CN111111003B

CN111111003B - 一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极及其制备方法

Info

Publication number: CN111111003B
Application number: CN202010065752.1A
Authority: CN
Inventors: 李岩; 张文超; 赵文韬; 刘宇航; 柴永生; 刘希宽
Original assignee: Yantai University
Current assignee: Yantai University
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: CN111111003A

Abstract

本发明旨在降低脑深部刺激手术中套管电极圆柱表面与脑组织之间的穿刺摩擦力，并减小套管电极对脑组织的穿刺损伤程度，结合仿生微织构对摩擦表面的减摩思想，提出了一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极及其制备方法，在套管电极圆柱表面上加工一系列直线型阵列沟槽仿生微织构，直线型阵列沟槽在套管电极圆柱表面的圆周方向上等距分布，通过固体纳秒激光系统、转速及转角可控的中空旋转夹持器和斜度可调的角度倾斜台，以激光扫描的加工形式，在套管电极外圆柱面上加工出直线型沟槽，自动高效的完成加工，并且保证沟槽的尺寸精度，制备获得的套管电极可降低套管电极圆柱表面与脑组织之间的穿刺摩擦力，减小套管电极对脑组织的穿刺损伤程度。

Description

一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极及其制备方法

技术领域

本发明属于脑深部穿刺介入技术领域，具体涉及一种直线型交错阵列仿生微织构脑深部刺激套管电极及其制备方法。

背景技术

随着人类年龄的增长及生活、工作压力的增大，大脑深部某些神经核团会出现功能失调的现象，因而导致一系列的行为、意志、认知、情感等精神活动障碍疾病，严重威害人类的身体和精神健康。脑深部刺激术是治疗此类病症的有效方式。然而，脑深部刺激术的实施较为复杂，需采用立体定向及微电极记录相结合的技术，以实施刺激电极对靶点的定位。其中，微电极记录过程需利用内置针芯的套管电极对脑组织进行较长路径的穿刺（≥50mm），当微电极记录过程及刺激电极对靶点完成定位后还需将套管电极拔出。

当套管电极刺破大脑皮质进入脑组织之后，套管电极圆柱表面与脑组织之间会因相对运动产生摩擦力。摩擦力随穿刺深度的增大而增大，除使脑组织变形、移位外，还会对穿刺路径上的脑组织产生持续的剪切、拖拽和牵拉作用，使穿刺路径上的脑组织产生水肿、疤痕、神经胶质、细胞凋亡等损伤现象。此外，额叶大脑皮质是大脑中最重要的神经组织区域，在套管电极的进针及退针过程中，额叶大脑皮质始终与套管电极的圆柱表面存在摩擦。相对其它位置，额叶的摩擦损伤最大。因此，降低套管电极圆柱表面与脑组织之间的摩擦力将有效减小套管电极对脑组织的穿刺损伤，进而能获得脑深部刺激术满意的治疗效果和较少的并发症。

大量研究表明：（1）一定形貌的非光滑生物表面具有显著的减摩效果，如：能显著降低穿刺阻力的蚊子带刚毛的吸血鼻器以及寄生虫不光滑的产卵器等；（2）对光滑的摩擦表面进行一定形貌的仿生微织构化处理具有较好的减摩效果，如微织构刀具或微织构导轨。

套管电极为Φ1.5 mm的不锈钢中空圆柱，壁厚约为150 µm。因此，深度为几十微米及以下量级的仿生微织构并不影响套管的穿刺导向性能。脑神经细胞并非离散颗粒状分布，相互之间连接紧密，因此仿生微织构的宽度处于脑神经细胞的尺寸水平 (10 µm-20 µm) 即可防止脑神经细胞进入仿生微织构。前期实验研究表明圆柱表面一定面积率的平行于针轴的直线型微织构会捕捉且储存脑脊液，可有效降低针轴与脑组织之间的穿刺摩擦力，并且不会对脑组织产生粘接、钩挂或梨耕效应。

发明内容

针对目前脑深部刺激手术中套管电极的现状及特点，本发明设计了一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极及其制备方法。

一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极制备方法，用于将套管电极的外圆柱面上加工仿生微织构，其仿生微织构为沿套管电极直线方向设置的直线型沟槽，其特征在于，

采用Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统，其具体步骤为：

S1、将套管电极置于酒精中进行超声波清洗；

S2、将转速及转角可控的中空旋转夹持器固定在斜度可调的角度倾斜台上，然后将二者置于XYZR轴千分尺微调平台上，将XYZR轴千分尺微调平台安装在Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统的工作台上；

