Summary
מאמר זה מספק תיאור מפורט על תהליך הייצור של אלקטרודה עצב ממשק שטוח קשר בצפיפות גבוהה (FINE). אלקטרודה זה ממוטב עבור הקלטת מגרת פעילות עצבית באופן סלקטיבי בתוך עצבים היקפיים.
Abstract
ניסיונות רבים נעשו כדי לייצר אלקטרודות שרוול עצב רב-מגע כי הם בטוחים, חזקים ואמינים ליישומי neuroprosthetic לטווח ארוך. פרוטוקול זה מתאר טכניקת ייצור של אלקטרודה שרוול עצבה גלילי שונה כדי לעמוד בקריטריונים האלה. עיצוב וייצור מינימום בעזרת מחשב (CAD ו- CAM) מיומנויות נחוצות כדי לייצר אזיקים עקביים עם דיוק גבוה (מיקום מגע 0.51 ± 0.04 מ"מ) וגדל שרוול שונים. הדיוק בהפצת המגעים מרחבית ויכל לשמור על גיאומטריה מוגדרת מראש מושלמת עם העיצוב הזה הוא שני קריטריונים חיוניים כדי לייעל את הממשק של השרוול להקלטת גירוי סלקטיבי. העיצוב הציג גם מגביר את הגמישות בכיוון האורך תוך שמירה קשיחות מספיק בכיוון הרוחבי כדי לעצב מחדש את העצבים על ידי שימוש בחומרים עם גמישויות שונות. הרחבת החתך של השרוולאזור כתוצאה להגביר את הלחץ בתוך השרוול נצפה להיות 25% ב 67 מ"מ כספי. בדיקה זו מדגימה את הגמישות של השרוול ואת תגובתה עצב נפיחות-שתל פוסט. היציבות של אנשי הקשר 'איכות ממשק ההקלטה נבדקה גם עם אנשי קשר' עכבת אות לרעש מדדי יחס מתוך שרוול מושתל כרוני (7.5 חודשים), וצופה להיות 2.55 ± 0.25 קילו-אוהם ו 5.10 ± 0.81 dB בהתאמה.
Introduction
התממשקות עם מערכת העצבים ההיקפית (PNS) מספקת גישה לאותות עצביים פקודת פערים מעובדים כשהם נוסעים למבנים שונים בתוך הגוף. אותות אלה מופקים על ידי אקסונים ותחומת fascicles ומוקף תאי perineurium-מפרקים בחוזקה. סדר הגודל של הפוטנציאלים למדידת הנובעות הפעילויות העצביות מושפע העכבה של השכבות השונות בתוך העצב כגון שכבת perineurium resistive ביותר המקיפה את fascicles. כתוצאה מכך, שתי גישות ממשק נחקרו בהתאם למיקום ההקלטה ביחס לשכבת perineurium, כלומר גישות intrafascicular ו extrafascicular. גישות אינטרה-fascicular למקם את האלקטרודות בתוך fascicles. דוגמאות של גישות אלה הן במערך היוטה 17, אלקטרודה האורך Intra-fascicular (LIFE) 18, ואת אלקטרודה רבה הרוחבית תוך fascicular (TIME) 32. Tטכניקות hese יכול להקליט באופן סלקטיבי מן העצב אבל לא הוכחו לשמור על פונקציונליות באופן מהימן עבור תקופות זמן ארוכות in vivo, סביר בשל גודלו ואת הציות של האלקטרודה 12.
גישות Extra-fascicular למקם את המגעים סביב העצב. האלקטרודות השרוול בשימוש בגישות אלה לא מתפשרים על perineurium ולא epineurium הוכחו להיות הן אמצעי בטוח ויציב של ההקלטה ממערכת העצבים ההיקפית 12. עם זאת, גישות חוץ fascicular חסרות את היכולת למדוד את הפעילות יחידה אחת - לעומת עיצובי תוך fascicular. יישומי Neuroprosthetic לנצל אלקטרודות שרוול עצבות כוללים הפעלה של הגפה התחתונה, שלפוחית שתן, סרעפת, לטיפול בכאב כרוני, בלוק של הולכה עצבית, משוב תחושתי, ו electroneurograms הקלטת 1. יישומים אפשריים לנצל התממשקות עצבים היקפיים כוללים מנוחהאורינג תנועה לנפגעי שיתוק עם גירוי חשמלי פונקציונלי, הקלטת פעילות הנוירון מוטורית מעצבים שיורית לשלוט תותבות גפיים מופעלות קטועי גפיים, התממשקות עם מערכת העצבים האוטונומית לספק תרופות ביו-האלקטרונית 20.
יישום עיצוב של האלקטרודה השרוול הוא האלקטרודה העצב שטוח הממשק (FINE) 21. עיצוב זה מעצב מחדש את העצב לתוך קטע שטוח צלב עם היקף גדול יותר לעומת צורה עגולה. היתרונות של העיצוב הזה גדלו מספר אנשי קשר שניתן להציב על העצב, ואת הקרבה של המגעים עם fascicles הפנימי החלפת הסדר להקלטת גירוי סלקטיבי. יתר על כן, עצבי גפיים עליונים ותחתונים בחיות גדולות אדם יכולים ללבוש צורות שונות ואת העיצוב מחדש שנוצר על ידי הקנס לא לעוות את הגיאומטריה הטבעית של העצב. ניסויים שנעשו לאחרונה הראו כי FINE מסוגלת להשיב תחושה הגפה העליונה 16 ותנועת שחזור של הגפה התחתונה 22 עם גירוי חשמלי פונקציונלי בבני אדם.
