Fabricação de alta Contact densidade, eletrodos nervosas Plano de Interface para gravação e estimulação Applications

Resumo

Este artigo fornece uma descrição detalhada sobre o processo de fabricação de um eletrodo de nervo de interface plana de alta contato densidade (FINE). Este eletrodo é otimizado para gravação e estimular a atividade neural seletivamente dentro de nervos periféricos.

Resumo

Muitas tentativas têm sido feitas para a fabricação de vários eléctrodos de contacto de punho nervo que são seguros, robusto e fiável para aplicações de longa duração neuroprotéticos. Este protocolo descreve uma técnica de fabricação de um eletrodo manguito nervo cilíndrica modificada para atender a esses critérios. habilidades de design mínimo auxiliado por computador e fabricação (CAD e CAM) são necessárias para produzir consistentemente punhos com alta precisão (colocação de contacto 0,51 ± 0,04 mm) e vários tamanhos de punho. A precisão na distribuição espacialmente os contactos e a capacidade de reter uma geometria predefinida conseguido com este projeto são dois critérios essenciais para otimizar a interface do manguito para gravação e estimulação seletiva. O desenho apresentado também maximiza a flexibilidade na direcção longitudinal, mantendo uma rigidez suficiente na direcção transversal para remodelar o nervo, utilizando materiais com diferentes elasticidades. A expansão do corte transversal do manguitoárea como um resultado do aumento da pressão no interior do balonete foi observado ser de 25% a 67 mm Hg. Este teste demonstra a flexibilidade da manga e a sua resposta ao nervo inchaço pós-implante. A estabilidade dos contatos 'interface e qualidade de gravação também foram examinados com contatos' impedância e métricas de relação sinal-ruído de um manguito cronicamente implantado (7,5 meses), e observou-se 2,55 ± 0,25 kW e 5,10 ± 0,81 dB, respectivamente.

Introdução

A interface com o sistema nervoso periférico (SNP) proporciona o acesso a sinais de comando neural altamente processados ​​como eles viajam para diferentes estruturas no interior do corpo. Estes sinais são gerados por axônios confinados dentro de fascículos e rodeado por células perineuro bem-articulado. A magnitude dos potenciais mensuráveis ​​resultantes das actividades neuronais é afectado pela impedância das várias camadas dentro do nervo, tais como a camada perineuro altamente resistivo que rodeia os fascículos. Por conseguinte, duas abordagens têm sido exploradas de interface de acordo com o local de gravação em relação à camada perineuro, nomeadamente abordagens intrafasciculares e extrafascicular. abordagens intra-fasciculares colocar os eletrodos no interior dos fascículos. Exemplos dessas abordagens são a matriz Utah ^17, o eletrodo Longitudinal Intra-fascicular (LIFE) ^18, eo eletrodo transversal intra-fascicular multicanal (TIME) ^32. Ttécnicas stas podem gravar selectivamente a partir do nervo, mas não têm sido mostrados para reter fiavelmente funcionalidade por longos períodos de tempo in vivo, provavelmente devido ao tamanho e a conformidade do eléctrodo ^12.

abordagens extra-fasciculares colocar os contatos ao redor do nervo. Os eléctrodos de punho utilizados nestas abordagens não comprometer o perineuro nem o perineuro e têm mostrado ser tanto um meio seguro e robusto de gravação a partir do sistema nervoso periférico ^12. No entanto, as abordagens extra-fascicular não têm a capacidade de medir a atividade única unidade - em comparação com modelos intra-fasciculares. Neuroprotéticos aplicações que utilizam eléctrodos de punho nervosas incluem a activação do membro inferior, a bexiga, o diafragma, o tratamento de dor crónica, bloqueio da condução neural, feedback sensorial, e electroneurograms gravação ^1. As aplicações potenciais para utilizar interface de nervos periféricos incluem descansooring movimento para vítimas de paralisia com estimulação elétrica funcional, registrando atividade do neurônio motor de nervos residuais para controlar próteses de membros movidos em amputados, e interface com o sistema nervoso autônomo para entregar medicamentos bio-eletrônica ^20.

