用于微创脊髓和脑刺激和记录的形状记忆合金和聚合物电极阵列
1.关于政府利益的声明
2.无。
3.关联申请的交叉引用
4.本技术要求于2020年4月28日提交的美国临时专利申请序列第63/016716号的权益，以及于2020年10月27日提交的美国临时专利申请序列第63/106062号的权益，这些专利申请中的每一个通过引用以其整体并入本文。
5.发明背景
6.本发明总体上涉及电极阵列，并且更具体地涉及用于微创脊髓和脑刺激和记录的形状记忆合金和聚合物电极阵列。
7.一般而言，具有用于脊柱和脑刺激和记录的电极系统是有利的，该电极系统可以使用微创手术被插入，并且可以在部署后在内部实现预期神经元目标的高覆盖。然而，此类电极系统的发展一直缓慢，部分原因是现有金属和陶瓷探针中使用的材料的问题。结果是，用于刺激和记录神经元活动的大多数方法造成不必要的组织损伤。
技术实现要素：
8.以下呈现创新的简化概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。本发明内容不是本发明的广泛概述。其既不旨在标识本发明的关键或关键要素，也不旨在描述本发明的范围。它的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。
9.在一方面，本发明的特征在于一种电极阵列，其包括：能移除的外护套；绝缘层，外护套包围绝缘层；以及被绝缘层包围的中心腔，中心腔包括镍和钛的金属合金。
10.在另一方面，本发明的特征在于一种电极阵列，包括电极阵列，该电极阵列包括：能移除的外护套；绝缘层，能移除的外护套包围绝缘层；以及被绝缘层包围的中心腔，中心腔包括热固形状记忆聚合物。
11.在又一方面，本发明的特征在于一种方法，包括：将基于生物相容形状记忆合金的导线适配成电极阵列；通过针以微创方式将适配的电极阵列插入人体的一部分中；以及使用热量转化所述适配的电极阵列电极形状，以最大化人体的一部分的覆盖区域。
12.通过阅读以下具体实施方式和查看相关联的附图，这些以及其他特征和优点将显而易见。应当理解，前面的一般性描述和下面的具体实施方式两者仅是示例性，并且不限制所要求保护的各方面。
附图说明
13.参考以下描述、所附权利要求书以及附图，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将被更好地理解，其中：
14.图1示出示例性经修改的圆柱形引线的截面。
15.图2示出将用于背柱刺激的经修改的圆柱形引线插入硬膜外空间中(可以允许微创地插入具有更大覆盖的电极)的三个步骤的示例性视图。
16.图3图示我们的经修改的电极的热引发的形状记忆能力可如何被激活的三个示例性示例。
17.图4示出形状记忆聚合物的示例性热引发的形状记忆能力。
18.图5示出镍钛诺在它在四个步骤中被变形为暂时形状并被加热以允许恢复到其原始几何形状时的示例性形状记忆能力。
19.图6示出圆柱形引线的镍钛诺部件可以采用的两个示例性示例几何形状。
具体实施方式
20.现在参考附图描述主题创新，其中附图标记贯穿全文用于指代相同的元素。在以下描述中，出于解释的目的阐述了众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，可能明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备，以便有助于描述本发明。
21.神经调节是临床神经科学中快速扩展的领域。如今，以引线、网格和桨状(paddle)形式的电极阵列被放置以在脑部和脊髓中进行刺激和记录，以用于治疗神经和精神疾病，所述神经和精神疾病包括例如癫痫、帕金森氏症、强迫症和疼痛。为了最大化脑部和脊柱中的电极覆盖，通常必须执行开颅手术或椎板切除术，以便放置大的网格或桨状电极来覆盖脑部或脊柱。