המבנה הבסיסי של אלקטרודה שרוול מורכב צבת מגעי מתכת כמה על פני השטח של קטע עצב, ולאחר מכן בידוד המגעים הללו יחד עם קטע העצב בתוך שרוול מוליך. כדי להשיג המבנה הבסיסי הזה, כמה עיצובים הוצעו במחקרים קודמים כוללים:
(1) קשר מתכת מוטבע לתוך רשת דקרון. הרשת עטופה אז סביב העצב ואת צורת שרוול וכתוצאה כדלקמן הגיאומטריה העצבה 4, 5.
(2) עיצובי פיצול צילינדרים המשתמשים צילינדרים מראש בצורה נוקשות שאינם מוליכים לתקן את המגעים סביב העצב. מגזר העצב שמקבל שרוול זה עצב מחדש לתוך הגיאומטריה הפנימית של השרוול 6 - 8.
= "jove_content"> (3) עצמי התפתלות עיצובים אם במגעים מוקפים בין שתי שכבות בידוד. השכבה הפנימית התמזגה תוך נמתח עם שכבה בלתי נמתח חיצונית. עם אורכי מנוחה טבעית שונים עבור שתי ההשכבות המלוכדות גורם המבנה הסופי כדי ליצור ספירלה גמישה כי כרוך את עצמו סביב העצב. החומר משמש שכבות אלה בדרך כלל תוכל polyimide פוליאתילן 9 10, ו גומי סיליקון 1.
(4) מגזרים מבודדים של החוטים להוביל העומדים כנגד החוצפה לשמש המגעים האלקטרודה. מוביל אלה ארוגים או לתוך צינורות סיליקון 11 או יצוק בבלונים סיליקון קיננו 12. עיקרון דומה שמש לבנות קנסות על ידי סידור פיוזינג וולט גבוה ונמוך כדי ליצור מערך, ולאחר מכן פתח את חומר הבידוד נעשה על ידי הפשטת קטע קטן עד אמצע החוטים התחברו אלה 13. תחת עיצובים אלוume חתך עצב עגול להתאים הזאת הניח גיאומטריה עצבה.
(5) גמיש polyimide מבוסס אלקטרודות 33 עם אנשי הקשר נוצר על ידי micromachining מבנה polyimide, ולאחר מכן להשתלב יריעות סיליקון נמתח כדי ליצור וחפתים התפתלות עצמית. עיצוב זה גם הנחה של חתך עצב עגול.
אלקטרודות קאף צריכות להיות גמישות עצמי אומד על מנת למנוע מתיחות דחיסת העצב שיכול לגרום עצב ניזק 3. בחלק מהמנגנונים הידועים שבאמצעותו אלקטרודות שרוול יכולות לגרום תופעות אלה הם השידור של כוחות משרירים סמוכים השרוול ומכאן אל העצב, חוסר התאמה בין השרוול של התכונות המכאניות של העצב, והמתח המופרז המוביל של השרוול. בעיות בטיחות אלו מובילים קבוצה מסוימת של אילוצי תכנון על גמישות מכנית, תצורה גיאומטרית, וגודל 1. קריטריונים אלה הם בעיקר challenging במקרה של קנס ספירת קשר גבוה בגלל השרוול חייב להיות באותו הנוקשה הזמן בכיוון הרוחבי כדי לעצב מחדש את העצב וגמיש בכיוון האורך כדי למנוע ניזק וכן אדיב קשר מרובה. עצמי אומד עיצובי ספירלה יכול להכיל מספר אנשי קשר לאזוק 14, אבל השרוול המתקבל הוא מעט נוקשה. עיצוב polyimide גמיש יכול להכיל מספר גבוה של אנשי קשר אבל נוטה delamination. עיצוב מערך חוט 13 מייצר קנס של חתך שטוח, אך על מנת לשמור על גיאומטריה זה החוטים הם התמזגו יחד לאורכו של השרוול לייצר פרצופים נוקשים קצוות חדים עושים אז מתאים שתלים לטווח ארוכים.
טכניקת הייצור המתוארת במאמר זה מייצרת קנס צפיפות קשר גבוה עם מבנה גמיש שניתן בעבודת יד עם דיוק גבוה באופן עקבי. היא משתמשת פולימר נוקשה (קיטון אתר polyether (פיק)) כדי לאפשר p המדויקlacement של המגעים. מגזר הצצה שומר חתך שטוח במרכז האלקטרודה תוך שמירה גמישה בכיוון האורך לאורך העצב. עיצוב זה גם מקטין את עובי וקשיחות הכולל של השרוול היות והגוף אלקטרודה לא חייב להיות נוקשה על מנת לשטח את העצב או לאבטח את המגעים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת רכיבי אלקטרודה
- לאסוף ארבעה מרכיבים אלקטרודה הדורשים דיוק לחתוך (בחיתוך לייזר שימש, עיין רשימת חומרים) לפני תהליך הייצור. רכיבים אלה הנם (איור 1):
מגעים מסגרת מערך: מסגרת זו נעשית מתוך 125 מיקרומטר קטון האתר polyether עבה (פיק) וכו. זה מכסה את כל הרוחב של השרוול ומחזיק המגעים הבינוניים יש קצוות מתפתלים בצורה (איור 1B). המגעים באמצע עטופי ערוצי המדריך; ומכאן הרוחב החשוף של הקשר הוא מוגבל על ידי הרוחב של הערוצים ואת המרווח נקבע על פי המרווח בין הערוצים.
המגעים באמצע רצועות: המגעים באמצע נוצרות על ידי לפפה רצועות אלה מסביב למסגרת הקשר מערך (איור 1B). חותכים את רצועות מתוך גיליון אירידיום פלטינום / 10% לרוחב של ערוצי המנחה ולהוסיף אורך נוסף כדי לאפשר להם bדואר מקופל מלא מסביב למסגרת. ספוט-לרתך של עופרת הקשר בזווית 0 ° עם הציר המרכזי של הרצועה.
