Fabrication van High-Density Contact, Flatscreen-Interface Nerve Elektroden voor het opnemen en Stimulatie Applications

Interfacing met het perifere zenuwstelsel (PNS) geeft toegang tot zeer bewerkte neurale commandosignalen als zij naar verschillende structuren in het lichaam. Deze signalen worden gegenereerd door axonen opgesloten binnen bundels en wordt omringd door strak verbonden perineurium cellen. De grootte van de meetbare potentialen verkregen uit de neurale activiteiten beïnvloed door de impedantie van de verschillende lagen in de zenuw zoals hoogohmig perineurium laag die de bundels omringt. Bijgevolg werden twee interface-benaderingen onderzocht, afhankelijk van de opnamelocatie opzichte van het perineurium laag, namelijk intrafascicular en extrafascicular benaderingen. Intra-fasciculair benaderingen plaats de elektroden in de bundels. Voorbeelden van deze aanpak zijn de Utah-array ^17, de Longitudinal Intra-fasciculair elektrode (LIFE) ^18, en de dwarse intra-fasciculair meerkanaals elektrode (TIME) ^32. Teze technieken selectief opnemen van de zenuw, maar is niet aangetoond betrouwbaar behouden functionaliteit voor langere tijd in vivo, waarschijnlijk als gevolg van de grootte en de naleving van de elektrode ^12.

Extra-fasciculair benaderingen plaats de contacten rond de zenuw. De manchet elektrodes voor deze benaderingen niet de perineurium noch de epineurium beschadigen en is aangetoond dat zowel een veilige en robuuste manier van opnemen van het perifere zenuwstelsel ¹² zijn. Echter, extra-fasciculair benaderingen missen de mogelijkheid om enkele eenheid activiteit te meten – in vergelijking met intra-fasciculair ontwerpen. Neuroprosthetic toepassingen zenuw cuff elektroden gebruiken omvatten activering van de onderste extremiteiten, de blaas, het membraan, behandeling van chronische pijn, blok neurale geleiding, sensorische feedback en opnamemedia electroneurograms ^1. Mogelijke toepassingen te gebruiken perifere zenuw interfacing omvatten rustoring beweging aan de slachtoffers van verlamming met functionele elektrische stimulatie, het opnemen van motor neuron activiteit van de resterende zenuwen naar aangedreven ledematen prothesen beheersen geamputeerden, en interfacing met het autonome zenuwstelsel om bio-elektronische geneesmiddelen ²⁰ leveren.

Een ontwerp uitvoering van de cuff elektrode is de vaste-interface zenuw elektrode (FINE) ^21. Dit ontwerp hervormt de zenuw in een flat-dwarsdoorsnede met grotere omtrek ten opzichte van een ronde vorm. De voordelen van dit ontwerp zijn toegenomen aantal contacten die op de zenuw kan worden geplaatst, en de nabijheid van de contacten met de herschikte interne bundels voor selectieve opname en stimulatie. Bovendien kunnen de bovenste en onderste extremiteit zenuwen in grote dieren en de mens verschillende vormen aannemen en de herstructurering die door de FINE niet de natuurlijke geometrie van de zenuw te vervalsen. Recente studies hebben aangetoond dat FINE is in staat herstellen van het gevoel inde bovenste extremiteit ¹⁶ en herstel beweging in de onderste extremiteit ²² functionele elektrische stimulatie in mensen.

De basisstructuur van een manchetelektrode erin bestaat verscheidene metalen contacten op het oppervlak van een zenuw segment, en deze contactgebieden met de zenuw segment binnen een geleidende manchet. Om dit basisstructuur te bereiken, zijn verschillende modellen voorgesteld in eerdere studies, waaronder:

(1) Metalen contacten ingebed in een Dacron mesh. Het gaas wordt vervolgens rond de zenuw en de daaruit voortvloeiende manchet vorm volgt de zenuw geometrie ^{4, 5.}

(2) Split-cilinder ontwerpen die voorgevormde rigide en niet-geleidende cilinders gebruiken om de contacten rond de zenuw te repareren. De zenuw segment dat dit manchet ontvangt wordt omgevormd tot de manchet interne geometrie ^6-8.

(4) Ongeïsoleerde segmenten van de draden geplaatst tegen het lef om te dienen als de elektrode contacten. Deze kabels zijn ofwel verweven in silicone ¹¹ of gegoten in silicone genesteld cilinders ^12. Een soortgelijk principe werd gebruikt om boetes te bouwen door het organiseren en het fuseren van geïsoleerde draden om een array te vormen, en vervolgens een opening door de isolatie wordt gemaakt door het strippen van een klein segment door het midden van deze gevoegde draden ^13. Deze ontwerpen assume een ronde zenuw doorsnede en voldoen aan deze veronderstelde zenuw geometrie.

(5) Flexibele polyimide gebaseerde elektroden ³³ met contacten gevormd door micromachining polyimide structuur, en vervolgens integreren in uitgerekt silicone sheets om zichzelf te wikkelen manchetten te vormen. Dit ontwerp veronderstelt ook een ronde zenuw doorsnede.

Cuff elektroden moeten flexibel en zelf-sizing om te voorkomen strekken en comprimeren van de zenuw die zenuwbeschadiging ³ kunnen veroorzaken. Enkele bekende mechanismen waarmee manchet elektroden deze effecten kunnen induceren de krachtoverbrenging van aangrenzende spieren de manchet en dus aan de zenuw, mismatch tussen de manchet en mechanische eigenschappen zenuw en de onnodige spanning in leidt de manchet. Deze veiligheidsproblemen leiden tot een specifieke set van design beperkingen op de mechanische flexibiliteit, geometrische configuratie en grootte ^1. Deze criteria zijn met name challenging bij een hoge contact telling FINE omdat de manchet moet tegelijkertijd stijf in de transversale richting van de zenuw en flexibel hervormen in de lengterichting om schade te voorkomen en meegaand meerdere contacten. Self-sizing spiraal ontwerpen is geschikt voor meerdere contactpersonen manchet ^14, maar de resulterende manchet is een beetje stijf. Flexibel polyimide ontwerp is geschikt voor een groot aantal contacten, maar zijn gevoelig voor delaminatie. De draad-array ontwerp ¹³ produceert een fijne met platte doorsnede, maar om deze geometrie de draden aan elkaar langs de lengte van de manchet produceren stijve gezichten en scherpe randen maken dan niet geschikt voor de lange termijn implantaten gefuseerd behouden.

De fabricagetechniek hier beschreven levert een hoge dichtheid FINE contact met flexibele structuur die kan worden gemaakt met de hand met constant hoge precisie. Het maakt gebruik van een stijf polymeer (polyether ether ketone (PEEK)) precieze p toestaanlacement van de contacten. De PEEK segment onderhoudt een vlakke doorsnede in het midden van de elektrode blijft soepel in de lengterichting langs de zenuw. Dit ontwerp vermindert het de totale dikte en stijfheid van de manchet omdat de elektrode lichaam niet starre om de zenuw plat of bewerkstelligen dat contacten.