用于基础测试的体外平台 微电极和纳电极 用于慢性植入

丹尼尔亨利克森
硕士论文
LTH测量技术与工程系工程学院
工业电气工程电气测量部门
主管:Martin Bengtsson

 

内容
内容…………………………………………. ………………………………………….. ……………. 2
摘要…………………………………………. ………………………………………….. ……………. 4
缩写…………………………………………. ………………………………………….. … 4
1.介绍……………………………………….. ………………………………………….. …….. 5
1.1。今天深度脑刺激………………………………………. ………………….. 7
1.2。临床实例;帕金森病………………………………………… 9 ….
1.3。在体内和体外…………………………………….. …………………………….. 11
1.4。在PC12细胞系上……………………………………… …………………………… 11
1.5。该项目 ………………………………………… ………………………………………… 13
2.方法和材料……………………………………… …………………………………… 14
2.1。设置………………………………………… ………………………………………….. 15
2.1.1。法拉第笼……………………………………….. …………………………… 15
2.1.2。录音设备……………………………………….. ………………… 17
2.1.3。杂项设备………………………………………… ………………. 18
2.2。细胞培养物的协议……………………………………… ……………………. 18
2.2.1协议的分歧……………………………………. ……………. 18
2.3。氯化钾………………………………………… ……………………………… 19
2.3.1。用于PC12细胞的KCl ………………………………………. …………………………. 19
2.3.2。 KCl用于皮质神经干细胞…………………………………….. ………… 20
2.4。控制测量………………………………………… ………………………… 21

2.5。电极…………………………………………. …………………………………………. 21
2.5.1。 基本金属电极……………………………………….. …………. 22
2.5.2。 玻璃毛细管………………………………………… ……………………………. 22
2.5.3。 制造石英/金属微电极……………………………….. 23
3。结果与讨论……………………………………… …………………………………. 25
3.1。 PC12细胞系………………………………………. ………………………………. 25
3.2。 皮质干细胞系……………………………………… ……………………. 27

3.3。 设置可能的改进……………………………………… ………… 29
3.4。 项目评估………………………………………. ……………………….. 30
4。结论……………………………………………………………………………………. ….. 32
参考……………………………………………………………………………………… ……… 33
附录I …………………………………………………………………………………….. ………. 37
附录II …………………………………………………………………………………….. …….. 40

抽象
今天的微电极和纳米电极明天将进一步研究
神经生物学和电生理学等科学,已经被用作
神经修复术。当电子设备用于生物医学时,尤其如此
当需要进行慢性植入时,他们正在进行大规模缩小
动机有两个方面:生物相容性和特异性。已经证明了这一点
降尺度是一种显着降低此类设备造成的损害的方法。
在研究和开发新的复杂设备时,需要这些
以各种方式不断评估。体内实验是必要的
部分和体外细胞培养远不是完整的替代品
动物,但它们构成了一个非常有用的模型。主要有三个
体内试验的缺点:成本,生物体的复杂性 –
这可能是常规测试中的障碍 – 以及动物痛苦 – 这是主要原因
为什么只有在没有其他充分选择的情况下才能使用动物试验。
因此,细胞培养在某些情况下可能更合适。
该项目的目的是建立一个快速停止的体外试验站
不同的电极设计可以相互测试。现有设置
最初组装用于膜片钳实验的细胞用于细胞培养
主要选择用于其他实验。 PC12细胞和后来的小鼠皮质
用KCl刺激神经干细胞以产生动作电位。适用于PC12
细胞没有记录动作电位,对于皮质干细胞
寻求的一致性没有实现。这种设置有可能使用皮质
干细胞,可以达到预期的实际用途,但这个项目无法评估
最后这个缩略语
AP – 行动潜力
BMI – 脑机接口
中枢神经系统 – 中枢神经系统
星展银行 – 深度脑刺激
脑电图 – 脑电图
MP – 膜电位
神经生长因子 – 神经生长因子
NRC – Neuronano研究中心
PD – 帕金森病
PLL – 聚L-赖氨酸
VGCC – 电压门控钙通道
注意:PC12是指定的名称,而不是缩写。