מגעי ההפניה: ארבעה אזכור נדרש. הממד הארוך של קשרים אלה הוא מעט קצר יותר מאשר רוחב השרוול להכיל אותם במלואם בתוך השרוול. ספוט לרתך כל איש קשר התייחסות ליתרון בזווית 90º עם הציר המרכזי של איש הקשר.
מפרידי הצצה: מרווחים המשמשים ליצירת אזור דק על האלקטרודה לאפשר כיפוף וסגירה (תרשים 1C). כל המפרידים עשויים צצה (חומר אחר יכול לשמש) וחותכים באורך של האלקטרודה. רוחבו של השטח באמצע הוא שווה לגובה של האלקטרודה.
2. מגעי מערך הכנה
- נקה את הרכיבים עשו בשלב 1 על ידי sonication באתנול במשך 2 דקות ב 40 קילוהרץ ו בטמפרטורת חדר, ואז 2 דקות במי deionized מזוקקים באותם הפרמטרים sonication. תן יבש.
- ראייה לבדוק אתקשר לכל הפגמים כמו שאריות בחיתוך לייזר או דפורמציות משטח.
- מקם את האנשים קשר בזה אחר תחת מיקרוסקופ עם נקודת הריתוך פונה כלפי מעלה. החזק את הקשר עם פינצטה על כ 1/3 של התחלה אורך מן הקצה החופשי. לרומם את ההובלה לזווית 45 מעלות תוך כדי לחיצה על קשר כדי להפוך את העיקול הראשון.
- מניח את הקשר מראש כפוף מתחת למסגרת המערך עם לרתך פונה כלפי מעלה. החזק את המסגרת למטה עם פינצטה ולרומם את ההובלה לזווית 45 מעלות כדי לעשות עיקול שני. תוך המשך מחזיק את המסגרת למטה, לתפוס את הקצה החופשי של המגע עם פינצטה ומעוקל בזווית 180 מעלות (לקפל לעבר הקו באמצע המסגרת).
- יישר ומשוך קשר לכיוון מפעיל ולאחר מכן לכופף 180 מעלות זווית (לקפל את הקו האמצעי). נקודת ריתוך הנקודה צריכה עכשיו להיות מוקפת בין שני הקצוות המכופפים.
- חזור על שלבים 2.3 - 2.5 עבור המגעים הנותרים. הפוך חזק ככל האפשר. החלף את contact מוביל בכל צד של מסגרת המערך.
3. מדריך פריסת קאף
- צור דיאגרמה 2D של השרוול במצב פתוח שטוח.
הערה: השתמש בכל תוכנות CAD לייצר דיאגרמה בקנה מידה נכונה. בתרשים זה יקבע את הממדים של האלקטרודה והאתר והשמת הרכיבים אלקטרודה השונים. - הדפס בתרשים 2D על נייר הדפסה רגיל בקנה מידה באמצעות מכונת דפוס רגילה, ולאחר מכן לגזור 5 סנטימטרים אחרי חתיכה מרובעת 5 סנטימטרים עם הציור הממוקם במרכז.
- לגזור 5 ס"מ על 5 ס"מ חתיכת ריבוע של הגיליון שקיפות תרמית (T1) עם אזמל.
- מניח את T1 שקיפות החתיכה על גבי נייר הדיאגרמה, ולאחר מכן מקם את שני השכבות על צלחת הבסיס עם בתרשים הפונה כלפי מעלה. סרט למטה אותם לצלחת בסיס עם דבק.
4. מיקום מגעי Layer והפנית אלקטרודה Base
- לגזור 5 ס"מ על גיליון סיליקון 5 ס"מ עם אזמל (S1), ואת הen ומניח אותו על שכבת השקיפות. התחל על ידי הטלה בפינה אחת ואז לאט לאט להוריד את שאר הגיליון להימנע השמנת בועות אוויר בין T1 ויריעות S1 (איור 2 א).
- מערבבים כ -2 גרם של סיליקון דפוקה עפ"י הוראות על גליון הנתונים של היצרן. בקפדנות מערבבים שני החלקים יחד עם מקל בחישה מעץ מעוקרים. מניחים את התערובת בתא ואקום במשך 3 דקות. מחזור הוואקום לחסל את הבועות כפי שהם עולים אל פני השטח. מחממים את התנור isotemp ב 130 ºC.
הערה: כפפות לאטקס יכולות לעכב את תהליך הריפוי של סיליקון. כפפות לאטקס גם המכילות גופרית אשר יכול לעזוב מזהמים על משטחי העבודה. באמצעות כפפות ניטריל במקום מומלץ. - באמצעות כלי בחירת השיניים, להחיל קו דק של סיליקון דפוקה לאורך אמצע מגזרי spacer היכן הם ממוקמים בתרשים המנחה.
- מניח את המפרידים על האזורים המיועדים, ולאחר מכן לחץ כלפי מטה אותם נגד S1 גיליון סיליקון.
- חלקית לרפא את הסיליקון בתנור isotemp למשך 30 דקות, ולתת לו להתקרר במשך 10 דקות.
- מניחים את הקשר התייחסות אל באזורים המיועדים לכך. ודא נקודות לרתך פונה כלפי מעלה מוביל קשר מנותבים לכיוון קו האמצע של השרוול כדי לצאת בקצה המרוחק. לאחר הבטחת מיקום נכון, לחץ על אנשי הקשר מטה אל S1 שכבת סיליקון. סיליקון דפוק הפקדה לתוך החורים דרך.
- סרט למטה מוביל ולאחר מכן מלא לרפא את סיליקון ב 130 מעלות צלזיוס למשך 90 דקות, או למשך הלילה בטמפרטורת החדר (איור 2 ב).
מיקום Array מגעים מרכז 5.