A implementação de design do eletrodo cuff é o eletrodo nervo interface plana (FINE) ^21. Este projeto remodela o nervo em uma seção de flat-cruz com circunferência maior em comparação com uma forma redonda. As vantagens deste projeto são aumento do número de contatos que pode ser colocado sobre o nervo, ea proximidade dos contatos com os fascículos internos rearranjadas para gravação e estimulação seletiva. Além disso, os nervos das extremidades superiores e inferiores em grandes animais e humanos pode assumir várias formas e a reformulação gerado pela FINA não distorce a geometria natural do nervo. Estudos recentes têm mostrado que FINO é capaz de restaurar a sensação ema extremidade superior ¹⁶ e o movimento de restauração na extremidade inferior ²² com a estimulação eléctrica funcional em seres humanos.

A estrutura básica de um eléctrodo de manguito consiste na colocação de vários contactos de metal sobre a superfície de um segmento de nervo, e, em seguida, isolamento destes contactos, juntamente com o segmento do nervo dentro de um manguito não condutor. Para alcançar esta estrutura de base, vários modelos têm sido propostos em estudos anteriores, incluindo:

(1) Contatos de metal incorporado em uma malha de Dacron. A malha é então enrolada em torno do nervo e a forma manguito resultante segue a geometria dos nervos ^{4, 5.}

(2) Dividir desenhos cilindros que utilizam cilindros rígidos e não condutores pré-moldada para fixar os contactos em torno do nervo. O segmento do nervo que recebe este cuff é remodelada em geometria interna do manguito ^6-8.

(3) Self-enrolando projetos onde os contatos são fechados entre duas camadas de isolamento. A camada interna é fundida enquanto esticado com uma camada estendeu-un externo. Com diferentes comprimentos naturais de repouso para as duas camadas ligadas faz com que a estrutura final para formar uma espiral flexível que se enrola em torno do nervo. O material utilizado para estas camadas tenham sido tipicamente polietileno ⁹ poliimida ^10, e ^uma borracha de silicone.

(4) segmentos não isolados dos fios condutores colocados contra o nervo para servir como os contatos dos eletrodos. Estas ligações são ou tecido em tubo de silicone ¹¹ ou moldada em silicone cilindros aninhados ^12. Um princípio semelhante foi utilizado para construir multas arranjando e fundindo fios isolados para formar uma matriz, e, em seguida, uma abertura através do isolamento é feito por remoção de um pequeno segmento de pelo meio desses fios ¹³ unidas. Estes projetos assume um corte transversal do nervo volta e estar de acordo com este assumiu a geometria do nervo.

Eléctrodos (5) com base poliimida flexível ³³ com contatos formados por micro-usinagem estrutura de poliimida, e depois integrar em folhas de silicone esticado para formar punhos auto-enrolando. Este projeto também assume um corte transversal do nervo rodada.

Eléctrodos de punho deve ser flexível e auto-colagem, a fim de evitar o estiramento e compressão do nervo que podem causar danos nos nervos ^3. Alguns dos mecanismos conhecidos pelo qual eletrodos rotador podem induzir esses efeitos são a transmissão de forças dos músculos adjacentes ao punho e, consequentemente, para o nervo, incompatibilidade entre o manguito e as propriedades mecânicas do nervo, ea tensão indevida nas derivações do manguito. Estas questões de segurança levar a conjunto específico de restrições de design na flexibilidade mecânica, configuração geométrica, eo tamanho ^1. Estes critérios são particularmente challenging no caso de uma contagem de finos de alta contacto porque o balonete deve ser, ao mesmo tempo rígido na direcção transversal para remodelar o nervo e flexível na direcção longitudinal para evitar danos, bem como acomodar múltiplos contactos. Auto-dimensionamento projetos espirais podem acomodar vários contatos ^algemá-14, mas o manguito resultante é um pouco rígida. poliimida concepção flexível pode acomodar um elevado número de contactos, mas são propensas à delaminação. O projeto da disposição do fio ¹³ produz uma multa de seção transversal plana, mas a fim de manter esta geometria os fios são fundidos ao longo do comprimento do manguito produzir rostos duros e bordas afiadas fazendo então inadequado para implantes de longo prazo.