1.简介
纳米科学在生物医学工程中的作用越来越具体
效用于抽象概念;科学而不是科幻小说;还有更多
比理想的。纳米尺度有很多可以提供,但许多挑战不可避免
当我们工作的规模太小而无法与我们直接互动时
– 使我们进一步依赖于我们的工具,实践和理论
在宏观或微观范围内。然而这个领域的诱惑潜力
不断推动研发。
随着我们的知识基础的增长和跨科学的项目和合作
加强了对半数挖掘理解的基础,以及
新工具和改进设备的出现,我们的界限
感知到可以实现的不断被推迟。在广泛的范围内
纳米科学,电子设备在生物医学中找到自己的位置和应用。
电极可用于与生物体中的神经元进行通信
到最后刺激相邻神经元并从中收集信息
生活环境,有利于许多相邻的科学学科。
今天的微电极和纳米电极明天将进一步研究
像神经生物学这样的科学,它们增加了我们对它的理解
单神经元或中枢神经系统的日益具体的方面
(CNS)。在电生理学中,他们发现自己被明显使用,并且
纳米电极已经在电学或化学方面发挥了重要作用
传感器。例如,人们可能会将它们用作安培或伏安
观察(潜在的变化)和研究胞吐作用(神经系统的过程)
发射器发布)。[1]当专门提到脑机接口(BMI,或者
使用命名的脑 – 计算机接口,或有时(皮质)神经修复术
例如,在深部脑刺激(DBS)中,正在进行的缩小尺度
所涉及的设备主要受两个方面的驱动:生物相容性和
特异性。 已经表明降尺度是减少的一种方式(有时候
这些设备造成的损害虽然不是唯一重要的,但却是彻底的
方面(其他包括表面结构,形状,刚性)。[2,3]
在构建神经探针时,减少植入物的损伤是其中之一
主要挑战 – 以及神经元研究的主要研究课题之一
研究中心(NRC)等地。 NRC明确表示
“NRC的目标是开发高度先进的BMI,使我们能够
记录和/或刺激数百或更多具有高空间和神经元的神经元自由移动动物的时间分辨率。正如这些电极一样
他们需要在动物身上植入,然后在人类中植入很长一段时间
完全生物相容,即’组织友好’“。[4]纳米线可能有
增加了可生物降解的益处(在某种程度上)。也就是说,如果纳米尺寸
半导体线 – 一个较大的BMI复合体的一部分 – 从它的中断
基质,大脑的正常防御机制可能会处理外来物质,
将它减少为小的,可容纳的和可移动的碎片。[5]这是非常的
朝向完全生物相容性和减少医疗问题的有用步骤
关于慢性神经植入物。特别是由于生物降解性的实现
选择专门针对该方面的材料可能更有可能
在不应该的时间和地点(即在其预期工作时)也会退化
现场)。随着时间的推移,植入物的退化是发展中的另一个问题
慢性植入物。[6]
为了满足新的或改进的要求,有时会出现新材料
选择。一个多产的例子是在NRC的BMI中使用的材料:负面的
抵抗SU-8。除了它的生物相容性,相对容易操作(通过
紫外线,忽视更先进和昂贵的技术)受到称赞,并且
因此,它通常被用作图案转移物质。但是
材料也具有低杨氏模量(即它是柔性的),高化学品
阻力(在生物环境中持久),在可见光中是透明的
光谱和具有介电特性(提供一些有趣的可能性
精细操纵)。在NRC,SU-8与黄金一起使用
创建一个灵活的多电极BMI,用于记录
小脑。[7,8]
为了减少电极的组织反应,人们也可以选择改善电极
植入方法。在NRC,明胶嵌入已经显示出前景
减少植入时的组织损伤和保护小的,敏感的
电极处于关键阶段。明胶也将提供保护
降解(来自机械应力和生化环境)
时间。[3]
当然,越来越突出的细节控制能力这些设备的生产无异于实际推进。虽然BMI是
不太可能成为世俗疾病或病症的简单,低成本解决方案
– 很大程度上是因为人类神经外科的成本和风险 – 能力
尽可能有效地生产设备需要为BMI开发
在治疗水平上变得更加突出。
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但是,今天BMI在多大程度上是一种真正的治疗选择?好吧,DBS电极
已经植入了几十年了,虽然仍然存在机械肢体
罕见。人工耳蜗植入是另一种已实现的神经接口