- לגזור 1.5 ס"מ על פיסת שקיפות 5 ס"מ עם אזמל (T2). סרט למטה ההתייחסות מובילה הרחק באזור האמצעי כדי למנוע מהם פועלים מתחת מערך הקשרים במהלך לשלב הבא.
- מניח את מערכי קשר למיקום הייעודי עם הצד המוביל הפונה כלפי מעלה. להפקיד סיליקון דפוק טקטיקת המערךמקום.
- מניח את הפיסה מ -5.1 (T2) על פני קו האמצע של האלקטרודה על המערכים להחזיק אותם, ולאחר מכן קלט את הקצוות תוך לחיצה קלה על המערכים. ידני ליישר את המערך עם העמדה הייעודית. סרט למטה המוביל מחוץ למתחם של השרוול.
- מניחים את בר אביזר קטן החוצה את מרכז האלקטרודה מעל T2 קטע שקיפות. הצמד אותו אל צלחת הבסיס עם לחץ מתון ללחוץ על הקשר באמצע נגד S1 שכבת סיליקון בסיס.
- לגמרי לרפא את סיליקון עבור 90 דקות ב 130 מעלות צלזיוס, או לילה ב RT.
6. הטבעת רכיבי אלקטרודה
- הסר את סרגל האבזר הקטן בעדינות להסיר את T2 הגיליון השקוף לחשוף את מערכי קשר באמצע. הסר את כל הקלטות שמחזיקות את הפניות הן פניות קשר באמצע (איור 2 ג).
- חותכי חתיכה מרובעת של גיליון השקיפות עם אזמל לאותו הרוחבאלקטרודה ו -5 ס"מ אורך (T3), ולאחר מכן לחתוך חתיכה מרובע של גיליון סיליקון כדי לכסות את פני האלקטרודה כולו (S2).
- הנח את גיליון סיליקון (S2) על גבי פיסת שקיפות (T3) ולמתוח אותו כדי להסיר כל גלי או סדרים לחסל בועות אוויר מלהיות לכוד בין.
- חותכים ארבע חתיכות של צינורות סיליקון; 5 ס"מ כל אחד. מניחים אותם באתר היציאה של מוביל כפי שהוקצו בתרשים המנחה. השאר מקום 2 מ"מ בין הקצה האלקטרודה ואת הקצוות 'הצינורות. תוך לחיצה רצופה על כל זוג צינורות עם פינצטה, קלטת לטמיון החל מ 1 מ"מ מקצה הצינור. חזור על הזוג השני.
- מסדרי מוביל המגעים באמצע והאסמכתאות בצרורות, ולאחר מכן להעביר אותם דרך הצינור המתאים ליד אתרי היציאה. חזור על הפעולה עבור שלושת צינורות אחרים. (איור 2 ד).
- להפקיד כמות נדיבה של סיליקון דפוקה על גוף אלקטרודה כולו.
הערה: הימנע ויצרir בועות במהלך שלב זה על ידי אחד לאט מזיגת סיליקון דפוקה ממיכל ערבוב שאב או הזרקת אותו עם מזרק. - מניח את המבנה מ -6.3 על גבי סיליקון הדפוקה שהופקדה עם סדין סיליקון S2 פונה כלפי מטה. יישר את T3 שקיפות החתיכה עם אלקטרודה תוך שמירה על גיליון סיליקון S2 דבקה בו.
- סרט במורד T3 שקיפות הפיסה ולאחר מכן להפעיל לחץ כדי לתעל את כל בועות אוויר שנלכדו. מניחים את בר מתקן גדול החוצה את מרכז האלקטרודה על T3 קטע שקיפות. ואז לצבוט אותו לצלחת בסיס עם לחץ מתון. לגמרי לרפא את סיליקון עבור 90 דקות ב 130 מעלות צלזיוס, או לילה ב RT.
7. מיקום שכבת סיכוך (מומלץ חפתים הקלטה)
- הסר את סרגל אבזר הגדול delaminate יצירת השקיפות (T3) עם פינצטה. הנח את דף מיגון במרכז כל פני האלקטרודה ולהחיל t לחץ קלo ללחוץ אותם לתוך האלקטרודה. סיליקון דפוק הפקדה לתוך החורים דרך.
- חלקית לרפא את הסיליקון במשך 30 דקות ב 130 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן לתת לו להתקרר לחלוטין לטמפרטורת החדר. מניחים נייר דבק על הקצוות החיצוניים של האלקטרודה על מסגרת הסגירה כדי למנוע הוספת סיליקון דפוקה תוספת למגזרים אלה.
- חזור על שלבים 6.6 דרך 6.8.
8. חותכים את אלקטרודה הסיום
- לקלף ולחתוך את סיליקון העודף על גבי נייר הדבק הוסיף בשלב 7.2 באמצעות להב סכין מנתחים, ואז להסיר בזהירות את הנייר הדבק.
- לגזור חלונות באמצעות סיליקון לחשוף המגזרים spacer דרך שכבת S2. חלץ את פלחי spacer מוטבע עם פינצטה. צעד זה ישאיר חללים ויוצר גיליון יחיד סיליקון גמיש על האזורים אלה (במקור S1).
- לקלף את סיליקון העודף על גבי הקלטות הדבקות שמכסות את צינורות סיליקון, ולאחר מכן לחתוך אותו עם האזמל דפדףדואר כדי לפלס את הצינורות עם הגוף האלקטרודה.
- חותכים מסביב האלקטרודה אל צלחת הבסיס.
- לגזור משולש בין כל זוג צינורות לחלוטין באמצעות צלחת הבסיס, ובצד החיצוני הבא בתרשים המנחה לעצב באתרי היציאה 'המובילות. הסר כל חומר סיליקון שהיה מנותק מהגוף אלקטרודה במהלך הצעדים האחרונים.