A técnica de fabricação descrito neste artigo produz uma multa alta densidade de contacto com estrutura flexível que pode ser feita à mão com consistentemente alta precisão. Ele usa um polímero rígido (poliéter éter cetona (PEEK)) para permitir que p precisalacement dos contatos. O segmento de PEEK mantém uma secção transversal plana no centro do eléctrodo enquanto permanece flexível na direcção longitudinal ao longo do nervo. Este desenho também minimiza a espessura e a rigidez geral do punho desde o corpo do eléctrodo não tem de ser rígido, a fim de nivelar o nervo ou proteger os contactos.

Protocolo

1. Eletrodo Preparação Components

1. Reúna quatro componentes dos eléctrodos que necessitam de corte de precisão (foi utilizado de corte a laser, por favor, consulte a Lista de Materiais) antes do processo de fabricação. Estes componentes são (Figura 1):
   Contatos estrutura matriz: Este quadro é feito de 125 mm folha grossa poliéter éter cetona (PEEK). Ele abrange toda a largura da braçadeira e mantém os contactos médios e tem extremidades em forma de serpentina (Figura 1B). Os contatos do meio são enrolados nos canais de guia; por conseguinte, a largura exposta dos contactos é limitada pela largura dos canais e o espaçamento é determinado pelo espaçamento entre os canais.
   Os contactos médios tiras: Os contactos médios são formados por envolvimento destas tiras em torno do quadro matriz contactos (Figura 1B). Corte as tiras para fora do / 10% de folha de platina irídio com a largura dos canais de guia e adicionar o comprimento extra para permitir que a be totalmente dobrado em torno do quadro. Spot-solda de chumbo do contato a 0º ângulo com o eixo principal da tira.
   Os contatos de referência: Quatro referências são necessários. A longa dimensão desses contatos é ligeiramente menor do que a largura do manguito para contê-los totalmente no interior do manguito. Ponto de solda cada contato referência a uma vantagem aos 90º de ângulo com o eixo principal do contato.
   Espaçadores PEEK: Os espaçadores são usados para criar a região mais fina no eléctrodo para permitir a dobragem e de fecho (Figura 1C). Todos os espaçadores são feitas de PEEK (outro material pode ser utilizado) e cortada para o comprimento do eléctrodo. A largura do espaço do meio é igual à altura do eléctrodo.

2. Contatos Matriz de Preparação

1. Limpar os componentes feitos no passo um por sonicação em etanol durante 2 min a 40 kHz e a temperatura ambiente, em seguida, 2 minutos em água desionizada destilada sob os mesmos parâmetros de sonicação. Deixe secar.
2. Inspecione visualmente acontatos para quaisquer defeitos, como resíduos de corte a laser ou deformações de superfície.
3. Posicionar os contatos um a um sob o microscópio com o ponto de solda voltada para cima. Segurar o contacto com pinças em aproximadamente 1/3 do comprimento de partida a partir da extremidade livre. Elevar a liderança a um ângulo de 45º, mantendo o contato para fazer a primeira curva.
4. Coloque o contato pré-curvada debaixo do quadro matriz com a solda voltada para cima. Segure a estrutura para baixo com uma pinça e elevar a liderança a um ângulo de 45º para fazer uma segunda curva. Enquanto continua segurando o quadro para baixo, agarrar a extremidade livre do contato com pinças e dobre em um ângulo de 180º (dobra em direção à linha média do frame).
5. Endireitar e puxar o contacto em direção do operador e, em seguida, dobre a 180º de ângulo (fold para a linha do meio). O ponto de soldadura por pontos deve agora ser colocado entre as duas extremidades dobradas.
6. Repita os passos de 2,3-2,5 para os contatos restantes. Faça tão apertada quanto possível. Alterne a ContaCT leva em cada lado da estrutura de matriz.

