Desarrollo de un electrodo de electromiografía epimisial de bajo costo: un flujo de trabajo simplificado para la fabricación y las pruebas
Summary
Nuestro propósito era proporcionar una guía actualizada y fácil de seguir sobre la fabricación y las pruebas de electrodos de electromiografía epimisial. Con ese fin, proporcionamos instrucciones para el abastecimiento de materiales y un recorrido detallado del proceso de fabricación y prueba.
Abstract
La electromiografía (EMG) es una valiosa herramienta diagnóstica para detectar anomalías neuromusculares. Los electrodos epimisiales implantables se utilizan habitualmente para medir las señales de EMG en modelos preclínicos. Aunque existen recursos clásicos que describen los principios de la fabricación de electrodos epimisiales, existe una escasez de información ilustrativa que traslada la teoría de los electrodos a la práctica. Para remediar esto, proporcionamos una guía actualizada y fácil de seguir sobre cómo fabricar y probar un electrodo epimisial de bajo costo.
Los electrodos se fabricaron doblando e insertando dos láminas de platino-iridio en una base de silicona precortada para formar las superficies de contacto. A continuación, se soldaron alambres de acero inoxidable recubiertos a cada superficie de contacto para formar los cables de los electrodos. Por último, se utilizó una mezcla de silicona para sellar el electrodo. Se realizaron pruebas ex vivo para comparar nuestro electrodo fabricado a medida con un electrodo estándar de la industria en un baño salino, donde se encontraron altos niveles de concordancia de señal (seno [correlación intraclase – ICC= 0,993], cuadrado [ICC = 0,995], triángulo [ICC = 0,958]) y sincronía temporal (seno [r = 0,987], cuadrado [r = 0,990], triángulo [r = 0,931]) en todas las formas de onda. También se cuantificaron niveles bajos de impedancia del electrodo mediante espectroscopia de impedancia electroquímica.
También se llevó a cabo una evaluación del rendimiento in vivo en la que el músculo vasto lateral de una rata se instrumentó quirúrgicamente con el electrodo fabricado a medida y se adquirió la señalización durante la marcha cuesta arriba y cuesta abajo. Como se esperaba, la actividad máxima de EMG fue significativamente menor durante la caminata cuesta abajo (0,008 ± 0,005 mV) que cuesta arriba (0,031 ± 0,180 mV, p = 0,005), lo que respalda la validez del dispositivo. La fiabilidad y biocompatibilidad del dispositivo también fueron respaldadas por la señalización consistente durante la marcha nivelada a los 14 días y 56 días después de la implantación (0,01 ± 0,007 mV, 0,012 ± 0,007 mV respectivamente; p > 0,05) y la ausencia de inflamación histológica. En conjunto, proporcionamos un flujo de trabajo actualizado para la fabricación y prueba de electrodos epimisiales de bajo costo.
Introduction
La electromiografía (EMG) es una herramienta poderosa para estudiar la actividad eléctrica del músculo. Los registros EMG pueden ser especialmente útiles en modelos animales preclínicos para evaluar la efectividad de las intervenciones para tratar la disfunción neuromuscular. En estos modelos, los electrodos biocompatibles implantables se utilizan comúnmente para evaluar la interfaz neurofisiológica entre las neuronas motoras y las fibras musculares. Estos electrodos implantables pueden proporcionar mediciones localizadas de la excitación muscular y pueden ser diversos en términos de su configuración, forma y material, con el diseño óptimo dictado en última instancia por la ubicación y el uso previsto.
A pesar de su idoneidad para evaluar la excitación muscular en modelos preclínicos, el uso de electrodos epimisiales puede estar limitado por el costo. Como resultado, muchos investigadores utilizan electrodos epimisiales fabricados a medida que se producen internamente. Aunque existen recursos que detallan las consideraciones fundamentales de la fabricación, las pruebas y el uso de electrodos 1,2, existe la necesidad de una guía instructiva actualizada que detalle el abastecimiento, la fabricación y la validación de los electrodos epimisiales utilizando métodos modernos. Informados por los trabajos fundacionales de Loeb y Gans3 y otros en la teoría de electrodos, presentamos instrucciones modernas sobre el abastecimiento y la fabricación de electrodos epimisiales de bajo costo y probamos su rendimiento en una serie de experimentos ex vivo e in vivo. El objetivo es ofrecer una guía fácil de usar para que otros miembros de la comunidad científica obtengan, fabriquen y prueben electrodos epimisiales de bajo costo para uso animal, lo que permite una cuantificación más amplia de la excitación muscular en modelos preclínicos.
En este protocolo, proporcionamos una guía instructiva para el abastecimiento, la fabricación y las pruebas de electrodos epimisiales para uso animal en el laboratorio de electrofisiología moderno. Los parámetros del electrodo elegidos para la fabricación, como la forma, las dimensiones, el área de superficie de contacto, la distancia entre electrodos, la longitud del cable, etc., se seleccionaron para satisfacer nuestras necesidades experimentales y eran comparables a un electrodo epimisial estándar de la industria disponible comercialmente (consulte la Tabla de materiales). Alentamos a otros grupos a modificar estos parámetros para adaptarlos a sus necesidades, además de seleccionar un electrodo estándar de la industria confiable que coincida con su caso de uso.