9. חשיפת יצירת קשר שכבות מגן
- לגזור חלונות דרך S2 שכבת סיליקון המכסה את שכבת מיגון. Glide נימת תפר פוליפרופילן בין בסיס אלקטרודה (S1 שכבה) ואת T1 שכבה השקוף על צלחת בסיס delaminate האלקטרודה השרוול המוגמרת.
- תהפוך את האלקטרודה כזה כי מגעי מרכז S1 שכבת סיליקון נמצאים פונים כלפי מעלה, ולאחר מכן לחשוף אותם על ידי חיתוך חלונות באמצעות S1 שכבת סיליקון הבסיס. חזור על מגעי ההתייחסות החיצוניים חשיפת 1 מ"מ מגזרים רחבים לאורך במרכז גאנשי קשר. ודא כי ייצוב דרך חורים בצדי המגעים למספרי מוטבעים מלאים בתוך הגוף של האלקטרודה.
10. הלחמה הוספת מחבר אל הובלות
- חומר הלחמת פיקדון על המוביל על סיכות connecter בנפרד, ולאחר מכן חום פתיל שני החלקים יחד עם מלחם.
הערה: החוטים להוביל DFT מורכבים ליבת כסף המוקפת שכבה חיצונית עשויה של MP35N סגסוגת בסיס ניקל-קובלט. הפקדת חומר ההלחמה על חוטים אלה מחייבת שימוש שטף מיוחד כדי לאפשר שמירה על החוט (עיין רשימת החומרים).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הקלטת פעילות עצבית בוצע עם מגבר-מראש אישית באמצעות מגבר מכשור קלט סופר-β (700 רץ - רוחב פס 7 קילוהרץ ורווח כולל של 2,000). דוגמא של האלקטרודה FINE מפוברקת עם הפרוטוקול המובא מוצגת באיור 3. השתלת הקנס סביב העצב נעשה על ידי תפירת שני קצוות בחינם יחד. הפגנה של גמישות של השרוול (איור 3B) עולה כי השרוול משטחת את העצבים תוך שמירה על גמישות בכיוון האורך.
בנוסף לגמישות השרוול בכיוון האורך, השרוול צריך להיות גם אלסטי כדי להתאים נפיחות עצבות, במיוחד על הריפוי מוקדם שלבי השתלה פוסט. לחץ גבוה בתוך השרוול יכול להצר כלי דם לחסום את זרימת הדם בתוך העצב. כתוצאה מכך, הלחץ שנוצר בתוך השרוול כתוצאה נפיחות העצב לא יעלה על diastolic לחץ דם. איור 4 מציג את התגובה של השרוול התאסף כדי רמות לחץ שונות בתוך השרוול. ככל שעולה לחץ, האלקטרודה מתרחב כדי ליצור אזור חתך גדול. בשעה 67 מ"מ כספית; האלקטרודה מתרחב ל -1.25 פעמים באזור החתך המקורי. תצפית זו יכולה להתפרש כאילו גודל השרוול הוא לפחות פי 1.2 באזור החתך הראשוני של העצב, העצב ניתן להרחיב עד 1.5 שטח החתך הראשוני שלה בעוד הגידול וכתוצאה מכך הלחץ בתוך השרוול נשאר תחת 67 מ"מ כספית . לכן עיצוב קריטריון 15, 30, 31 עבור אלקטרודה שרוול חוצפה להפגין יחס שטח שרוול אל עצב צלב המודולרית של לפחות 1.5 הוא מרוצה.
הפונקציונלי והיציבות של עיצוב השרוול המיוצר נבדקות על ידי השתלת אותו על עצב השת של כלב (איור 5). המחקר אושר על ידי CWRU IACUCnd ACURO. שלושה פרמטרים נמדדו מעת לעת דרך תקופת השתל הכרונית: 1) יחס אות לרעש (SNR), 2) עכבת הקשר ו -3) את מספר אנשי קשר המספק הקלטת קיימא. ה- SNR מוגדר כיחס בין פעילות עצבית מתכוון כוח (קטע אדום) על ההספק הממוצע של פעילות מחקר (קטע צהוב). 100 ms נע החלון היה בשימוש. לאורך כל תקופת שתל 7.5 חודשים, ה- SNR נותר יציב עם ערך של 5.10 ± 0.81 dB (איור 5).
סדר הגודל של "עכבת הקשר נמדד in vivo kHz 1 ו מוצג באיור 5 ג. מדידות אלה נעשו באמצעות מערכת הערכת מגבר RHD2000-Series. העכבה נצפתה להיות יציב עם ערך ממוצע של 2.55 ± 0.25 קילו-אוהם (33 ניסויים, 16 אנשי קשר (N = 528)). לבסוף, מספר אנשי הקשר כי חדל לפעול לאורך הזמן גם מוצג באיור 5 ג. מספר הפעיליםהקשר נשאר תחת 2 למשך השתל. התנודות במספר ערוצי נשלל נבעה ברובה בחיבור גרוע בין המחברים החיצוניים ואת המגבר ותפקוד שהעלו במהלך ההקלטות.