22.本发明是适配(adaption)到传统的电极阵列：生物相容的形状记忆合金和/或基于热固性和热塑性聚合物的导线、护套、铰链或其他紧凑的几何形状被使用以通过针或脊柱或颅骨中的小窗口以微创方式插入电极阵列，然后使用形状记忆合金和/或聚合物的形状记忆响应将该电极形状转化为覆盖脑部或脊髓的更期望区域的形状。在我们的设计中，使用金属丝的弹性可以在需要的地方提供更高水平的形状变化力。生物相容的形状记忆合金和聚合物的形状变化主要通过热响应被激活。当部件达到某个转变温度范围以上时，会引发形状变化。
23.作为一个示例，形状记忆合金可用于优化背柱刺激。用于慢性疼痛的背柱刺激是神经调节手术，通过该神经调节手术可以通过以下方式将电极阵列放置在脊髓的背柱上：经皮地通过将小的直电极滑过针并使用x射线在适当的脊柱水平上将它们硬膜外地推进，或者通过开放式手术，其中电极浆通过开放式椎板切除术在适当水平上被放置。本发明弥合了开放式手术和经皮手术之间的缺口。本发明的形状记忆合金或基于聚合物的电极系统可以被经皮放置但具有与开放式桨状电极相同的用于刺激器的脊柱水平的优异覆盖。在形状记忆合金镍钛诺的情况下，镍钛诺在体外被设置为期望的形状并在插入之前变形为线性形状。镍钛诺能够在身体环境外部保持其线性变形形状。其作为热引发的形状记忆合金的特殊特性使它能够在低于其转变温度时保持其变形形状。在形状记忆合金镍钛诺被放置在高于其转变温度的环境中后，该材料将表现出超弹性特性并恢复到其期望的初始设定形状。因此，一旦镍钛诺引线被插入体内，它将恢复到旨在优化用于背柱刺激的引线覆盖的其初始编程形状。在镍钛诺的形状转变温度以下以及镍钛诺一旦被加热到其转变温度以上时发生的相变。本发明可以使用体温作为将形状记忆合金和聚合物加热到高于其形状转变温
度的自然方式，而不需要外部热源。
24.在一个实施例中，本发明使用镍钛诺、镍和钛的金属合金或其他形状记忆合金或形状记忆聚合物的形状记忆效应来创建经修改的圆柱形引线，该引线一旦被暴露到身体环境，将扩展到更接近地类似于最佳地靶向工业偏好所规定的特定皮节(dermatomes)的桨状引线的区域覆盖或几何形状。
25.可以在原位扩展之前利用类似于圆柱形引线放置的经皮技术以微创方式插入经修改的圆柱形引线。经修改的圆柱形引线比目前的圆柱形引线提供更多的覆盖，减少了对昂贵和侵入性椎板切除术的需求，并增加了不仅是脊柱外科医生而且是所有疼痛管理医师对手术的可及性。
26.经修改的圆柱形引线还可用于背柱为目标的脊髓刺激以外的应用，包括外周神经刺激、背根刺激和神经的记录。在一种实现中，这是通过使用形状记忆合金镍钛诺(niti)来实现的。
27.在图1中，用于背柱刺激的示例性经修改的圆柱形引线100的截面被示出并且包括在经修改的圆柱形引线100被插入时移除的外护套110。在外护套110内是绝缘层120，该绝缘层120包括多个轨道腔130，该轨道腔130携载递送刺激的导电部件。绝缘层120包围中心腔140，该中心腔140在一种实现中使用形状记忆合金镍钛诺。在另一实现中，中心腔140可以具有其他形状记忆合金或聚合物。外护套110可以包括氟化乙丙烯(fep)。绝缘层100可以包括聚氨酯。
28.如上所述，镍钛诺(niti)是金属合金，该金属合金由于其生物相容性和超弹性在许多医疗应用中被使用。本发明利用形状记忆效应，其中材料在一定温度以上经历“相变”，该一定温度将材料从具有较低刚度的材料相转变为呈现其被加工的原始形状的更硬的超弹性材料。在体温以下，经修改的圆柱形引线100可以被制造成类似于桨状引线脊柱覆盖的形状，或者将最最优地靶向期望区域的任何形状。以所制造的几何形状，经修改的圆柱形引线100被拉直，被放入导引器护套中，并类似于圆柱形电极经皮地被插入硬膜外空间中。一旦被插入到期望的位置，护套就被移除，并且镍钛诺会在达到体温后将引线恢复回到提供最佳覆盖的形状。
29.在图2中，示出了用于背柱刺激的经修改的圆柱形引线的插入的示例性表示。在210，将狭窄的经修改的圆柱形引线经皮插入。在215，将引线向上沿硬膜外空间导航至其期望的区域。在220，移除导引器护套并且允许经修改的电极恢复它被加工成的形状230。在220，该形状是s形的之字形几何形状。出于演示的目的，我们在这里示出两个圆柱形引线230，但是在我们的应用中可以使用不止两个引线。