3. Guia Cuff Disposição

1. Criar um diagrama 2D do manguito na posição aberta plano.
   NOTA: Use qualquer software CAD para produzir um diagrama em escala verdadeira. Este diagrama irá determinar as dimensões do eléctrodo e o local de posicionamento para os vários componentes dos eléctrodos.
2. Imprimir o diagrama 2D em papel de impressão regular para dimensionar usando a máquina de impressão comum, e em seguida, cortar a 5 cm por 5 cm pedaço quadrado com o desenho localizado no centro.
3. Cortar 5 cm por 5 cm pedaço quadrado da folha de transparência térmico (T1) com um bisturi.
4. Coloque a peça T1 transparência na parte superior do diagrama de papel e, em seguida, colocar as duas camadas na placa de base com o diagrama voltado para cima. Gravá-los para baixo para a placa de base com uma fita adesiva.

4. eletrodo base de camada e referência Contatos Placement

1. Cortar 5 cm por folha de silicone 5 cm com um bisturi (S1), e then coloque-o sobre a camada de transparência. Comece por deixar cair um canto e desça lentamente o resto da folha para evitar bolhas de interceptação entre folhas S1 (Figura 2A) T1 e.
2. Misture aproximadamente 2 g de silicone não curado, conforme indicado na folha de dados do fabricante. Rigorosamente agitar as duas partes em conjunto com esterilizado mexendo pau de madeira. Coloque a mistura em uma câmara de vácuo durante 3 min. Ciclo o vácuo para eliminar as bolhas que sobem para a superfície. Pré-aqueça o forno a 130 ºC Isotemp.
   Nota: As luvas de látex pode inibir o processo de cura de silicone. luvas de látex também contêm enxofre, que pode deixar contaminantes nas superfícies de trabalho. Usando luvas de borracha nitrílica vez é recomendado.
3. Usando a ferramenta de escolha dentária, aplicar uma fina linha de silicone não curado ao longo do meio de segmentos espaçadores onde estão localizados no diagrama de guiamento.
4. Coloque os espaçadores para as regiões designadas, e, em seguida, pressione-os contra o S1 folha de silicone.
5. Parcialmente curar o silicone no forno Isotemp durante 30 minutos, deixe esfriar por 10 minutos.
6. Coloque os contatos de referência para os locais designados. Certifique-se de que os pontos de solda são voltado para cima e leads de contacto são encaminhados para a linha média do manguito para sair na outra extremidade. Depois de garantir o posicionamento correto, pressione os contatos abaixo sobre o S1 camada de silicone. Depósito de silicone não curado para os furos de passagem.
7. Fita para baixo os fios e, em seguida, curar totalmente o silicone a 130 ° C durante 90 minutos, ou durante a noite à temperatura ambiente (Figura 2B).

5. Centro Placement Contatos Matriz

1. Cortar 1,5 cm por parte transparência 5 cm com um bisturi (T2). Fita para baixo a referência leva longe da região média para impedi-los de correr por baixo da matriz contactos durante o passo seguinte.
2. Coloque as matrizes de contacto sobre a localização dedicado com o lado de leads para cima. Depositar silicone não curado para alinhavar a matriz emlugar.
3. Coloque a peça de 5,1 (T2) através da linha média do eletrodo e sobre os arranjos para mantê-los para baixo, e em seguida, cole as extremidades enquanto pressiona para baixo sobre as matrizes. alinhar manualmente a matriz com a posição dedicado. Fita para baixo as ligações fora do perímetro do manguito.
4. Coloque a barra pequena luminária em todo o centro do eléctrodo e sobre o segmento transparência T2. Apertá-lo até a placa de base com pressão moderada para pressionar os contactos média contra a camada S1 base de silicone.
5. curar completamente o silicone durante 90 min a 130 ° C, ou durante a noite a RT.

