CN112656557B - 一种基于组织工程的外周神经接口 - Google Patents

Abstract

一种基于组织工程的外周神经接口，包括牵拉神经束、镀有电极触点的牵拉膜、神经导管和外部神经接口，所述牵拉神经束由初代神经细胞于牵拉神经培养装置的牵拉膜上进行神经轴突牵拉培养获得，所述牵拉神经培养装置对神经轴突产生多维角度的牵拉刺激和电刺激，以控制神经轴突的生长长度、速度和方向，把牵拉膜上的牵拉神经束利用琼脂糖一并封装于神经导管中，神经导管的端部连接于外部神经接口上；植入体内后，所述牵拉神经束与宿主神经相连，外部神经接口与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制。本发明的外周神经接口能保证信号的稳定性，解决了外周神经电极长期植入所存在的信号记录不可靠的问题。

Description

一种基于组织工程的外周神经接口

技术领域

本发明涉及一种基于组织工程的外周神经接口，尤其涉及一种基于组织工程的外周神经接口。

背景技术

创伤感染、恶性疾病、先天发育异常等原因造成不得已的截肢使人的部分运动功能缺失，严重影响患者生活质量和幸福感，并给家庭与社会带来沉重的负担。截肢患者是全国2412万肢体残疾人群体的主要来源之一，仅以糖尿病足为例，据欧美国家统计糖尿病足截肢率约为45％～50％，而目前我国的糖尿病足患者约1240万。截肢造成患者出行困难，导致其生活和工作能力丧失，已成为无法回避的社会问题。

对于已经截肢的神经损伤患者，需要通过安装假肢来重建运动功能。传统假肢存在笨重、难于穿戴、功能单一等缺陷，已不能满足患者需求。随着微电子技术和智能假肢技术的迅速发展，神经接口技术应用而生。该技术是依靠微电极提取人体神经信号，然后对运动意图进行解码，随后将解码的运动控制指令传递给假肢，同时假肢上的传感器所采集的信息将反馈给人体，实现人体与假肢之间的运动控制与传感反馈，使人体可以像使用自己肢体一样使用假肢。根据提取神经信号位置的不同，神经接口分为脑电神经接口、大脑皮层神经接口、外周神经接口及肌电神经接口，其中大脑皮层与外周神经接口分辨率最高。

基于EEG的神经接口技术起始于1973年，由于该技术信号采集是非侵入性的，且时间分辨率高，目前在疾病检测与康复技术中应用依然较广泛。S Shokur等通过EEG信号控制仿生外骨骼，并利用虚拟现实技术实现触觉反馈，最终使下肢的肌肉功能和感知功能得到了部分恢复。但基于EEG的神经接口依然有一些无法克服的问题，如：信号精确度低；电极安放麻烦，使用者舒适度低；训练时间长；需要使用者集中注意力控制假肢，容易疲劳等。这些问题导致依靠EEG技术，无法让截肢者自如地使用假肢，从而限制了EEG的临床应用。

随着微电极制造、抗免疫药物等技术的发展，在大脑皮层中植入电极采集信号逐渐成为可能。基于大脑皮层信号的神经接口技术是根据大脑皮层的功能分区，将电极植入对应的脑组织中获取神经信号。在大脑皮层中植入电极采集神经信号精确度与分辨率更高，借助相关算法，甚至可以辨识出单个神经元的信号，从而能够实现精确复杂的外部设备控制。在1999年，Chapin等将电极植入大鼠大脑皮层中，通过神经网络算法分析出多神经元信号的准确指令，可操作控制杆获取水。在2003年，JM Carmena等将电极植入灵长类动物大脑皮层运动区，猴子依靠视觉反馈，通过多数学模型分离出运动参数：如手部位置、握力、速度、肌肉肌电等，可以进行虚拟的抓握操作。在2013年，浙江大学求是高等研究院在一只叫做“建辉”的猴子的运动皮质区植入电极，其可操作机械臂进行简单的勾、抓、捏、握等操作。但是基于大脑皮层的神经接口，需进行开颅手术，手术难度高，对人体侵入性太大，后期要长期服用抗免疫药物，不易被患者接受。

为了减轻对人体的伤害，研究者开始考虑直接从外周神经获取信号。GS Dhillon等研究发现长期截肢者的外周神经通路依然完好，能够正常的传导与被截肢体相关的运动和传感信号，从而建立了从外周神经采集信号的理论基础。基于PNS的神经接口，信号来自于肢体末端神经，使用自然的肢体运动控制通路，控制更加自如。PM Rossini等将4个束内电极植入截肢者正中神经和尺神经内，连续记录了4周，从采集的信号中分析出了轻握、用力握和小指屈曲3个手部动作对应的信号编码，可以实时控制机械手完成相应的动作。Tyler等通过给截肢者外周神经植入FINE电极和Cuff电极,建立了长期稳定的触觉。虽然外周神经接口能够提供更加丰富的关于神经系统控制肢体运动的信息，侵入程度低，实用性较强，但由于电极强性插入机体，还是会对宿主造成伤害。

