Fabricação de alta Contact densidade, eletrodos nervosas Plano de Interface para gravação e estimulação Applications
4 de outubro de 2016
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.
O objetivo geral deste protocolo é fabricar eletrodos de manguito de interface plana para uso em aplicações de interface neural. O uso de eletrodos de manguito de interface plana pode ajudar a resolver problemas no campo das neuropróteses, como registrar a intenção de mover um membro dos nervos. Mesmo que os eletrodos de manguito tenham características submilimétricas, eles ainda podem ser feitos à mão de forma confiável.
E o design é flexível. Ele pode ser facilmente personalizado para muitos aplicativos de interface neural diferentes. Comece com um software CAD para produzir um diagrama de escala real do eletrodo.
Este diagrama determinará as dimensões do eletrodo e os locais de colocação dos vários componentes do eletrodo. Da mesma forma, crie um arquivo CAD adicional dos contatos e componentes do eletrodo, para que sejam produzidos usando máquinas de corte a laser. Na preparação, coloque os contatos centrais sob o microscópio e cole-os ao cabo usando um soldador por pontos.
Mantenha pressionado o contato para fazer uma dobra inicial em um ângulo de aproximadamente 45 graus e, em seguida, dobre-o ao redor da estrutura do contato. Alterne os cabos de contato em cada lado da estrutura da matriz. Em seguida, coloque uma folha de transparência sobre o diagrama guia e cole-a na placa de base.
Agora, para iniciar a construção, corte um pedaço quadrado de cinco cm de uma folha de silicone de cinco mil de espessura. Coloque-o na placa de base sem prender bolhas de ar. Em seguida, prepare dois gramas de silício não curado e desgaseifice em uma câmara de vácuo por três minutos.
Solte e reaplique o vácuo periodicamente para que o ar preso possa escapar. Agora, aplique uma linha fina de silício não curado nos locais dos segmentos espaçadores de acordo com o guia. Em seguida, cole os componentes espaçadores preparados em suas regiões designadas, pressionando-os na folha de silicone.
Agora, coloque o silício em um forno isotemp pré-aquecido a 130 graus Celsius por 30 minutos, seguido de resfriamento por 10 minutos. Agora, coloque os contatos de referência em seus locais designados, com os pontos de solda para cima e os cabos de contato roteados em direção à linha média do manguito para sair na extremidade oposta. Depois de garantir o posicionamento correto, pressione os contatos para baixo na camada de silício e deposite o silício não curado nos orifícios passantes.
Em seguida, prenda temporariamente os eletrodos com fita adesiva e cure o silício a 130 graus Celsius por 90 minutos ou durante a noite em temperatura ambiente. Depois que os contatos de referência estiverem protegidos com silício, use a mesma técnica para conectar a matriz de contatos central. É importante ressaltar que os contatos centrais devem ser colocados com precisão para obter uma gravação de alta qualidade.
O roteamento adequado dos leads para os locais de saída designados também é crítico. Corte uma folha de transparência de um cm por cinco cm e use-a para cobrir as matrizes de contato central. Em seguida, prenda-o na placa de base.
Coloque a pequena barra de fixação no centro do eletrodo e prenda-a na placa de base para prender os contatos do meio no lugar enquanto o silício cura. Depois de curado, remova a pequena barra de fixação. Em seguida, remova toda a fita que prende os fios para as referências e contatos de metal e remova cuidadosamente a folha transparente para expor as matrizes de contato de metal.
Agora, corte um pedaço quadrado de transparência que tenha a mesma largura do eletrodo e tenha cinco cm de comprimento. Em seguida, corte um pedaço quadrado de folha de silicone que possa cobrir toda a superfície do eletrodo. Agora, coloque esse silicone sobre o pedaço de transparência e estique-o para remover quaisquer irregularidades e evitar que bolhas de ar fiquem presas.
Em seguida, corte quatro pedaços de tubo de silicone, cada um com cinco cm de comprimento, e coloque-os nos locais de saída seguindo o diagrama. Deixe um espaço de dois mm entre a borda do eletrodo e o tubo. Enquanto segura cada par de tubos com uma pinça, prenda os tubos com fita adesiva começando a um mm de distância da extremidade do tubo.
Agora, organize os leads dos contatos intermediários e as referências em pacotes. Em seguida, passe-os pelo tubo correspondente próximo aos locais de saída. Faça isso para todos os tubos.
Em seguida, a partir de um recipiente de mistura a vácuo ou de uma seringa, deposite lentamente uma quantidade generosa de silício não curado em todo o corpo do eletrodo. Agora, coloque a estrutura de silício e transparência no silício não curado. Alinhe a peça de transparência com o eletrodo, mantendo a folha de silicone aderida a ela.
Em seguida, prenda a transparência com fita adesiva e aplique uma leve pressão para remover quaisquer bolhas de ar presas. Por fim, coloque a barra de fixação grande no centro do eletrodo e sobre o segmento de transparência. Em seguida, prenda-o à placa de base com pressão moderada e cure totalmente o silício.
