Fabrikasjon av High Kontakt-Density, Flatskjerm-Interface Nerve Elektroder for innspilling og stimulering Applications

Grensesnitt med det perifere nervesystemet (PNS) gir tilgang til høyt-behandlede nevrale kommandosignaler som de reise til forskjellige strukturer i kroppen. Disse signalene blir generert av aksoner trange innenfor fascicles og omgitt av tett-leddet perineurium celler. Størrelsen av de målbare potensialer som følge av neural aktivitet påvirkes av impedansen til de forskjellige lag i nerve, slik som den meget resistive perineurium lag som omgir bunter. Følgelig har to grensesnitt løsninger vært undersøkt, avhengig av opptaks plassering i forhold til perineurium lag, nemlig intrafascicular og ekstrafascikulære tilnærminger. Intra-fascikulær tilnærminger plassere elektrodene inne i bunter. Eksempler på disse tilnærmingene er Utah matrise ^17, den Longitudinal Intra-fascikulær elektrode (LIFE) ^18, og den tverrgående intra-fascikulær flerkanals elektrode (TIME) ^32. These teknikker kan ta opp selektivt fra nerve, men har ikke vist seg å pålitelig beholde funksjonaliteten i lange perioder av gangen in vivo, sannsynligvis på grunn av størrelsen og etterlevelse av elektroden ^12.

Extra-fascikulær tilnærminger plassere kontakter rundt nerve. Mansjetten elektroder som brukes i disse tilnærmingene ikke kompromiss perineurium heller epineurium og har vist seg å være både en trygg og robust hjelp av opptak fra det perifere nervesystemet ^12. Men ekstra fascikulær tilnærminger mangler evnen til å måle enhet aktivitet – i forhold til intra-fascikulær design. Neuroprosthetic applikasjoner som utnytter nerve cuff elektroder inkluderer aktivering av underekstremitetene, blæren, mellomgulvet, behandling av kronisk smerte, blokk av nevrale conduction, sensorisk feedback, og opptak electroneurograms ^1. Potensielle bruksområder for å utnytte perifer nerve grensesnitt omfatter restenøringen bevegelse til ofre for lammelse med funksjonell elektrisk stimulering, innspilling motor neuron aktivitet fra rest nerver til å kontrollere drevet Proteser i amputerte, og grensesnitt med det autonome nervesystemet til å levere bio-elektronisk medisiner ^20.

En design implementering av mansjetten elektrode er flat-grensesnitt nerve elektrode (FINE) ^21. Denne designen fornyer nerve i en flat-tverrsnitt med større omkrets enn en rund form. Fordelene med denne designen er økt antall kontakter som kan plasseres på nerve, og nærhet av kontaktene med omorganisert interne fascicles for selektiv opptak og stimulering. Dessuten kan øvre og nedre ekstremiteter nerver i store dyr og menneske ta ulike former og omforming genereres av FINE ikke forvrenge den naturlige geometri av nerve. Nyere studier har vist at FINE er i stand til å gjenopprette sensasjon iden øvre ytterpunkt ¹⁶ og gjenopprette bevegelse på den nedre ekstremitet ²² med funksjonell elektrisk stimulering hos mennesker.

Den grunnleggende strukturen av en mansjett elektrode består av å plassere en rekke metallkontakter på overflaten av en nerve segment, og deretter isolerende disse kontaktene sammen med nervesegment i et ikke-ledende mansjett. For å oppnå dette grunnleggende struktur, har flere utførelser blitt foreslått i tidligere studier, inkludert:

(1) Metallkontaktene innebygd i en Dacron mesh. Trådduken blir så viklet rundt nerve og den resulterende mansjetten form følger nerve geometrien ^{4, 5.}

(2) Split-sylindrede design som bruker pre-formet stive og ikke-ledende sylindere å fikse kontakter rundt nerve. Den nerve segment som mottar denne mansjetten er omformet til mansjetten interne geometri ^6-8.

(4) Uisolerte deler av ledningene er lagt inn mot nerve å tjene som elektrodekontakter. Disse ledningene er enten vevd inn silikonslanger ¹¹ eller støpt i silikon nestet sylindere ^12. Et lignende prinsipp ble anvendt for å konstruere bøter ved å arrangere og sammensmelting isolerte tråder for å danne en matrise, og deretter en åpning gjennom isolasjonen er fremstilt ved å strippe et lite segment gjennom midten av disse sammenføyde ledningene ^13. Disse design assUme en runde nerve tverrsnitt og i samsvar med dette antas nerve geometri.

(5) Fleksibel polyamid basert elektroder ³³ med kontakter dannet av mikromaskinering polyamid struktur, og deretter integrere i strukket silikon ark for å danne selv coiling ermet. Denne utformingen forutsetter også en runde nerve tverrsnitt.

Cuff elektroder bør være fleksible og selv-sizing for å unngå strekking og sammenpressing nerven som kan forårsake nerveskader ^3. Noen av de kjente mekanismer som cuff elektroder kan indusere disse effektene er overføring av krefter fra tilstøtende muskler til mansjetten og dermed til nerve, mismatch mellom mansjetten og nerve mekaniske egenskaper, og unødig spenning i cuff sin fører. Disse sikkerhetsproblemer føre til bestemt sett av design begrensninger på den mekaniske fleksibilitet, geometriske konfigurasjon og størrelse ^en. Disse kriteriene er spesielt Challenging i tilfelle av en høy kontakt telling FINE fordi mansjetten må være samtidig stiv i tverretningen for å omforme nerve og fleksibel i lengderetningen for å hindre skade, så vel som mende flere kontakter. Selv-sizing spiral design kan romme flere kontakter cuff ^14, men den resulterende mansjetten er litt stiv. Fleksibel polyimide design kan romme et stort antall kontakter, men er utsatt for delaminering. Tråden matrisen utformingen ¹³ frembringer en FINE med flat tverrsnitt, men for å opprettholde denne geometrien ledningene er smeltet sammen langs lengden av mansjetten fremstilling av stive flater og skarpe kanter som gjør da uegnet for langtids implantater.

Den fremstillingsteknikk som er beskrevet i denne artikkelen frembringer en høy kontakttetthet FINE med fleksibel struktur som kan gjøres for hånd med gjennomgående høy presisjon. Den bruker en stiv polymer (polyeter-eter-keton (PEEK)) for å tillate nøyaktig placement av kontaktene. PEEK-segmentet opprettholder et flatt tverrsnitt i sentrum av elektroden mens resterende fleksibel i lengderetningen langs den nerven. Denne utformingen reduserer også den totale tykkelsen og stivheten av mansjetten ettersom elektrodemassen ikke behøver å være stiv for å flate ut nerve eller feste kontaktene.