本发明提出了一种新型的神经接口设计思路，在体外培育一段神经束，一端与人体的神经连接，另一端与电子设备相连。这样既可避免电子设备对人体神经造成直接伤害，也可以让电子设备直接接触神经，保证信号的稳定性。

中国发明专利201110392367.9公开了一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置。该装置采用牵张力刺激与电刺激联合加载，将三维细胞培养物置于牵张刺激与电刺激的联合作用下，模拟体内细胞生存环境，促进细胞的生长及分化，构建出具有特定功能的组织。但该装置无法控制神经轴突生长的长度、方向、速度，不能满足神经再生与神经修复的要求。

中国发明专利CN201410403385.6公开了一种神经轴突牵拉生长装置，由培养与牵拉控制系统和机械装置两部分组成。该装置是对神经轴突进行牵拉培养，也可对牵拉培养的神经进行刺激与记录。但该装置培养的细胞是单层细胞，用于神经接口时需要将多个通道培养的细胞贴在一起。培养效率低，且操作难度大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出基于组织工程的外周神经接口，具体技术方案为：

一种基于组织工程的外周神经接口，包括牵拉神经束、镀有电极触点的牵拉膜、神经导管和外部神经接口，所述牵拉神经束由初代神经细胞于牵拉神经培养装置的牵拉膜上进行神经轴突牵拉培养获得，所述牵拉神经培养装置对神经轴突产生多维角度的牵拉刺激和电刺激，以控制神经轴突的生长长度、速度和方向，把牵拉膜上的牵拉神经束利用琼脂糖一并封装于神经导管中，神经导管的端部连接于外部神经接口上；植入体内后，所述牵拉神经束与宿主神经相连，外部神经接口与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制。

一种牵拉神经培养装置，包括培养槽、培养座、牵拉连接块、牵拉杆、第一步进电机和第二步进电机，所述培养槽设置于培养槽箱体内，所述培养槽箱体设置有可形成一定间隙的封盖，所述培养槽内的两侧沿竖直方向均固定设置有支撑杆，所述支撑杆上套设有可上下滑移的支撑块，所述牵拉杆的中上部固定设置有牵拉块，牵拉杆的下端从培养槽的顶部伸入培养槽内，并固定于支撑块的中部，所述牵拉杆的上端连接所述牵拉连接块，所述第一步进电机的驱动端连接有内置滚珠丝杆的滑台，所述滑台与牵拉连接块相连接，以驱使牵拉连接块上下移动；所述培养座设置于培养槽内，其包括旋转体、移动体和连接二者的伸缩杆，所述移动体的上端固定连接在支撑块的底部，所述旋转体的下端通过连接轴与第二步进电机的驱动端相连接，所述旋转体可绕伸缩杆转动，所述移动体的下端和旋转体的上端相对应地设置有多组可拆卸的夹持块，每组所述夹持块上均夹持有端部相互紧贴的牵拉膜，两个所述牵拉膜相接触的表面贴附有初代神经细胞。

进一步地，所述牵拉膜为厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜，两个所述牵拉膜相接触的一端的厚度均打磨成10μm以下。

进一步地，两个所述牵拉膜相接触的表面镀有微电阵列的柔性电路板，所述柔性电路板上镀有电极触点，所述电极触点与多通道神经信号记录刺激系统相连接。

进一步地，所述夹持块与旋转体、移动体磁性连接，以夹紧牵拉膜。

进一步地，所述第一步进电机和第二步进电机均连接有控制器和上位机。

一种外周神经接口的制作方法，包括以下步骤：

(1)通过神经节截除术取得一段初代神经细胞；

(2)在一组牵拉膜相接触的表面镀上微电阵列的柔性电路板，柔性电路板上镀上电极触点，所述电极触点与多通道神经信号记录刺激系统相连接；

(3)将该组牵拉膜夹持在培养座上，将初代神经细胞贴附于牵拉膜上进行培养；

(4)利用牵拉神经培养装置对神经轴突进行多维角度的牵拉刺激，控制神经轴突的生长长度、速度和方向，培养形成牵拉神经束；

(5)利用电路板对神经轴突电刺激，记录相应的神经电生理信号；

(6)将牵拉神经束和牵拉膜一并封装于神经导管中，神经导管的端部连接外部神经接口；

(7)植入体内后，牵拉神经束与宿主神经相连，外部神经接口与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制。

有益效果：

(1)本发明在体外培育一段牵拉神经束，其一端连接人体神经，另一端连接电子设备，避免电子设备对人体神经造成直接伤害，保证信号的稳定性，可帮助截肢者恢复运动感觉功能，获得生活自理能力，解决社会负担；同时解决了外周神经电极长期植入所存在的信号记录不可靠的问题。