30.在图3中，示出了如何可以引发用于身体中的背柱刺激的经修改的圆柱形电极的形状变化的示例性表示300。形状记忆合金或聚合物的恢复不限于将部件加热至体温。形状记忆合金和聚合物可以以允许在引发相变的温度范围内定制的方式被合成和加工。
31.在图3中，外部热源301可用于在某些设计中引发经修改的电极的形状变化。在302中，与电极一起施用防止恢复的冷盐水。在又一示例303中，可以使用护套来防止经修改的电极的过早恢复。这些是可用于允许控制何时发生形状恢复304的示例性方法。
32.在图4中，示出了形状记忆铰链制造400的示例性表示。将处于其原始形状414的热固性形状记忆聚合物412加热至高温th(＞tg)以提供加热形状416，其中tg是其玻璃转变温
度。加热形状416在th(＞tg)处变形为变形(直的)形状418。变形形状418被冷却到较低的温度tc(》tg)以保持形状420。在tc(》tg)处移除负载保留了暂时形状422。形状422可以通过微创手术被插入并且体温或外部刺激可以改变铰链的形状。在th(》tg)下加热暂时形状422将暂时形状422返回到其原始热固性形状记忆聚合物形状424。
33.总之，当原始形状达到玻璃转变温度以上的温度时，它能够在其橡胶般柔软的状态下变形。然后当材料被冷却时，可以保持该变形。在被加热到玻璃转变温度以上时，聚合物恢复到其原始形状。相同的过程适用于将形状改变为期望形状的形状记忆合金。
34.在一个特定示例中，使用丙烯酸叔丁酯(tba)、聚(乙二醇)n二甲基丙烯酸酯(pegdma)和光引发剂2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮制备形状记忆聚合物。成分的重量百分比分别为89.2％、10％和0.2％。形状记忆聚合物片是通经由培养皿的模具和由载玻片制成的顶部制成的，其中混合的和经高压灭菌(10分钟)的溶液被放置在两个玻璃表面之间。该模具由1-2个同样由载玻片制成的垫片隔开，每个载玻片的厚度为0.15英寸(3.175mm)。之后，将溶液紫外线固化15分钟，并在90℃下烘箱固化60分钟，以获得片形式的最终形状记忆聚合物。然后从该片切下具有矩形截面的半圆形铰链。
35.在图5中，示出了镍钛诺的相变的示例性图示500。在501处，镍钛诺在低于特定转变温度范围的温度下呈孪晶型马氏体形状。在孪晶型马氏体相的转变范围之下，镍钛诺可以在502处轻松变形高达11％应变至另一几何形状，诸如线性形状，以便电极更容易经皮插入。这将导致镍钛诺从孪晶型马氏体转变为马氏体相，这将在503处保持其“变形”形状，直到被加热到其转变范围以上。一旦镍钛诺被加热到约其转变温度，它将在504处转变为奥氏体相，并且将呈现它在其孪晶型马氏体相时的形状。
36.为了获得镍钛诺的原始奥氏体形状，镍钛诺可以以期望的形状被获得，从毯状形式被机加工成期望的形状，或者可以将市售的镍钛诺设置为我们期望的形状。为了设置镍钛诺的奥氏体形状，必须将材料加热至500℃达一至三个小时以被固定在供预期使用的形状中。
37.在图6，示出了圆柱形引线的镍钛诺部件的示例几何结构的示例性图像。图像610显示了潜在的s形几何形状。图像620显示了三叉戟形状的几何形状。该几何形状可以根据期望具有少至两个和任意多的平行圆柱形引线，这些平行圆柱形引线在暴露于身体环境并被允许恢复时会彼此分开。这些几何形状是示例，并没有穷尽基于形状记忆合金和聚合物的圆柱形引线可以采用的所有潜在几何形状。
38.本领域技术人员将领会，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对所示出实施例进行各种变化和修改。除受所附权利要求书的范围限制外，所有此类修改和变化旨在落入本发明的范围内。