S3、将套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持；

S4、通过角度倾斜台和XYZR轴千分尺微调平台调整套管电极的轴线与激光扫描路径平行，同时保证XYZR轴千分尺微调平台的X轴与激光扫描方向平行；

S5、设定激光扫描长度，使激光镜头发射红光，调整XYZR轴千分尺微调平台的Y轴，使红光路径与套管电极最高端的母线重合；

S6、调整XYZR轴千分尺微调平台的X轴，使红光与套管电极端面间隔一段距离；

S7、调整Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统镜头的高度，完成激光的对焦步骤；

S8、在Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统中设定若干段长度的线段，线段之间具有轴向间距；

S9、按照激光参数加工出第1列第一类仿生微织构的直线型沟槽；

S10、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/n，按照激光参数加工出第2列第一类仿生微织构沟槽，n为8-16之间的整数；

S11、重复S10操作n-2次，即可完成第一类直线型仿生微织构的加工；

S12、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/2n，在Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统中设定直线型沟槽长度，每段直线型沟槽之间具有轴向间距；

S13、按照激光参数加工出第1列第二类仿生微织构沟槽；

S14、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/n，按照优化的激光参数加工出第2列第二类仿生微织构沟槽；

S15、重复S14操作n-2次，完成第二类直线型仿生微织构的加工；

S16、将制备完成套管电极用细砂纸进行轻微的表面打磨，置于酒精中进行两次超声波清洗，以消除套管电极表面上的加工杂质。

优选的，Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统的加工参数如下：功率0.04 W、重复频率75KHz、扫描速度400 mm/s、扫描次数2次。

优选的，步骤S6中使红光与套管电极端面间隔距离为0.2-0.8mm。

优选的，n=12。

一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，由上述制备方法获得，一列第一类仿生微织构沟槽为12段长度为4.5的直线型沟槽，每段之间的轴向间距为0.5mm。

在上述方案的基础上，一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，一列第二类仿生微织构沟槽为首尾两端分别为一段2mm长的直线型沟槽，中间为11段长度为4.5mm的直线型沟槽，每段之间的轴向间距为0.5mm。

一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，由上述方法制备获得，所述仿生微织构沟槽的宽度为13-23μm，深度为5-15μm。

本发明的有益效果：

1.仿生微织构的存在不但不影响其原有的导向功能，还能储存脑脊液、减小套管电极与脑组织的有效摩擦面积，并能利用动压润滑的特点，减小穿刺摩擦力，降低套管电极对脑组织的穿刺损伤；

2.通过固体纳秒激光系统、转速及转角可控的中空旋转夹持器和斜度可调的角度倾斜台，以激光扫描的加工形式，在套管电极外圆柱面上加工出直线型沟槽，自动高效的完成加工，保证沟槽的尺寸精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例端部放大视图；

图3为本发明一实施例截面图；

图4为图3中A部放大视图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1、2所示，一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，该套管电极的材料、长度、外圆及内孔直径等参数与临床上表面光滑的套管电极相同；该套管电极圆柱表面上加工合适形貌的仿生微织构；该套管电极圆柱表面上仿生微织构的形貌为一系列直线型阵列沟槽；直线型阵列沟槽在套管电极圆柱表面的圆周方向上等距分布24列，每列直线型阵列沟槽沿圆柱母线方向等距分布，每列直线沟槽的圆周距离约为0.2 mm；直线型阵列沟槽所构成仿生微织构区域沿母线的总体长度为59.5 mm；仿生微织构区域两端直线型沟槽头部对齐，且仿生微织构区域与穿刺端面的距离为0.5 mm，防止穿刺开始时直线型沟槽微织构对脑组织的插削作用。

套管电极圆柱表面的圆周方向上等距分布的24列直线型沟槽阵列，分为两类。

其中一类，为12列直线型阵列沟槽沿圆柱母线方向上由12段4.5 mm长度的直线型沟槽组成，每段直线型沟槽的轴向间距为0.5 mm。

另一类，也为12列直线型阵列沟槽在圆周方向上与之等距间隔分布，两端分别为1段2 mm长度的直线型沟槽，中间为11段4.5 mm长度的直线型沟槽，每段直线型沟槽的轴向间距同样为0.5 mm。

