JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Yetişkin Sıçanda Kompozit Rejeneratif Periferik Sinir Arabiriminin (C-RPNI) Imalatı

Published: February 25, 2020
doi:
10.3791/60841
, , ,
1Department of Surgery, Division of Plastic Surgery,University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Biomedical Engineering,University of Michigan, Ann Arbor

Summary

Aşağıdaki el yazması kompozit rejeneratif periferik sinir arayüzü (C-RPNI) olarak adlandırdığı biyolojik, kapalı döngü nöral geri bildirim sistemi geliştirmek için yeni bir yöntem açıklar. Bu yapı aynı anda afferent duyusal geribildirim sağlarken efferent motor sinyalleri yükseltmek için periferik sinirler ile entegre yeteneğine sahiptir.

Abstract

Nöroprotezlerde son gelişmeler ekstremite kaybı ile yaşayanların ekstremite dışında yerli birçok fonksiyon üretmek için etkin, ve bu genellikle periferik sinir sistemi ile entegrasyon yoluyla gerçekleştirilir. Ne yazık ki, şu anda kullanılan yöntemler genellikle uzun süreli kullanımı önler önemli doku hasarı ile ilişkilidir. Ayrıca, karmaşık yapısı kullanıcının daha basit protezler kullanırken daha önce bağımlı olabileceği titreşimleri veya diğer duyumları nemlendirdiğinde, bu cihazlar genellikle anlamlı derecede duyusal geri bildirimden yoksundur. Kompozit rejeneratif periferik sinir arayüzü (C-RPNI) eşzamanlı afferent duyusal geribildirim sağlarken efferent motor sinir sinyalleri yükseltmek için yeteneği ile istikrarlı, biyolojik yapı olarak geliştirilmiştir. C-RPNI serbest dermal ve kas grefti bir hedef karışık sensorimotor sinir etrafında güvenli bir segment oluşur, kas grefti tercihli motor sinir reinnervasyonu ve dermal greft duyusal sinir reinnervasyonu ile. Sıçanlarda, bu yapı bileşik kas eylem potansiyelleri nesil göstermiştir (CMAPs), mikro dan mili-volt düzeyinde hedef sinirin sinyal yükselterek, gürültü oranları yaklaşık 30-50 ortalama sinyal ile. Yapının dermal bileşeninin uyarılması proksimal sinirde bileşik duyusal sinir eylem potansiyelleri (CSNAPs) oluşturur. Bu nedenle, bu yapı ideal, sezgisel protez gerçekleştirilmesi doğru gelecek yarar umut verici vardır.

Introduction

Ekstremite amputasyonları yaklaşık 1 190 Amerikalılar1etkiler, ve onların yaygınlığı 1.6 milyon bugün den 3.6 milyon 20502. Bin yılı aşkın süredir belgelenmiş kullanıma rağmen, ideal protez henüz gerçekleştirilmemiştir3. Şu anda, yerli ekstremite birçok motor fonksiyonlarını çoğaltmak için potansiyeli ile birden fazla eklem manipülasyonları yeteneğine sahip karmaşık protezler var4,5. Ancak, istenilen protez hareketi genellikle işlevsel olarak giriş kontrol sinyalinden ayrı olduğundan, bu cihazlar sezgisel olarak kabul edilmez. Kullanıcılar genellikle bu “gelişmiş protezler” öğrenmek zor ve bu nedenle günlük kullanım için uygun değildüşünün 1,6. Ayrıca, şu anda piyasada olan karmaşık protezler yeterli kontrol için kayda değer bir düzeyde ince duyusal geri bildirim sağlamaz. Dokunma ve propriosepsiyon duygusu günlük görevleri yürütmek için hayati önem taşımaktadır, ve bu olmadan, bu olmadan, bir fincankahve almak gibi basit eylemler tamamen görsel ipuçları 7,8,9tamamen dayanıyor gibi külfetli hale gelir . Bu nedenlerden dolayı, ileri protezler zihinsel yorgunluk önemli bir derecesi ile ilişkili ve genellikle külfetli ve tatmin ediciolaraktarif edilir 5,10,11. Bu sorunu gidermek için, bazı araştırma laboratuvarları doğrudannöral etkileşim12, 13,14,15ile duyusal geribildirim sınırlı bir derece sağlama yeteneğine sahip protezgeliştirdik, ancak geribildirim genellikle el ve parmaklar üzerinde küçük, dağınık alanlar ile sınırlıdır12,13, ve duyumlar zaman zaman ağrılı ve doğal olmayan olduğu belirtilmiştir15. Bu çalışmaların çoğu ne yazık ki herhangi bir kayda değer uzun vadeli takip ve sinir histolojisi yerel doku etkilerini belirtmek için eksikliği, ay hafta ölçeğinde arayüz arızası dikkat çekerken16.