(2)本发明的培养座可组合拆卸的结构，便于对单束或多束神经细胞生长进行控制。

(3)本发明所培养出的神经与宿主神经融合后，两者的同源性有利于突触连接的建立和神经通路的修复。

(4)本发明中的神经元连接更规则，有利于周围神经信号的分离与编解码。

(5)本发明中对神经进行体外培养，在电极与神经元耦连的情况下，利用张力诱使轴突生长，保证了电极与神经的兼容性，同时建立电极与神经元的稳定连接。

(6)本发明实施过程中的外科植入手术在残肢末端受损的周围神经处，减小了手术的复杂性，避免了损伤其他正常神经或肌肉组织，术后恢复时间短。

(7)本发明中的神经接口的体外封装可形成保护性屏障和支架结构，增加接口的机械强度。

附图说明

图1为本发明外周神经接口的整体示意图。

图2为本发明牵拉神经培养装置的剖面图。

图3为本发明牵拉神经培养装置的培养槽箱体示意图。

图4为本发明牵拉神经培养装置的培养座示意图。

图5为本发明培养座上的两牵拉膜示意图。

图6为本发明牵拉膜上电极阵列示意图。

图中：1牵拉神经束，2牵拉膜，3神经导管，4外部神经接口，5培养槽箱体，6封盖，7培养槽，8培养座，81旋转体，82移动体，83伸缩杆，84夹持块，85连接轴，9牵拉连接块，10牵拉杆，11牵拉块，12支撑杆，13支撑块，14第一步进电机，15滑台，16第二步进电机，17控制器，18上位机，19宿主神经。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，一种基于组织工程的外周神经接口，包括牵拉神经束1、镀有电极触点的牵拉膜2、神经导管3和外部神经接口4，所述牵拉神经束1由初代神经细胞于牵拉神经培养装置的牵拉膜2上进行神经轴突牵拉培养获得，所述牵拉神经培养装置对神经轴突产生多维角度的牵拉刺激和电刺激，以控制神经轴突的生长长度、速度和方向，把牵拉膜2上的牵拉神经束1利用琼脂糖一并封装于神经导管3中，神经导管3的端部连接于外部神经接口4上，从而形成保护性屏障和支架结构；植入体内后，所述牵拉神经束1与宿主神经19相连，外部神经接口4与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制。

如图2所示，一种牵拉神经培养装置，包括培养槽7、培养座8、牵拉连接块9、牵拉杆10、第一步进电机14和第二步进电机16，所述培养槽7设置于培养槽箱体5内，所述培养槽箱体5设置有可形成一定间隙的封盖6，所述培养槽7内的两侧沿竖直方向均固定设置有支撑杆12，所述支撑杆12上套设有可上下滑移的支撑块13，所述牵拉杆10的中上部固定设置有牵拉块11，牵拉杆10的下端从培养槽7的顶部伸入培养槽7内，并固定于支撑块13的中部，所述牵拉杆10的上端连接所述牵拉连接块9，所述第一步进电机14的驱动端连接有内置滚珠丝杆的滑台15，所述滑台15与牵拉连接块9相连接，以驱使牵拉连接块9上下移动；如图4所示，所述培养座8设置于培养槽7内，其包括旋转体81、移动体82和连接二者的伸缩杆83，所述移动体82的上端固定连接在支撑块13的底部，所述旋转体81的下端通过连接轴85与第二步进电机16的驱动端相连接，所述旋转体81与伸缩杆83通过轴承相连接，以使旋转体81可绕伸缩杆83转动，所述移动体82的下端和旋转体81的上端相对应地设置有多组可拆卸的夹持块84，每组所述夹持块84上均夹持有端部相互紧贴的牵拉膜2，两个所述牵拉膜2相接触的表面贴附有初代神经细胞。

如图3所示，所述培养槽箱体5的封盖6为有机玻璃，二者之间的间隙可促进培养槽箱体5内的气体流通。所述培养槽7、支撑块13、培养座8均采用聚醚醚酮材料，所述的牵拉杆10、支撑杆12和伸缩杆83均采用不锈钢材料。

如图2所示，所述第一步进电机14和第二步进电机16均电连接有控制器17和上位机18。由数据线将上位机18的控制指令传输至控制器17，从而驱动第一、第二步进电机16，第一步进电机14带动滚珠丝杆转动，从而控制固定在滚珠丝杆上的滑台15移动，滑台15带动牵拉连接块9产生移动，牵拉连接块9通过牵拉杆10、支撑块13带动培养座8上的移动体82产生移动，从而使两个牵拉膜2产生上下方位的相对移动，从而牵拉贴附在其上的神经细胞；第二步进电机16带动旋转体81旋转，使两个牵拉膜2产生左右方位的相对移动，从而两牵拉膜2上的神经轴突产生多维角度的牵拉。利用上位机18输入指令至控制器17，可控制第一、第二步进电机16转动的速度，从而控制神经轴突生长的长度、方向、速度。

