CN113245650B - 一种脑深部刺激套管电极及其表面毛化的随机仿生微织构制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑深部刺激套管电极及其表面毛化的随机仿生微织构制备方法，该制备方法在微细电火花机床上进行，所述微细电火花机床包括电源、工具电极、旋转主轴头、工作台和升降装置，所述工具电极为长方体金属块，该制备方法针对表面光滑的不锈钢材质的圆柱形中空的套管电极。本发明的有益效果：经该方法处理的套管电极具有表面毛化的随机仿生微织构，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，减小穿刺摩擦力，并且可减小穿刺过程中脑组织的变形程度；表面毛化形成的凹坑微结构随机相互重叠连通形成毛细管，利用毛细管作用更易于捕捉润滑剂，降低套管电极对脑组织的穿刺损伤。

Description

一种脑深部刺激套管电极及其表面毛化的随机仿生微织构制 备方法

技术领域

本发明属于脑深部刺激穿刺介入技术领域，具体涉及一种脑深部刺激套管电极及其表面毛化的随机仿生微织构制备方法。

背景技术

随着人口老龄化问题的加剧及人类生活、工作压力的增大，越来越多的患者呈现脑深部疾病，导致大脑深部某些神经核团功能失调，表现为一系列的行为、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。该手术实施过程中，套管电极将对脑组织进行较长路径的穿刺，以实现刺激电极的针尖对靶点的定位，穿刺路径的长度一般大于50mm。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穿刺摩擦力。穿刺摩擦力会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。

申请人致力于套管电极的研究，之前提交了申请号为202010065753.6，名称为一种直线型交错阵列仿生微织构脑深部刺激套管电极的发明专利。该专利公布了一种表面具有仿生微织构的套管电极，微织构沟槽可以储存脑脊液，具有润滑的作用，一定程度的减少了套管电极圆柱表面与脑组织之间的摩擦力。由于微织构呈规律的交错阵列分布，微织构沟槽的细长棱边对脑组织有持续的切削作用，严重时会对脑组织造成损坏。

发明内容

针对现有技术中套管电极与脑组织之间摩擦力大，在穿刺过程中会对脑组织造成损伤的问题，提供了一种脑深部刺激套管电极及其表面毛化的随机仿生微织构制备方法。通过对该方法对套管电极的表面进行表面毛化处理，在表面生成仿生微织构，来降低套管电极在穿刺过程中的摩擦力。

一种脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法，

该制备方法在微细电火花机床上进行，所述微细电火花机床包括电源、工具电极3、旋转主轴头、工作台和升降装置，所述工具电极为长方体金属块，工具电极连接电源的负极，工具电极安装于工作台上，工作台在XY坐标轴平面内自由移动，旋转主轴头由电机驱动旋转，旋转主轴头下端具有三爪卡盘，旋转主轴头安装在升降装置上，在升降装置的作用下沿轴向上下移动，该制备方法针对表面光滑的不锈钢材质的圆柱形中空的套管电极，具体包括以下步骤：

S1、将表面光滑的套管电极进行清洗，以清除表面杂物；

S2、将表面光滑的套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持，开动中空旋转夹持器，调整套管电极的旋转精度至合理的跳动误差内；

S3、调整工具电极的位置及空间姿态，使其平面与表面光滑的套管电极轴线平行且贴近套管电极的圆柱面；

S5、将表面光滑的套管电极连通电源正极；

S6、调整套管电极与工具电极3的轴向位置，使重合长度等于预期的微织构化区域的长度；

S7、设置好微细电火花加工毛化的电参数、中空旋转夹持器的旋转速度及冷却液的喷淋速度；

S8、调整套管电极与长方体金属块的距离使其达到合理的放电间隙；

S9、伴随微细电火花放电磨削过程对套管电极表面毛化处理后所得凹坑微结构的随机叠加，完成套管电极表面毛化的随机仿生微织构的制备。

其中，工作台在放电平面内缓慢移动，使工具电极向套管电极靠近，补偿工具电极的放电消耗。

其中，在毛化处理的过程中，在升降装置的作用下带动套管电极规律的上下轴向移动，在套管电极长度方向上均匀的生成仿生微织构。

一种脑深部刺激套管电极，由上述的制备方法获得，其圆柱外表面的仿生微织构由一系列凹坑组成，所述凹坑的形状大小随机生成，所述凹坑的位于套管电极上的位置随机产生，所述凹坑的直径随机分布于10μm～20μm之间，所述凹坑的深度随机分布于10μm～20μm之间。