Bu popülasyon için ideal protez cihaz, yaşamları boyunca bireyin ortamından anlamlı somatosensoriyel geri bildirimin yanı sıra yüksek sadakatli motor kontrolü sağlayacaktır. İdeal protezin tasarımı için kritik önem, efferent motor sinyalleri ile afferent somatosensoriyel bilgilerin eşzamanlı iletimine olanak sağlayacak istikrarlı ve güvenilir bir arayüz geliştirilmesidir. Mevcut insan-makine arayüzleri en umut verici olanlar doğrudan periferik sinir sistemi ile etkileşim, ve nöro-entegre protez alanında son gelişmeler biyoelektrik ve mekanik sinyaller arasındaki boşluğu köprü doğru çalıştık17. Kullanılan mevcut arayüzler şunlardır: esnek sinir plakaları14,15,18, ekstra nöral manşet elektrotlar13,19,20,21,22,23, doku delici elektrotlar24,25,31,32, ve intrafasiküler elektrotlar26,27 ,28. Ancak, bu yöntemlerin her biri sinir özgüllüğü ile ilgili sınırlamalar göstermiştir, doku yaralanması, aksonal dejenerasyon, miyelin tükenmesi, ve / veya kronik indwelling yabancı cisim yanıtı ile ilişkili skar dokusu oluşumu16,17,18,19. Daha yakın zamanda, nihai implante elektrot yetmezliği arkasında bir sürücü elektronik malzeme ve yerli nöral doku arasında Young moduli önemli bir fark olduğu ileri itilmiştir. Beyin dokusu günlük bazda önemli mikromotion tabi tutulur, ve bu genç moduli farklılıklar tarafından indüklenen kesme stresi inflamasyon ve nihai kalıcı yara izi neden olduğu olduğu olduğu ortaya çıkmıştır30,31,32. Bu etki genellikle ekstremitelerde bileşiktir, periferik sinirler hem fizyolojik mikrohareket ve kasıtlı ekstremite makromotion tabi nerede. Bu sürekli hareket nedeniyle, tamamen abiyotik periferik sinir arayüzü kullanımı ideal olmadığı sonucuna makul, ve biyolojik bir bileşeni ile bir arayüz daha uygun olacaktır.

Bir biyolojik bileşen için bu ihtiyacı gidermek için, bizim laboratuvar bir protez cihazı ile bir kalıntı ekstremite transeksif periferik sinirlerentegre etmek için Rejeneratif Periferik Sinir Arabirimi (RPNI) olarak adlandıran bir biyotik sinir arayüzü geliştirdi. RPNI imalatı cerrahi sonradan revaskülarize ve reinnervates bir otolog serbest kas grefti içine bir periferik sinir implante içerir. Bizim laboratuvar son on yıl içinde bu biyolojik sinir arayüzü geliştirdi, yükseltilmesi ve motor sinyalleri ileten başarı ile zaman hem hayvan hem de insan denemelerinde implante elektrotlar ile kombine, özgürlük birden fazla derece ile uygun protez kontrolü için izin2,34. Buna ek olarak, dermal greftler gömülü periferik sinirlerin kullanımı yoluyla ayrı ayrı duyusal geribildirim göstermiştir, Dermal Duyusal Arayüzü olarak adlandırılır (DSI)3,35. Daha fazla distal amputasyonlarda, bu yapıların aynı anda kullanılması, hedef periferik sinir içindeki motor ve duyusal fasiküllerin cerrahi olarak ayrılabilmesi açısından mümkündür. Ancak, daha proksimal düzeyde ampütasyonlar için, bu motor ve duyusal liflerin iç içe nedeniyle mümkün değildir. Kompozit Rejeneratif Periferik Sinir Arabirimi (C-RPNI) daha proksimal amputasyonlar için geliştirilmiştir ve dermal greft inbir segmentine güvenli serbest kas grefti oluşan bir yapı içine karışık bir sensorimotor sinir implante içerir (Şekil 1). Periferik sinirler tercihli hedefli reinnervasyon göstermek, böylece duyusal lifler dermal greft ve motor lifleri yeniden innerve edecek, kas grefti. Bu yapı böylece aynı anda somatosensory geribildirim sağlarken motor sinyalleri yükseltmek için yeteneğine sahiptir36 (Şekil 2), ideal, sezgisel, karmaşık protez gerçekleştirilmesi için izin.

