo walidowane w badaniach chronicznych.