איור 1: סקירה כללית של הקנס ומרכיביה) FINE במצב הפתוח ואת מרכיבי בניין הארבעה חברות הדורשים דיוק לחתוך.. רכיבים אלה הינם: מגעים מסגרת מערך (I), רצועות קשרים באמצע (II), המגעים הפניה (III), מפרידי הצצה (IV). השרוול הוא פונה כלפי מטה ביחס מיקום המגעים מול העצב. המפרידים (IV) יוסרו לאחר ההרכבה. ב) תצוגה מורחבת של המגעים במרכז והצעדים לקפל ולתקן אותם מסביב למסגרת באמצע. C) מקופל תצורה של t הוא האלקטרודה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2:... צילומי מסך של אלקטרודה במהלך תהליך הייצור א) התרשים המנחה, T1 ו- S1 ערימות בסוף בשלב 4.1 B) הרכבת מגזרי spacer ואנשי קשר למספרים בסוף השלב 4.7 C) דבקות במרכז מערך קשרים לגיליון S1 בסוף שלב 6.1. D) סידור מוביל צינור סיליקון לפני הטמעתם בתוך הגוף אלקטרודה בסוף שלב 6.5. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: עצב קאף אלקטרודה כמתואר בפרוטוקול. א) מפוברק 16 -contacts FINE במצב פתוח. הלידים מסודרים לארבע חבילות של 5 מוביל לכל אתר היציאה. B) דוגמה של המיקום של השרוול סביב העצב הסכיאטי הכלב. המגזר באמצע הקנס נותר ללא שינוי בכיוון הרוחבי, וגוף השרוול הוא גמיש בכיוון האורך. ג) תצלום של פוסט מורטם עצב מושתל מראה את חתך שטוח ההסדר של fascicles לאחר השתלת אלקטרודה FINE עבור 12 שבועות. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
תאנהיור 4: תגובת FINE כדי הגדלת לחץ פנימי מדידות אלו נעשו על ידי הצבת תא אלסטי מתנפח בתוך שרוול סגור, ולאחר מכן הלחץ הוגדל בהדרגה על ידי עמודת מים משתנית -length.. הצירים הראשיים ומשניות של החתך של השרוול נמדדו בכל רמת לחץ וכן חתך אליפטי הונח על מנת לחשב את שטח החתך (n = 20). הברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן.
איור 5: הערכת קאף פונקציונלי עם הקלטה כרונית של פעילות עצב משית ב כלבי א) דוגמא שתי שניות של אות ENG גלם נרשמה קשר אחד בעוד חית ההליכה מרצון על הליכון.. SNR הוגדר כיחס בין פעילות וסמכויות בסיס ממוצעות. B) ערכי SNR הממוצעים נצפו דuring משך השתל. C) Mean ערך של עכבת קשר kHz 1 (שחור) מספר אנשי קשר שאינו פונקציונלי לאורך זמן (אדום). 14 של 16 קשרים נשארים פונקציונליים לכל אורך השתל. הברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שיטת הייצור המתוארת במאמר זה, יש תנועות זריזות גלם על מנת להבטיח את האיכות של השרוול הסופי. מגעי ההקלטה יש להציב בדיוק באמצע של שתי אלקטרודות ההתייחסות. מיקום זה הוכח להפחית הפרעות באופן משמעותי סביב שרירי פעילות חשמלית 27. כל חוסר איזון את המיקום היחסי של הקשר במהלך הייצור יכול לבזות את דחיית הפרעה של אותות במצב משותפים שנוצרו מחוץ השרוול. עם זאת, עם טכניקה זהירה מעט מאוד שום חוסר איזון בולט במגעי ההתייחסות נצפה.
מספר שיפורים נעשו לעיצוב השרוול להתייחס מצבי הכשל נתקלו במהלך ניסויים בחיות ראשוניים. מצבים אלה ואת השיפורים המקבילים הם:
שבירה יצוקה: המוביל של אנשי קשר למספרים נצפו להיכשל בנקודת הריתוך. failu זהמחדש יוחסה הקלה זן לא מספקת של האתר שבו להוביל יוצא האלקטרודה. בעיה זו נפתרה על ידי כולל אורך של מוביל התייחסות בתוך גוף אלקטרודה לפני היציאה.
סגירת כשל באתר: פתיחת שרוול לאחר שתל נצפתה מיוחס חיתוך התפר דרך סיליקון. בעיה זו נפתרה על ידי הוספת רשת חיזוק ושימוש חומר תפר רך כמו משי לתפור את השרוול.
חפצי Motion: חפצים ספונטניים גדולים (> 100 מייקריו-וולט) נתקלו עם העיצוב הראשון של אזיקי ההקלטה. ממצאים דומים דווחו בעבר 23 אבל שלא טופלו. ממצאים אלו נמצאו להיות רעש triboelectric והיו לייחס לעובדה כי שני חומרים המוליכים השונים יכולים ליצור תשלום לאורך הקוצים להוביל ומתח הקשורים לתנועת החוטים להוביל. בפרט, סיליקון tuובינג המקיף את מוביל המגע ו 'חומר הבידוד (polytetrafluoroethylene) יש זיקות תשלום שונות, מה שגורם העברת מטען ביניהם לבין לתוך המוביל' מוביל קוצים ויוצרים ליבה מוליכה במהלך התנועה של העופרת. התיקוף של הטבע של חפצים אלה נעשה על ידי בשחזור התנועה של מבנה כבל דומה נתיב מלח רגיל וממצאים דומים נצפו. כדי לפתור בעיה זו, חומר הבידוד חייב להיות זיקת תשלום דומה לזה של חומר צינורות התוחם.
סיכוך אלקטרודה: שכבת מיגון (רדיד מתכת זהב) נוסף גם על פניהם החיצוניים של השרוול לספק הפחתת EMG נוספת 28. הרדיד יוצר נתיב נמוך עכבה לאורך גוף אלקטרודה שמטפס זרמי הפרעות שמקורן מחוץ השרוול.
כשל בחיבור: היה נראה כי הקשר transcutaneous דרך העורהיה לא אמין וגרם רציפים עם עד 2 של 16 קשר (עלילה אדומה באיור 5C). לכן, החיבור למכשיר ההקלטה צריך להשתפר כדי לשפר את אמינות הממשק הכללית.