主流医疗验收,虽然它们不是CNS植入物。[6]该
以下部分将尝试提供我们今天所处的位置。
1.1。今天的深度脑刺激
DBS手术已在全球超过75,000人中进行(截至2010年[9]
– 2008年为40’000 [10]),并且已被证明是一种有效的治疗方法
帕金森病(PD),特发性震颤,肌张力障碍和强迫症
紊乱,DBS是美国批准的治疗的条件
食品和药物管理局。[9,10] DBS可以进一步发现的迹象用于癫痫,抑郁症,Tourette综合征,慢性疼痛等。[9,10,11]
此外,将神经植入物连接到外部机器人操纵器可能
让人们恢复失去的肌肉控制,或控制完全假肢
或某些装置(例如轮椅)。在乐观的未来,ALS患者能够
走路和截肢者除了最好的触摸之外都恢复了。[6,12]
虽然我们远非如此完美,但目前的应用并非如此
不同;仅仅明显不完美。获得自己的假肢
来自非侵入性的命令(例如脑电图(EEG))
从头部表面记录 – 一种具有明显限制的方法,
很大程度上涉及录音的可辨别性和深度;更不用说脑电图了
仅用于记录 – 或功能性磁共振成像,这是很多
确实存在日常使用过于繁琐)或侵入性神经记录确实存在,
虽然它们非常昂贵 – 在生产和实施方面;要求
患者和医生的广泛而艰苦的努力使其变得有用 – 和
因此,悲惨的是,不太可能在不久的将来随时可用。[9,10]他们是
也远不是我们极其复杂的生物体的完美替代品
部分。当寻求改善控制 – 在任何BMI应用 – 入侵
方法占上风,并进一步推广手术技术和植入物
特征是使BMI减少异国情调的必要步骤。[9,12]
可以说,最终产品越有效,生产成本就越高
并且(有兴趣)优化实施方法。
一个重要的,可能即将发生的变化可能是封闭者的发展
比开环BMI。闭环BMI不需要
上面提到的,细致的 – 经常是线索和错误 – 手动调整很长
植入后,但依赖于并入连续反馈系统和患者的输入。 最重要的是,关闭 –
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循环BMI对其实时环境作出反应,而不是对校准和假定的环境作出反应
州。 灵长类动物的踪迹正在进行中,闭环硬件和软件正在进行中
发达。 对于闭环BMI,可能是必要的 – 不仅仅是期望的
包括化学传感器和电子传感器,以便更好地与其结合
神经环境。[9,13]
虽然DBS植入物传统上是毫米或数百
微米级,具有更小电极的好处(并且更复杂
BMIs已有详细记录。 其中几个优点是特异性更高
并且较少的组织损伤,来自两者的副作用越来越少
以前的方面,涉及短期和长期。 除此之外
炎症反应似乎会增加自身免疫性疾病的风险
在包括但不限于阿尔茨海默病);进一步的理由避免或
尽量减少它。
在NRC,我们致力于解决这些问题。部分地
开发新电极(更小,新结构,生物友好材料),和
部分关注植入组件的整体设计(包括
锚定和发射器)。
生物相容性对于外来物体的慢性植入物是最重要的
随着时间的推移会产生正常但破坏性的组织反应,例如
炎症,疤痕和神经改变。其中最广泛的
公认的传统宏观DBS电极问题是胶质
随着时间的推移,植入物周围会出现疤痕。即使有所改善
手术过程中,植入本身会产生一些疤痕,但不会
– 今天 – 一个不能被接受的数量,并且“在周围”工作。但是,
尽管如此,疤痕会随着时间的推移而恶化,特别是对于更大,更硬的电极
迹象表明,锚定机制可能几乎同样重要
BMI本身。随着每一个动作和每一次呼吸 – 事实上,每一次心跳
– 从宏观尺度看,大脑移动得如此轻微;运动
将活组织擦在刚性电子设备上,造成伤害和刺激
组织并产生其保护性反应。对于电子产品,胶质
疤痕是最突出的反应。胶质瘢痕两次降低效果
植入物;首先,神经胶质细胞取代神经元(可能是受损的或神经细胞)
一个人会记录,其次,因为他们构成对和的隔离
来自超越神经元。[2]

 

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