6. Incorporar os componentes dos eléctrodos

1. Retirar a pequena barra de fixação e remova cuidadosamente a folha transparente T2 para expor as matrizes de contacto média. Remova todas as fitas que mantêm os leads para ambas as referências e contatos médio (Figura 2C).
2. Corte um pedaço quadrado da folha de transparência com um bisturi para a mesma largura doeléctrodo e de 5 cm de comprimento (T3), e em seguida cortar uma peça quadrada de folha de silicone para cobrir a superfície inteira do eléctrodo (S2).
3. Coloque a folha de silicone (S2) na parte superior da peça de transparência (T3) e esticá-la para remover quaisquer ondas ou irregularidades e para eliminar bolhas de ar fique preso no meio.
4. Corte quatro pedaços de tubos de silicone; 5 cm de comprimento cada um. Colocá-los no local de saída dos condutores que lhe forem atribuídas no esquema orientador. Deixe um espaço de 2 mm entre a aresta do eléctrodo e as bordas dos tubos. Enquanto mantém pressionada cada par de tubos com uma pinça, fita para baixo os tubos a partir de 1 mm de distância da extremidade do tubo. Repita o procedimento para o outro par.
5. Organizar e leads dos contatos médias e as referências em feixes, e depois passá-los através do tubo correspondente perto dos locais de saída. Repita o procedimento para os outros três tubos. (Figura 2D).
6. Depositar generosa quantidade de silicone não curado por todo o corpo do eléctrodo.
   NOTA: Evite a formação de umIR bolhas durante este passo, quer vertendo lentamente o silicone não curado a partir do recipiente de mistura aspirado ou injectando-o com uma seringa.
7. Coloque a estrutura de 6,3 na parte superior do silicone não curada depositada com a folha de silicone S2 voltado para baixo. Alinhar a peça transparência T3 com o eletrodo, mantendo a folha de silicone S2 aderiram a ele.
8. Fita para baixo o T3 pedaço transparência e, em seguida, aplicar pressão para canalizar as bolhas de ar aprisionadas. Coloque a barra grande luminária em todo o centro do eléctrodo e sobre a T3 segmento de transparência. Em seguida, fixe-a à placa de base com uma pressão moderada. curar completamente o silicone durante 90 min a 130 ° C, ou durante a noite a RT.

7. Blindagem Camada Placement (recomendado para a gravação punhos)

1. Remova a grande barra de fixação e descamar a peça transparência (T3) com uma pinça. Coloque a folha de blindagem no centro de cada face do eléctrodo e aplicar pressão ligeira to pressioná-los para o eletrodo. Depósito de silicone não curado para os furos de passagem.
2. Parcialmente curar o silicone por 30 minutos a 130 ºC, e depois deixe esfriar completamente à temperatura ambiente. Colocar fita adesiva ao longo das extremidades exteriores do eléctrodo e sobre as divisórias de fecho para evitar a adição de silicone não curado extra para estes segmentos.
3. Repita os passos 6.6 a 6.8.

8. Cortar o eletrodo Finalizado

1. Descolar e cortar o excesso de silicone na parte superior da fita adesiva adicionado no passo 7.2 utilizando lâmina de bisturi, com cuidado, em seguida, remover a fita adesiva.
2. Cortar janelas através do silicone para expor os segmentos espaçadores através da camada S2. Extrair os segmentos espaçadores embarcados com pinças. Esta etapa vai deixar espaços vazios e formam folha de silicone único flexível para estas regiões (originalmente S1).
3. Descascar o excesso de silicone na parte superior das fitas adesivas que cobrem os tubos de silicone, e, em seguida, cortado com Blad bisturie para nivelar os tubos com o corpo do eléctrodo.
4. Corte em torno do perímetro do eléctrodo para baixo a placa de base.
5. Corte um triângulo entre cada par de tubos completamente através da placa de base, e no lado externo seguindo o diagrama guiando a moldar locais de saída dos leads. Remover todo o material de silicone que foi isolada a partir do corpo do eléctrodo durante os últimos passos.