En un esfuerzo por dar a los lectores una idea relativamente rápida del rendimiento del electrodo, también proporcionamos un ejemplo de un protocolo de prueba ex vivo con la opción de medir la impedancia del electrodo. Además, damos un ejemplo de evaluación del rendimiento de los electrodos in vivo. El experimento ex vivo comparó el electrodo fabricado a medida con un estándar de la industria en un baño salino para imitar condiciones fisiológicas estables. La impedancia también se evaluó ex vivo mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El experimento in vivo consistió en la implantación quirúrgica del electrodo fabricado a medida en el músculo vasto lateral (VL) de una rata Long Evans hembra de 16 semanas de edad (HsdBlu: LE, Envigo) para medir la señal EMG en condiciones conocidas por provocar una señal alta o baja (cuesta arriba, cuesta abajo, caminando cuesta abajo). Para evaluar la fiabilidad del electrodo fabricado a medida, la señalización EMG se adquirió durante la caminata nivelada después de la recuperación quirúrgica completa y antes del sacrificio (14 días y 56 días después de la implantación, respectivamente). Se llevó a cabo una tinción de hematoxilina-eosina (H&E) en el músculo instrumentado para evaluar la biocompatibilidad del electrodo fabricado a medida.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuestro objetivo era agilizar el proceso de fabricación de EMG, permitiendo una adopción e implementación más amplias de los diseños de electrodos epimisiales, promoviendo así la accesibilidad y avanzando en la investigación neuromuscular. Con este fin, presentamos una guía fácil de usar para obtener, fabricar y probar electrodos epimisiales de bajo costo internamente. Con la esperanza de apoyar a otros grupos de investigación, también proporcionamos plantillas de impresión 3…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Artritis y Enfermedades Musculoesqueléticas y de la Piel Grant R01AR081235 (a L. K. Lepley). Los autores agradecen a las siguientes personas por su contribución a la fabricación y prueba de nuestro electrodo biocompatible: Joel Pingel, Grant Gueller, Akhil Ramesh, Joe Letner, Jacky Tian y Ross Brancati.
Materials
| Electrode Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Contact surface | Prince and Izant PT90/IR10 1.25 mm x 5 mm foil | Catalog #1040055 | 2 per electrode $7.50 per foil $15.00 per electrode |
| PFA coated stainless-steel electrode lead wire | A-M Systems Multi-Stranded PFA-Coated Stainless Steel Wire 50.8 µm strand diameter | Catalog #793500 | Dependent on desired lead length (e.g., 9 inch lead wires x2) $128 per 25 ft spool $5.12 per foot $0.42 per inch (x18) $7.68 per electrode |
| Folding jig | 3D printed (see .gcode file) |
NA | NA |
| Sealant for electrode body | Nusil Med-1137 liquid silicone | Catalog #MED-1137 | 1 gram $344.66 per 2 oz. (59.15 mL) $5.83 per electrode |
| Silicone base | Implantech Alliedsil Silicone Sheeting-Reinforced, Long Term Implantable (8” x 6”) .007 thick | Catalog #701-07 | 10mm x 5mm sheet $225.00 per 8 x 6 inch $0.36 per electrode (10 mm x 5 mm) |
| Thinner for sealant mixture | Toluene 99.5% ACS Reagent 500mL or Xylene ACS 99.5% | Catalog #179418-500 ML | 0.75 mL $25.53 per 500 mL $0.38 per electrode |
| Template for perforating silicone base | Cutting jig – 3D printed (see CAD file) |
NA | NA |
| Custom-fabricated electrode: $29.25 | |||
| Industry standard electrode (EP105 EMG Patch Electrode, 2 contacts, single-sided, 7mm x 4mm, MicroProbe for Life Science): $305.00 | |||
| Additional Fabrication Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| 3D printing software | Solidworks (Solidworks, 2022) | ||
| Micro-Tig welder | Micro-Tig Welder (CD1000SPM, Single Pulse Research and Light Production Resistance Spot Welder, Sunstone) | SKU 301010 | $3,500 |
| Ultrasonic bath | Ultrasonic bath (CPX Series Ultrasonic Bath, Fisherbrand). | 15-337-403 | NA |
| Ex Vivo Testing Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Data acquisition platform and software | DigitalLynx 4sX Base Cheetah version 6.0 (Neuralynx Inc.) | NA | EMG acquisition hardware and software |
| Electrode interface board (EIB) | EIB, EIB16-QC, Neuralynx Inc. | 31-0603-0007 | NA |
| Signal generator | 5 MHz Function Generator, B&K Precision | 4005DDS220V | $387.46 |
| Potentiostat | PGSTAT1 potentiostat (EcoChemie, Utrecht, Netherlands) | NA | NA |
| Stainless steel screw | Fine Science Tools | 19010-00 | $98 |
| Ex Vivo Testing Materials | |||
| Quantity & price per electrode | |||
| Rodent treadmill | Exer 3/6 Open Treadmill, Columbus Instruments | NA | NA |
| Dental cement | Excel Formula® Pourable Dental Material, St. George Technology Inc. | #24211 | $125.60 |
| Light microscope | Keyence BZ-X800, Keyence Corporation, Osaka, Japan | NA | NA |
| Motion capture system | Optitrack Color Camera, Optitrack, NaturalPoint Inc. | NA | NA |
| Peak detection algorithm | “SciPy.signal.find_peaks – SciPy v1.8.1 Manual”, 2022 | NA | NA |
| Python software | Python Software Foundation. Python Language Reference, version 3.9. Available at http://www.python.org | NA | NA |
| Rat | HsdBlu: LE, Envigo | 140 | NA |
| Statistical sotware | GraphPad Prism version 10.0.0 (GraphPad Software, Boston, Massachusetts USA) | NA | NA |
References
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