其中，所述仿生微织构分布于套管电极的外圆柱面上的前端位置，共60mm的长度范围内。

其中，凹坑之间随机的相互叠加，相互叠加的凹坑连通形成毛细管。

其中，所述凹坑在套管电极圆柱表面上呈正偏态分布。

本发明的有益效果：

1.经本申请的制备方法处理过的套管电极具有表面毛化的随机仿生微织构，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，减小穿刺摩擦力，并且可减小穿刺过程中脑组织的变形程度；

2.经本申请的制备方法处理过的表面毛化形成的凹坑微结构随机相互重叠连通形成毛细管，利用毛细管作用更易于捕捉润滑剂，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，并且可减小穿刺过程中脑组织的变形程度；

3.利用在套管电极圆柱表面加工仿生微织构的方法，不掺杂其它材料，可保证套管电极的生物相容性。

附图说明

图1为本发明实施例的套管电极的整体形貌图；

图2为本发明实施例表面毛化的随机仿生微织构在脑深部刺激套管电极上的分布图；

图3为本发明实施例脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法的加工示意图；

图4为本发明实施例微细电火花放电表面毛化过程中套管电极相对工具电极的平移位置。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

参见图1-图4，本实施例提供一种脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法。

如图1、2所示，该方法针对的套管电极的材料、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。套管电极为Φ1.5mm的不锈钢中空圆柱，壁厚约为150μm，长度约为130mm。该方法对套管电极的前端进行加工处理，使其表面产生仿生微织构。微织构化区域的总长度约为60mm，与电极前端面的距离为0.5mm，以防止穿刺开始时微织构对脑组织的切削作用。

对不锈钢材料表面进行微细电火花放电毛化处理，会使毛化区域的材料产生微米级的高频融化和气化，会在毛化处理表面形成大量的随机分布且相互叠加的正偏态凹坑微结构。

微细电火花放电磨削过程中工具电极为表面平整的长方体金属块，其平面与套管电极轴线平行，其高度小于或等于微织构化区域的总体长度；工具电极通负电(正电)，套管电极通正电(负电)。二者之间的间隙可调，以获得理想的表面毛化放电间隙；套管电极匀速转动，以满足圆周方向上的随机放电毛化处理；套管电极相对工具电极可轴向平移，以满足轴线方向上整个微织构化区域的随机放电毛化处理。

该制备方法利用微细电火花放电磨削技术对电极表面毛化处理后所得凹坑微结构随机叠加的原理制备。该套管电极圆柱表面上仿生微织构的形貌为微细电火花放电毛化后的单个凹坑微结构或者数个凹坑微结构随机叠加后的形状；从微观上看，该套管电极圆柱表面上单个仿生微织构的位置分布随机、深度及形状尺寸随机、相互间隔随机。从宏观上看，该套管电极圆柱表面上微织构化区域的总体长度为60mm，与电极前端面的距离为0.5mm，以防止穿刺开始时微织构对脑组织的插削作用；整个微织构化区域布满了微细电火花放电之后的凹坑微结构，微织构具有各向同性的分布特点。

微织构组成由一些列的尺寸不一的凹坑组成，凹坑为盲孔。凹坑的直径为10μm～20μm，其深度为10μm～20μm。凹坑的尺寸随机生成，凹坑的直径、深度在其范围内随机分布。凹坑为不规则形状，并不是规则的圆形盲孔，其开口不一定是规则的圆形。其直径是开口的最大尺寸，其深度是指最深点的距离。凹坑之间存在相互叠加的情况，凹坑在套管电极表面呈正偏态分布。凹坑能储存脑脊液、减小套管电极与脑组织的有效摩擦面积，降低套管电极对脑组织的穿刺损伤。凹坑之间因为相互叠加而连通，形成形状各异，随机分布的毛细管。通过毛细管作用更易于捕捉润滑剂，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。因为毛细管的形状各异，长度位置随机分布，可以有效避免在穿刺过程中对脑组织的切削作用。

套管电极为Φ1.5mm的不锈钢中空圆柱，壁厚约为150μm。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，因此仿生微织构的直径处于脑神经细胞的尺寸水平(10μm～20μm)及以下均可防止脑神经细胞进入仿生微织构。

经研究发现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。

如图3、4所示，该套管电极的制备方法，在微细电火花机床上进行，脑深部刺激套管电极圆柱表面的随机仿生微织构可通过微细电火花放电磨削技术进行毛化处理加工，具体包括以下步骤。

步骤1、将表面光滑的套管电极置于酒精中进行两次超声波清洗，每次清洗10min，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；