Protocol

Tüm hayvan deneyleri Michigan Üniversitesi Hayvanların Kullanımı ve Bakımı Komitesi’nin onayı altında gerçekleştirilir. NOT: Donör sıçanlara cilt ve kas bağışı işlemleri öncesinde yiyecek ve suya ücretsiz erişim izni verilir. Ötenazi derin anestezi altında yapılır ve ardından kardiyak intra-potasyum klorür enjeksiyonu bilateral pnömotoraksın ikincil bir yöntemi ile yapılır. Sıçan herhangi bir suşu teorik olarak bu deney ile kullanılabilir; ancak, laboratuva…

Representative Results

Sıçanlarda enfeksiyon gelişirse veya cerrahi anesteziden sağ çıkamazlarsa imalat başarısız olarak kabul edilir. Önceki araştırmalar bu yapılar revaskülarize ve reinnervate2,3,17,36yaklaşık üç ay gerektirir göstermiştir . Üç aylık kurtarma döneminden sonra, canlılığı incelemek için yapı testi izlenebilir. Üç ay sonra yapıların ce…

Discussion

C-RPNI afferent duyusal geribildirim sağlanması ile bir hedef sinirin motor efferent sinyalleri eşzamanlı amplifikasyon sağlayan yeni bir yapıdır. Özellikle, C-RPNI onların motor ve duyusal fasiküller kolayca mekanik cerrahi sırasında ayrılamaz gibi proksimal amputasyonları ile yaşayanlar için benzersiz bir yarar vardır. Bunun yerine, C-RPNI nöromüsküler kavşaklar için dermal duyusal son organları ve motor lifleri duyusal lif reinnervasyon teşvik etmek için sinir kendisi doğal tercihli reinnerva…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar uzman teknik yardım için Jana Moon teşekkür etmek istiyorum. Bu yazıda sunulan çalışmalar SK’ya R21 (R21NS104584) hibesi ile finanse edilmiştir.

Materials

#15 Scalpel Aspen Surgical, Inc Ref 371115 Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
4-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 1654G P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 687G P-3 Reverse Cutting Needle
6-0 Ethilon Suture Ethicon SKU# 697G P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture)
8-0 Monofilament Suture AROSurgical T06A08N14-13 Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats Envigo F344-NH-sd Rats are Fischer F344 Strain
Fluriso (Isofluorane) VetOne 13985-528-40 Inhalational Anesthetic
Micro Motor High Speed Drill with Stone Master Mechanic Model 151369 Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones
Oxygen Cryogenic Gases UN1072 Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride APP Pharmaceuticals 63323-965-20 Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP MediChoice 65517-0009-1 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment Dechra 17033-211-38 Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen) Zoetis, Inc. NADA# 141-199 Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope Leica Model M60 User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments Fine Science Tools Various User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment MediChoice 39892-0830-2 Ointment comes in sterile, disposable packets
VaporStick 3 Surgivet V7015 Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep Coviden Ref 6818 Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Biddiss, E. A., Chau, T. T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
  2. Kung, T. A., et al. Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
  3. Larson, J. V., et al. Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).
  4. Hijjawi, J. B., et al. Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).
  5. Pylatiuk, C., Schulz, S., Döderlein, L. Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users. Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).
  6. Baghmanli, Z., et al. Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).
  7. Dhillon, G. S., Horch, K. W. Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).
  8. Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinos, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
  9. O’Doherty, J., et al. Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature. 479, 228-231 (2011).
  10. Stein, R. B., Walley, M. Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).
  11. Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses. Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).
  12. Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).
  13. Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).
  14. Stieglitz, T., et al. On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).
  15. Petrini, F. M., et al. Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).
  16. Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).
  17. Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).
  18. Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
  19. Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
  20. Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control. Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).
  21. Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up. Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).
  22. Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons. Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).
  23. Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment. Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).
  24. Micera, S., Navarro, X. Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system. International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).
  25. Urbanchek, M. G., et al. Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function. Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).
  26. Yoshida, K., Horch, K. Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).
  27. Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes. Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).
  28. Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits. Microsurgery. 23, 268-273 (2003).
  29. del Valle, J., Navarro, X. Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).
  30. Stiller, A. M., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
  31. Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
  32. Yang, X., et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials. 18, 510-517 (2019).
  33. Irwin, Z. T., et al. Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).
  34. Kubiak, C. A., et al. Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).
  35. Sando, I. C., et al. Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).
  36. Kubiak, C. A., et al. Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI). Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).
  37. Kubiak, C. A., et al. Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).
  38. Woo, S. L., et al. Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control. Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).
  39. Sporel-Özakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).
  40. Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).

Tags

Composite Regenerative Peripheral Nerve InterfaceC-RPNIMotor Nerve Signal AmplificationAfferent Sensory Nerve StimulationBiologic Peripheral Nerve InterfaceProsthetic DeviceAmputationsNeuroprothestic DevicesSensory FeedbackSkin GraftPlantar SurfaceDermisMicro Motor High-speed DrillPolishing StoneScalpelMicroscissors

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Svientek, S. R., Ursu, D. C., Cederna, P. S., Kemp, S. W. P. Fabrication of the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) in the Adult Rat. J. Vis. Exp. (156), e60841, doi:10.3791/60841 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image