Para adicionar uma camada de blindagem, remova a barra de fixação grande e remova a peça de transparência com uma pinça. Em seguida, coloque a folha de blindagem no centro de cada face do eletrodo e pressione-a suavemente no eletrodo. Em seguida, deposite um pouco de silício não curado nos orifícios e cure-o parcialmente por 30 minutos a 130 graus Celsius.
Depois de resfriado à temperatura ambiente, coloque fita adesiva sobre as extremidades externas do eletrodo e sobre os flanges de fechamento para manter o silício fora desses segmentos. Em seguida, repita o processo de adicionar uma camada de silício para cobrir todo o corpo do eletrodo. Em seguida, coloque folhas de silicone e transparência sobre o eletrodo e, em seguida, prenda-as com uma grande barra de fixação e cure o silício.
Após a cura, para concluir o processo, remova o excesso de silício e a fita. Em seguida, corte as janelas através do silício para expor os segmentos espaçadores e use uma pinça para remover os segmentos espaçadores. Em seguida, sob um microscópio, remova a fita e o silicone sobre os tubos até que estejam nivelados com o corpo do eletrodo.
Em seguida, corte cuidadosamente ao redor do perímetro do eletrodo até a placa de base. Agora, tomando cuidado para não danificar o eletrodo, siga o diagrama guia para moldar os locais de saída do eletrodo. Corte um triângulo entre cada par de tubos que passa completamente pelas camadas do eletrodo e para o lado externo.
Agora, corte as janelas no silício que cobre a camada de blindagem. Em seguida, deslize a sutura de polipropileno entre a base do eletrodo e a camada transparente adjacente e use-a para delaminar o eletrodo do balonete quase acabado. Por fim, corte as janelas do silício para expor os contatos centrais e os contatos de referência.
O eletrodo FINE fabricado foi usado para registrar a atividade do nervo ciático em um cão por mais de 7,5 meses. Um pré-amplificador personalizado e um amplificador de instrumentação de entrada super-beta foram implementados. O eletrodo foi implantado ao redor do nervo suturando as duas bordas livres.
O manguito achata o nervo, mantendo a flexibilidade na direção longitudinal. A resposta do eletrodo ao aumento dos níveis de pressão dentro do balonete foi medida. No nível de pressão diastólica de 67 mm de mercúrio, o balonete foi expandido para 1,25 sua área de seção transversal inicial.
Essa expansão pode ser empregada para compensar o inchaço do nervo após o procedimento de implante. Vários parâmetros foram medidos periodicamente durante a duração crônica do implante. O sinal para ruído permaneceu estável durante todos os 7,5 meses.
A impedância de contato, medida em 1 kHz, também permaneceu estável. Finalmente, nunca houve mais de dois contatos inativos que ocorreram devido a más conexões na pele do animal. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fabricar eletrodos nervosos multicanais semelhantes e ser capaz de ajustar o design para atender aos requisitos de sua aplicação final.
O uso desses eletrodos abriu caminho para pesquisadores no campo da neuroprótese registrarem sinais voluntários dos nervos.
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Visão Geral
Este artigo fornece uma descrição detalhada do processo de fabricação de um eletrodo de nervo de interface plana de alta densidade de contato (FINE). Este eletrodo é otimizado para gravar e estimular a atividade neural seletivamente dentro de nervos periféricos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neuropróteses
- Interfaces neurais
- Design de eletrodos
Fundo
- Eletrodos de manguito de interface plana podem ajudar a resolver problemas em neuropróteses.
- Eles são projetados para gravar a intenção de mover um membro a partir dos nervos.
- Esses eletrodos têm características submilimétricas.
- O design é flexível e personalizável para várias aplicações.
Propósito do Estudo
- Fabricar eletrodos de manguito de interface plana para aplicações de interface neural.
- Melhorar a gravação e estimulação da atividade neural.
- Fornecer um método confiável para criar esses eletrodos à mão.
Métodos Utilizados
- Utilização de software CAD para produzir diagramas em escala real dos eletrodos.
- Técnicas de fabricação manual para produção confiável de eletrodos.
- Personalização de designs para diferentes aplicações de interface neural.
- Otimização das características dos eletrodos para melhorar o desempenho.
Principais Resultados
- Fabricação bem-sucedida de eletrodos de nervo de interface plana de alta densidade de contato.
- Demonstração da eficácia dos eletrodos na gravação e estimulação neural.
- Validação do processo de fabricação manual para características submilimétricas.
- Flexibilidade no design permite várias aplicações em neuropróteses.
Conclusões
- Os eletrodos fabricados mostram promessa para melhorar a tecnologia de interface neural.
- A fabricação manual é um método viável para criar designs complexos de eletrodos.
- Pesquisas adicionais podem expandir as aplicações desses eletrodos em neurociência.
Perguntas Frequentes
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.