步骤2、将表面光滑的套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持，安装在微细电火花加工机床上，其外伸长度大于65mm；

步骤3、开动中空旋转夹持器，调整套管电极的旋转精度至合理的跳动误差内；

步骤4、将表面平整的长方体金属块安装在微细电火花加工机床的工作台上作为工具电极，调整长方体金属块的位置及空间姿态，使其平面与表面光滑的套管电极轴线平行且距离不超过2mm；

步骤5、将表面光滑的套管电极通正电(负电)，将表面平整的长方体金属块通负电(正电)；

步骤6、调整套管电极与长方体金属块的轴向位置，使重合长度等于预期的微织构化区域的长度；

步骤7、设置好微细电火花加工毛化的电参数、中空旋转夹持器的旋转速度及冷却液的喷淋速度；

步骤8、调整套管电极与长方体金属块的距离使其达到合理的放电间隙；

步骤9、在放电平面内沿垂直于轴线方向缓慢移动套管电极相对长方体金属块的位置，补偿工具电极的放电消耗。

步骤10、伴随微细电火花放电磨削过程对套管电极表面毛化处理后所得凹坑微结构的随机叠加，完成脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构的制备。

如图3所示，旋转主轴头2上有三抓卡盘，将套管电极1夹持住。旋转主轴头2可以快速旋转。旋转的同时，还可以在升降装置5的作用下上下运动。升降装置5可以是由伺服电机驱动的滚珠丝杠机构，并配合导轨滑块机构。

如图3所示，工作台4上设置有工具电极3。工具电极3为长方体金属块。工作台4可以沿x轴y轴两个方向上带动工具电极3平移，以控制工具电极3和套管电极1的间距，同时在电火花加工的时候，还可以平移运动。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顺时针”和“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法，其特征在于，所述电极圆柱外表面的仿生微织构由一系列凹坑组成，所述凹坑的形状大小随机生成，所述凹坑的位于套管电极上的位置随机产生，凹坑之间随机的相互叠加，相互叠加的凹坑连通形成毛细管；

该制备方法在微细电火花机床上进行，所述微细电火花机床包括电源、工具电极、旋转主轴头、工作台和升降装置，所述工具电极为长方体金属块，工具电极连接电源的负极，工具电极安装于工作台上，工作台在XY坐标轴平面内自由移动，旋转主轴头由电机驱动旋转，旋转主轴头下端具有三爪卡盘，旋转主轴头安装在升降装置上，在升降装置的作用下沿轴向上下移动，该制备方法针对表面光滑的不锈钢材质的圆柱形中空的套管电极，具体包括以下步骤：

S1、将表面光滑的套管电极进行清洗，以清除表面杂物；

S2、将表面光滑的套管电极通过中空旋转夹持器的三爪卡盘夹持，开动中空旋转夹持器，调整套管电极的旋转精度至合理的跳动误差内；

S3、调整工具电极的位置及空间姿态，使其平面与表面光滑的套管电极轴线平行且贴近套管电极的圆柱面；

S5、将表面光滑的套管电极连通电源正极；

S6、调整套管电极与工具电极的轴向位置，使重合长度等于预期的微织构化区域的长度；

S7、设置好微细电火花加工毛化的电参数、中空旋转夹持器的旋转速度及冷却液的喷淋速度；

S8、调整套管电极与长方体金属块的距离使其达到合理的放电间隙；

S9、伴随微细电火花放电磨削过程对套管电极表面毛化处理后所得凹坑微结构的随机叠加，完成套管电极表面毛化的随机仿生微织构的制备。

2.如权利要求1所述的脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法，其特征在于，工作台在放电平面内缓慢移动，使工具电极向套管电极靠近，补偿工具电极的放电消耗。

3.如权利要求1所述的脑深部刺激套管电极表面毛化的随机仿生微织构制备方法，其特征在于，在毛化处理的过程中，在升降装置的作用下带动套管电极规律的上下轴向移动，在套管电极长度方向上均匀的生成仿生微织构。

4.一种脑深部刺激套管电极，其特征在于，由权利要求1、2或3的制备方法获得，所述凹坑的直径随机分布于10µm~20 µm之间，所述凹坑的深度随机分布于10µm~20 µm之间。

5.如权利要求4所述的脑深部刺激套管电极，其特征在于，所述仿生微织构分布于套管电极的外圆柱面上的前端位置，共60mm的长度范围内。

6.如权利要求4所述的脑深部刺激套管电极，其特征在于，所述凹坑在套管电极圆柱表面上呈正偏态分布。

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