האלקטרודות מיוצרים עם פרוטוקול זה כבר מושתלים אצל כלבים. חלק מהחומרים הכלולים אלקטרודה זו (למשל, פח הלחמה, גיליון שקיפות) טרם אושר לשימוש בבני אדם. עם זאת, הבחירה של החומרים היוצרים את המבנה של האלקטרודה כלולים בחלק FDA אישר התקנים עבור שתלים לטווח ארוך (למשל, סיליקון, להציץ, גיליון פלטינום / אירידיום). לפיכך, תרגום בתהליך ליישום אדם רק דורש בחירה זהירה של חומרים נוסעים, ואת הייצור בתנאי חדר נקיים נכונים.
שלוש גישות חלופיות ראשיות נחקרו לייצר אלקטרודות שרוול העצב של ריבוי שיכול לעצב מחדש peripheעצבי RAL. הראשונה היא הטכניקה חם סכין 13. זה הוכח להיות גישה חסכונית לייצר קנסות באופן מהימן עם צפיפות קשר גבוהה ודיוק מיקום קשר גבוה (238 ± 9 מיקרומטר מרווח קשר). עם זאת, את האזיקים המיוצר על ידי שיטה זו הם נוקשים תכונות מכניות הכוללת אולי לא מתאים להשתלה לטווח ארוך. הגישה השנייה היא דפוסי ליזר 24. Nd: YAG לייזר שימשו כדי ליצור את הקשר על ידי יצירת דפוסים PDMS-גמגם פלטינה רב שכבתית. למרות שגישה זו היא מאוד לשחזור התשואה גבוהה תכונות דיוק (30 מיקרומטר), המנגנון הנדרש הוא מאוד מיוחד ואת biocompatibility לטווח הארוכה של האלקטרודות עוד לא נחקרה. הגישה השלישית היא מערך קשרים בעבודת יד עשוי דיסקי פלטינה או כדורים המקובעים סיליקון גומי 25, 26.
גישה זו אינה דורשת ציוד ושימושים יקריםחומרים ביולוגיים מאוד. החסרונות העיקריים של גישה זו הם הסובלנות הגבוהה (> 0.5 מ"מ) ואת התלות הגבוהה טעות אנושה. הליך הייצור המתוארת פרוטוקול זה מניב מיקום מדויק של הקשר הוא מאוד לשחזור בשל הגיאומטריה המוגדרת מראש של המסגרת הקבועה. המרווח בין המגעים באמצע נמדד ב 0.51 ± 0.04 מ"מ (n = 70), ואת הממדים של הקשר נקבעים על ידי הסובלנות של מכונות חיתוך הליזר.
הקנסות מיוצרים עם הליך זה מסוגלים עם האלגוריתם המתאים כדי לזהות את המיקום של fascicles בתוך העצב לשחזר את אותות fascicular בחיות נע בחופשיות ללא כלוב פאראדיי ועם יחס אות לרעש של 5.10 ± 0.81 dB. עיצוב זה מתאים גירוי עצב ויכול לשמש גירוי סלקטיבי באמצעות תצורת השרוול tripolar עם חפצים מינימליים 29. טכניקת ייצור זו יש גם אתגמישות לייצר מגוון רחב של חפת עבור יישומים מסוימים כגון גירוי monopolar והקלטת מהירות עצב.
ניתן ליישם עיצוב monopolar ידי הסרת ארבעת מגעי ההתייחסות תוך שמירה על קשר המרכז. השרוול וכתוצאה מכך אז יכול להיות קצר באורך וניתן שופר עוד יותר על ידי ניתוב כל מוביל היציאה בצד אחד (זוג שפופרת סיליקון אחד במקום שתיים). אלקטרודה ההקלטה המהירות יכולה להיות מיושמת על ידי החלפת אלקטרודות התייחסות עם ארבע מסגרות מערך קשר נוספות ולאחר מכן ההסדרה המובילה של אנשי קשר נוספים בתוך גוף אלקטרודה כלפי אתר היציאה ההפוך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים. הספקים הרשומים בכתב היד הזה מיועדים לצורך עיון בלבד.
Acknowledgments
עבודה זו מומנה על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדם הביטחון (DARPA) MTO בחסות ד"ר ג'ק ג'ודי וד"ר דאג ובר דרך מרכז מערכות לוחמה בחלל וחיל הים, פסיפיק גרנט / חוזה No.N66001-12-C-4173 . ברצוננו להודות תומאס אגרס על עזרתו בתהליך ייצור, ורונלד Triolo, מתיו Schiefer, Lee פישר ומקס Freeburg על תרומתם בפיתוח העיצוב השרוול עצב מרוכבים.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Platinum-Iridium foil | Alfa Aesar | 41802 | 90% Platinum Iridium |
| DFT wires | Fort Wayne Metals | 35N LT-DFT-28%Ag | |
| Lead connector | Omnetics Connector Corporation | MCS-27-SS | |
| Silicone sheet | Speciality Silicon Fabricator | 0.005" x 12" x 12" Silicone Sheet | High durometer, vulcanized |
| Polyether ether ketone (PEEK) sheet | Peek-Optima | 0.005 sheet LT3 grade | |
| polyester stabelizing mesh | Surgicalmesh | PETKM2002 | |
| Silicon tubing (0.04" I.D. 0.085" O.D.) | Silcon Medical/NewAge Industries. | 2810458 | |
| Outer shielding layer | Alfa Aesar, A Johnson Matthey | MFCD00003436 (11391) | Gold foil, 0.004" thick |
| Transparency sheet | APOLLO | APOCG7060 | |
| Ultrasonic bath cleaner | Terra Universal | 2603-00A-220 | |
| Isotemp standard lab oven | Fisher Scientific | 13247637G | |
| Optical microscope | Fisher Scientific | 15-000-101 | |
| Tweezers | Technik | 18049USA (2A-SA) | |
| Surgical blade handles | Aspen Surgical Products | 371031 | |
| Base frame | McMaster-Carr | 9785K411 | |
| Support beam | McMaster-Carr | 9524K359 | |
| Two parts silicone | Nusil | MED 4765 | |
| Soldering Flux | SRA Soldering Products | FLS71 | |
| Tape | 3M Healthcare | 1535-0 (SKUMMM15350H) | Paper, hypoallergenic surgical tape |
| Spot welding machine | Unitek | 125 Power Supply with 101F Welding Head | |
| Laser cutting platform | Universal Laser Systems | PLS6.150D | 150 watts laser |
References
- Naples, G. G., et al. A spiral nerve cuff electrode for peripheral nerve stimulation. Biomed Eng, IEEE Tran. 10, 905-916 (1988).