此种分布方式可使相邻列直线型沟槽交错分布，可相互协助支撑脑组织在圆柱表面的包裹作用，以免仿生微织构脑深部刺激套管电极在穿刺过程中每段直线型沟槽末端对脑组织的衍生切削作用；以上所有直线型沟槽的宽度均为18 µm，深度均为10 µm。

针对交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极的制备方法：

脑深部刺激套管电极圆柱表面的直线型交错阵列仿生微织构沟槽通过Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统加工。经试验测试，Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统的加工参数如下：功率0.04 W、重复频率75 KHz、扫描速度400 mm/s、扫描次数2次。

其具体步骤为：

S1、将套管电极置于酒精中进行两次超声波清洗，每次清洗10 min，以清除表面杂物。清洗完成后将其置于干净的吸纸上，使其在空气中自然干燥；

S3、将套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持，其外伸长度为70 mm；

S5、设定激光扫描长度为4.5 mm，使激光镜头发射红光，调整XYZR轴千分尺微调平台的Y轴，使红光路径与套管电极最高端的母线重合；

S6、调整XYZR轴千分尺微调平台的X轴，使红光与套管电极端面的距离为0.5 mm；

S8、在Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统中设定12段4.5 mm长度的线段，每段线段的轴向间距为0.5 mm；

S9、按照优化的激光参数加工出第1列第一类仿生微织构沟槽；

S10、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/12，按照优化的激光参数加工出第2列第一类仿生微织构沟槽；

S11、重复S10操作10次，即可完成第一类直线型仿生微织构的加工；

S12、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/24，在Nd:YAG泵浦固体纳秒激光系统中设定两端分别为1段2 mm长度的直线型沟槽，中间为11段4.5 mm长度的直线型沟槽，每段直线型沟槽的轴向间距同样为0.5 mm；

S13、按照优化的激光参数加工出第1列第二类仿生微织构沟槽；

S14、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/12，按照优化的激光参数加工出第2列第二类仿生微织构沟槽；

S15、重复S14操作10次，即可完成第二类直线型仿生微织构的加工；

S16、将制备完成套管电极用细砂纸进行轻微的表面打磨，置于酒精中进行两次超声波清洗，每次清洗10 min，以消除套管电极表面上的加工杂质。

至此，一种直线型交错阵列仿生微织构脑深部刺激套管电极制备完成。

可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极制备方法，用于将套管电极的外圆柱面上加工仿生微织构，其仿生微织构为沿套管电极直线方向设置的直线型沟槽，

其特征在于，采用固体纳秒激光系统，其具体步骤为：

S1、将套管电极置于酒精中进行超声波清洗；

S2、将转速及转角可控的中空旋转夹持器固定在斜度可调的角度倾斜台上，然后将二者置于XYZR轴千分尺微调平台上，将XYZR轴千分尺微调平台安装在固体纳秒激光系统的工作台上；

S3、将套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持；

S7、调整固体纳秒激光系统镜头的高度，完成激光的对焦步骤；

S8、在固体纳秒激光系统中设定若干段长度的线段，线段之间具有轴向间距；

S11、重复S10操作n-2次，完成第一类直线型仿生微织构的加工；

S12、通过中空旋转夹持器使套管电极旋转2π/2n，在固体纳秒激光系统中设定直线型沟槽长度，每段直线型沟槽之间具有轴向间距；

S13、按照激光参数加工出第1列第二类仿生微织构沟槽；

2.如权利要求1所述的交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极制备方法，其特征在于，固体纳秒激光系统的加工参数如下：功率0.04 W、重复频率75 KHz、扫描速度400 mm/s、扫描次数2次。

3.如权利要求1所述的交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极制备方法，其特征在于，步骤S6中使红光与套管电极端面间隔距离为0.2-0.8mm。

4.如权利要求1所述的交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极制备方法，其特征在于，n=12。

5.一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，由权利要求1-4任意一项的方法制备获得，其特征在于，一列第一类仿生微织构沟槽为12段长度为4.5mm的直线型沟槽，每段之间的轴向间距为0.5mm。

6.如权利要求5所述的交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，其特征在于，一列第二类仿生微织构沟槽为首尾两端分别为一段2mm长的直线型沟槽，中间为11段长度为4.5mm的直线型沟槽，每段之间的轴向间距为0.5mm。

7.一种交错阵列仿生微织构脑部刺激套管电极，由权利要求1-4任意一项的方法制备获得，其特征在于，所述仿生微织构沟槽的宽度为13-23μm，深度为5-15μm。