如图5所示，所述夹持块84与旋转体81、移动体82磁性连接，以夹紧牵拉膜2，可供实验人员进行单只神经细胞实验观察使用，也可以为病情更为复杂的病人提供单只神经修复的素材。

本实施例中，所述牵拉膜2为长方形的透明性薄膜。优选地，所述牵拉膜2为厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜，两个所述牵拉膜2相接触的一端的厚度均打磨成10μm以下；该膜生物兼容性好、透明，且抗高温高压，不易发生变形，方便灭菌、观察和牵拉。

如图6所示，两个所述牵拉膜2相接触的表面镀有微电阵列的柔性电路板，所述柔性电路板上镀有电极触点，所述电极触点与多通道神经信号记录刺激系统相连接，对神经细胞的不同位点进行选择性刺激，根据对神经轴突的电刺激命令进行电刺激，并记录相应的神经电生理信号。

一种外周神经接口的制作方法，包括以下步骤：

(1)通过神经节截除术取得一段初代神经细胞；

(2)在一组牵拉膜2相接触的表面镀上微电阵列的柔性电路板，柔性电路板上镀上电极触点，所述电极触点与多通道神经信号记录刺激系统相连接；

(3)将该组牵拉膜2夹持在培养座8上，将初代神经细胞贴附于牵拉膜2上进行培养；

(4)利用牵拉神经培养装置对神经轴突进行多维角度的牵拉刺激，控制神经轴突的生长长度、速度和方向，培养形成牵拉神经束1；

(5)利用电路板对神经轴突电刺激，记录相应的神经电生理信号；

(6)将牵拉神经束1和牵拉膜2一并封装于神经导管3中，神经导管3的端部连接外部神经接口4；

(7)植入体内后，牵拉神经束1与宿主神经19相连，外部神经接口4与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制。

Claims (5)

1.一种基于组织工程的外周神经接口，其特征在于：包括牵拉神经束、镀有电极触点的牵拉膜、神经导管和外部神经接口，所述牵拉神经束由初代神经细胞于牵拉神经培养装置的牵拉膜上进行神经轴突牵拉培养获得，所述牵拉神经培养装置对神经轴突产生多维角度的牵拉刺激和电刺激，以控制神经轴突的生长长度、速度和方向，把牵拉膜上的牵拉神经束利用琼脂糖一并封装于神经导管中，神经导管的端部连接于外部神经接口上；植入体内后，所述牵拉神经束与宿主神经相连，外部神经接口与外部设备接口相连，以通过外部设备实现对肢体的控制；所述牵拉神经培养装置包括培养槽、培养座、牵拉连接块、牵拉杆、第一步进电机和第二步进电机，所述培养槽设置于培养槽箱体内，所述培养槽箱体设置有可形成一定间隙的封盖，所述培养槽内的两侧沿竖直方向均固定设置有支撑杆，所述支撑杆上套设有可上下滑移的支撑块，所述牵拉杆的中上部固定设置有牵拉块，牵拉杆的下端从培养槽的顶部伸入培养槽内，并固定于支撑块的中部，所述牵拉杆的上端连接所述牵拉连接块，所述第一步进电机的驱动端连接有内置滚珠丝杆的滑台，所述滑台与牵拉连接块相连接，以驱使牵拉连接块上下移动；所述培养座设置于培养槽内，其包括旋转体、移动体和连接二者的伸缩杆，所述移动体的上端固定连接在支撑块的底部，所述旋转体的下端通过连接轴与第二步进电机的驱动端相连接，所述旋转体可绕伸缩杆转动，所述移动体的下端和旋转体的上端相对应地设置有多组可拆卸的夹持块，每组所述夹持块上均夹持有端部相互紧贴的牵拉膜，两个所述牵拉膜相接触的表面贴附有初代神经细胞。

2.根据权利要求1所述的一种基于组织工程的外周神经接口，其特征在于：所述牵拉膜为厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜，两个所述牵拉膜相接触的一端的厚度均打磨成10μ以下。

3.根据权利要求2所述的一种基于组织工程的外周神经接口，其特征在于：两个所述牵拉膜相接触的表面镀有微电阵列的柔性电路板，所述柔性电路板上镀有电极触点，所述电极触点与多通道神经信号记录刺激系统相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于组织工程的外周神经接口，其特征在于：所述夹持块与旋转体、移动体磁性连接，以夹紧牵拉膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于组织工程的外周神经接口，其特征在于：所述第一步进电机和第二步进电机均连接有控制器和上位机。

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