9. Expor contatos e camadas de blindagem

1. Cortar janelas através da S2 camada de silicone que cobre a camada de blindagem. Deslizar a sutura em filamentos de polipropileno entre a base eléctrodo (camada S1) e a T1 camada transparente sobre a placa de base para deslaminar do eléctrodo braçadeira acabada.
2. Virar o eletrodo de tal forma que os contatos centro e da S1 camada de silicone estão voltados para cima, em seguida, expô-los por cortar janelas através da camada S1 base de silicone. Repita o procedimento para os contatos de referência exteriores expondo 1 mm segmentos de largura ao longo do centro da cONTATOS. Assegure-se que a estabilização por meio de furos de passagem nos lados dos contactos de referência são totalmente incorporado dentro do corpo do eléctrodo.

10. solda um conector para as ligações

1. Depósito substância solda sobre as ligações e sobre os pinos connecter separadamente e, em seguida, calor e fundir as duas partes em conjunto com ferro de solda.
   Nota: Os cabos DFT consistem de núcleo de prata cercado por uma camada externa feita fora do níquel-cobalto MP35N liga de base. Depositando a substância de solda sobre esses fios requer o uso de fluxo de especialidade para permitir aderindo ao fio (consulte a Lista de Materiais).

Resultados

Gravação actividade neuronal foi realizada com um pré-amplificador personalizada usando amplificador super-β instrumentação de entrada (700 Hz - largura de banda de 7 kHz e ganho total de 2,000). Um exemplo do eléctrodo FINA fabricado com o protocolo apresentado é mostrado na Figura 3. A implantação do finas em torno do nervo por sutura é feito os dois bordos livres em conjunto. Uma demonstração da flexibilidade da bainha (Figura 3B) indica que a braçadeira achata o nervo, mantendo a fl...

Discussão

O método de fabrico descrito no artigo exige grande destreza e movimentos finos, a fim de garantir a qualidade do manguito final. Os contatos de gravação deve ser colocado precisamente no meio dos dois eletrodos de referência. Esta colocação tem sido mostrado para reduzir significativamente a partir de interferências circundante músculos actividade eléctrica ^27. Qualquer desequilíbrio na posição relativa do contacto durante a fabricação pode degradar a rejeição de sinais de modo a interferir comuns gerados fo...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Folha de Platina-Irídio	Alfa Aesar	41802	90% Platina Irídio
Fios DFT	Fort Wayne Metals	35N LT-DFT-28%Ag
Conector de chumbo	Omnetics Connector Corporation	MCS-27-SS
Folha de silicone	Fabricante de silicone especializado	0.005" x 12" x 12" Folha de silicone	Alta dureza
Folha de poliéter éter cetona (PEEK)	Peek-Optima	0,005 folha LT3 grau
poliéster malha estabilizadora	Malha	cirúrgica PETKM2002
tubulação de silício (0,04 "ID 0,085" OD)	Silcon Medical / Indústrias NewAge.
Camada de blindagem externa	Alfa Aesar, A Johnson Matthey	MFCD00003436 (11391)	Folha de ouro, 0,004" de espessura
Folha de transparência	APOLLO	APOCG7060
Limpador de banho ultrassônico	Terra Universal	2603-00A-220
Forno de laboratório padrão Isotemp	Microscópio óptico Fisher Scientific	13247637G
	Pinça Fisher Scientific	15-000-101
	Technik	18049USA (2A-SA)
Cabos de lâmina cirúrgica	Aspen Surgical Products	371031
Base frame	McMaster-Carr	9785K411
Viga de suporte	McMaster-Carr	9524K359
Duas partes de silicone	Nusil	MED 4765
Fluxo de solda	SRA Produtos de solda	FLS71
Fita	3M Healthcare	1535-0 (SKUMMM15350H)	Papel, fita cirúrgica hipoalergênica
Máquina de solda a ponto	Unitek	125 Fonte de alimentação com plataforma de
	Universal Laser Systems	PLS6.150D	150 watts de laser