Kurbağa siyatik sinirinin canlı ortamda esnek elektrot kullanılarak elektrokimyasal yöntemle uyarımı

Abstract

Günümüzde sinirsel bozukluklar, omurilik yaralanmaları gibi durumlarda tedavi metodu olarak klasik fonksiyonel elektriksel uyarımı uygulanmaktadır. Bu yöntem yüksek akım uygulanması gerektirdiğinden ötürü istenmeyen sinirlerin uyarılmasına ve geçici veya kalıcı şekilde dokularda zarar oluşmasına neden olabilmektedir. Bu problemi engellemek için, uyarım eşik değerinin (siniri uyarmak için gerekli olan asgari akım değeri) düşürülmesini öneriyoruz. Klasik fonksiyonel elektriksel uyarımı klasik kablo ile uygulanırken, bu çalışmada eşik değerini düşürmek için uyarım akımı mikrofabrikasyon yöntemleriyle üretilmiş düzlemsel ve esnek elektrotlar ile uygulanmıştır. Düzlemsel elektrot standart litografi yöntemleriyle cam levha üzerine altın kaplayarak üretilmiştir. Esnek elektrot üretmek için ise termal bant zemin olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada, nanoteknolojinin sunduğu gelişmelerden olan bu mikrofabrikasyon yöntemleri biyomedikal uygulama alanına tatbik edildi. Ayrıca, klasik fonksiyonel elektriksel uyarıma ek olarak iyon konsantrasyonunu uyarım sırasında değiştirerek eşik değerini daha da düşürmek hedeflendi. Uyarım sırasında akım uygulanırken iyon konsantrasyonu otomatik olarak değiştirilerek elektrokimyasal uyarım yapılmış oldu. Uyarım iyon hareketlerine bağlı olduğu için bu yöntem kullanılarak aksiyon potansiyeli oluşumu kolaylaştırılıp eşik değeri düşürüldü. Klasik kablo, mikrofabrikasyon yöntemiyle üretilmiş düzlemsel ve esnek elektrot olmak üzere üç elektrot kullanılarak kurbağanın siyatik siniri üzerinde eşik değerleri in-situ ortamda ölçüldü. Tüm hayvan deneyleri etik kurallar çerçevesinde kurbağalar üzerinde yürütülmüştür. Vücutta gastrocnemius kasıyla birlikte bulunan siyatik siniri kurbağadan disseke edilmiştir. Eşik değerini ölçmek için uyarım akımı elektrotla siyatik sinire uygulanmış ve gastrocnemius kasında oluşan kuvvet force transducer ile kaydedilmiştir. Eşik değerini tespit etmek için uygulanan uyarım akımı sonucunda kasta kasılma olup olmadığı gözlemlenmiştir. Düzlemsel elektrot ile ölçülen Eşik Değeri klasik fonksiyonel uyarımdan 60-65% daha düşük olarak gözlemlenmiştir. Bunun nedeni sinir ve elektrot arasındaki temas yüzeyinin artışıdır. Öte yandan, Esnek Elektrotla yapılan ölçümde ise klasik kabloya göre Eşik Değerinde 80-85% düşüş gözlemlenmiştir. Bu düşüşün nedeni de Esnek Elektrotun siniri sararak yüzey alanını daha da artırmasıdır. Son olarak, esnek elektrotlar ISE (İyon Seçici Elektrot) teknolojilerinde kullanılan Ca2+-ISM (Kalsiyum-iyon seçici membran) ile kaplanarak uyarım sırasında Ca2+ çekilmesi sağlandı. Ca2+ iyonu doğal bir Sodyum Kanal engelleyicisi olduğu için, Ca2+ çekmek uyarımı kolaylaştırdı ve Eşik Değerini yalın elektrota oranla 15-25% düşürdü. Sonuç olarak, esnek elektrot küçük cihazlarda verimli temas yüzeyi sağladığı için uyarım akımını düşürerek daha zararsız uyarım sağlamaktadır. Ayrıca, esnek elektrotlar Ca2+-ISM ile kaplanarak uyarım sırasında otomatik olarak Ca2+ iyonunun çekilmesi sağlanmıştır. Bu elektrokimyasal yöntem ise uyarımın kolaylaşmasını ve eşik değerin düşmesini sağlar. Böylece uyarım verimliliği artırılmıştır ve daha düşük uyarı akımlarıyla sinir uyarılmıştır.

Conventional functional electrical stimulation is a currently available treatment method for neurological disorders such as paralysis and spinal cord injury. This conventional electrical stimulation results in unwanted nerve signals and temporary or permanent damage on tissues because of the requirement of high current values. In order to prevent these problems, we propose to reduce the threshold value for stimulation which is the minimum required current value to stimulate the nerve. In this study, stimulation current was applied with microfabricated planar and flexible electrodes to reduce the threshold whereas the conventional functional electrical stimulation is implemented with conventional cable. The planar electrode was fabricated with the standard lithography techniques by coating gold on a glass wafer. On the other hand, in order to fabricate the flexible electrode, we used kapton tape as a substrate. These microfabrication methods are provided by the developments of the nanotechnology and we applied these techniques for biomedical applications. In addition, the threshold value is reduced by modulating the ion concentration automatically during the stimulation. By using this technique, the electrochemical stimulation is applied. Since the stimulation depends on the ion concentration gradient, the action potential is produced easily and threshold for stimulation is reduced. The threshold values for these three electrodes; conventional cable, microfabricated planar electrode and flexible electrode were measured in-vivo along the sciatic nerve of a frog. All the animal experiments were performed in pursuance of the ethical protocols. The sciatic nerve which is integrated with the gastrocnemius muscle, was dissected from the frog. To measure the threshold value, the stimulation current was applied by the electrode, and the resulting force on the gastrocnemius muscle was recorded via force transducer. The threshold values for the three types of electrodes were detected by observing whether there is a muscle contraction or not, as a result of the stimulation current applied. The microfabricated planar electrode reduced the threshold values by 60-65% compared to the conventional functional stimulation due to increase in contact area between the nerve and the electrode. Furthermore, the flexible electrode reduced the threshold values by 80-85% in comparison to the conventional cable. This improvement was achieved by increasing the contact area more, through surrounding the nerve by flexible electrode. Finally, Ca2+ is depleted from the extracellular solution by coating the flexible electrode with Ca2+-ISM (Calcium-ion selective membrane). Since the Ca2+ is a natural blocker of voltage-gated sodium channels, the threshold values is reduced by 15-25% when compared to bare electrode by depleting Ca2+ during the stimulation. In conclusion, since the flexible electrode provides efficient contact area in a small device, it can be implanted into a body. Furthermore, the electrochemical stimulation applied and the threshold is reduced by depleting the Ca2+ ion from the extracellular solution. It is the most harmless way to stimulate the nerve by decreasing the stimulation current applied. Hence, the flexible electrode can be used for implantable neuroprosthetic devices for treatment of neural disease or injury.