- Tyler, D. J., Durand, D. M. Functionally selective peripheral nerve stimulation with a flat interface nerve electrode. Neur Sys Rehab Eng., IEEE Trans. 10, 294-303 (2002).
- Navarro, X., et al. A critical review of interfaces with the peripheral nervous system for the control of neuroprostheses and hybrid bionic systems. J Perip Ner Sys. 10, 229-258 (2005).
- Avery, R. E., Wepsic, J. S. Implantable nerve stimulation electrode. U.S. Patent. , 3,774,618 (1973).
- Avery, R. E., Wepsic, J. S. Implantable electrodes for the stimulation of the sciatic nerve. U.S. Patent. , 3,738,368 (1973).
- Hagfors, N. R. Implantable electrode. U.S. Patent. , 3,654,933 (1972).
- Haugland, M. A flexible method for fabrication of nerve cuff electrodes. Eng Med Bio Soc. 1, 359-360 (1996).
- Stein, R. B., et al. Stable long-term recordings from cat peripheral nerves. Brain Res. 128, 21-38 (1977).
- Julien, C., Rossignol, S. Electroneurographic recordings with polymer cuff electrodes in paralyzed cats. J N Sci Meth. 5, 267-272 (1982).
- Van der Puije, P. D., Shelley, R., Loeb, G. E. A self-spiraling thin-film nerve cuff electrode. Can Med Bio Eng Conf. , 186-187 (1993).
- Hoffer, J. A., Loeb, G. E., Pratt, C. A. Single unit conduction velocities from averaged nerve cuff electrode recording in freely moving cats. J N Sci Meth. 4, 211-225 (1981).
- Loeb, G. E., Peck, R. A. Cuff electrodes for chronic stimulation and recording of peripheral nerve activity. J N Sci Meth. 64, 95-103 (1996).
- Wodlinger, B. Extracting Command Signals from Peripheral Nerve Recordings. , Case Western Reserve University. Ph.D. Thesis (2011).
- Rozman, J., Zorko, B., Bunc, M. Selective recording of electroneurograms from the sciatic nerve of a dog with multi-electrode spiral cuffs. Jap J Phy. 50, 509-514 (2000).
- Ducker, T. B., Hayes, G. J. Experimental improvements in the use of elastic cuff for peripheral nerve repair. J N Sur. 28, 582-587 (1968).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. S T Med. 6, (2014).
- Branner, A., et al. Long-term stimulation and recording with a penetrating microelectrode array in cat sciatic nerve. Bio Med Eng, IEEE Trans. 1, 146-157 (2004).
- Micera, S., et al. Decoding information from neural signals recorded using intraneural electrodes: toward the development of a neurocontrolled hand prosthesis. P IEEE. 98, 407-417 (2010).
- Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. N Mat. 11, 1065-1073 (2012).
- Sinha, G. Charged by GSK investment, battery of electroceuticals advance. Nat Med. 19, 654-654 (2013).
- Tyler, D. J., Durand, D. M. Chronic response of the rat sciatic nerve to the flat interface nerve electrode. A Biom Eng. 31, 633-642 (2003).
- Schiefer, M. A., et al. Selective stimulation of the human femoral nerve with a flat interface nerve electrode. J N Eng. 7, 026006 (2010).
- Edell, D. J. A peripheral nerve information transducer for amputees: long-term multichannel recordings from rabbit peripheral nerves. Bio med Eng, IEEE Trans. 2, 203-214 (1986).
- Schuettler, M., et al. Fabrication of implantable microelectrode arrays by laser cutting of silicone rubber and platinum foil. J N Eng. 2, 121 (2005).
- Pudenz, R. H., Bullara, L. A., Talalla, A. Electrical stimulation of the brain. I. Electrodes and electrode arrays. S Neur. 4, 37-42 (1975).
- Craggs, M. D. The cortical control of limb prostheses. , U of Lon. PhD Thesis 21-27 (1974).
- Struijk, J. J., Thomsen, M. Tripolar nerve cuff recording: stimulus artifact, EMG and the recorded nerve signal. Eng in Med Bio Soc. 2, 1105-1106 (1995).
- Sadeghlo, B., Yoo, P. B. Enhanced electrode design for peripheral nerve recording. N Eng, Int IEEE/EMBS Conf. , 1453-1456 (2013).
- Yoo, P. B., Sahin, M., Durand, D. M. Selective stimulation of the canine hypoglossal nerve using a multi-contact cuff electrode. Ann Bio Med Eng. 32, 511-519 (2004).
- Rydevik, B., Lundborg, G., Bagge, U. Effects of graded compression on intraneural blood flow: An in vivo study on rabbit tibial nerve. J hand Surg. 6, 3-12 (1981).
- Ogata, K., Naito, M. Blood flow of peripheral nerve effects of dissection, stretching and compression. J Hand Sur. 11, 10-14 (1986).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Bio Sen and Bio Elec. 26, 62-69 (2010).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Meyer, J. U., Micromachined, polyimide-based devices for flexible neural interfaces. Bio Med Micro Dev. 2, 283-294 (2000).
