Kurbağa siyatik sinirini mikrofabrikasyon yöntemle üretilen esnek elektrot kullanarak canlı ortamda elektrokimyasal yöntemle bloklama
Electrochemical blocking of sciatic nerve of a frog in-vivo 
 using flexible electrode produced by microfabrication method
Yazar: ZAFER SOYBAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ROHAT MELİK
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İstatistiklere göre, mevcut ABD nüfusunun (% 1,9)  yani 5,6 milyon kişi felçlidir. Fonksiyonel Elektriksel Uyarım (FEU) sinir sisteminde kayıp fonksiyonları onarmak için kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemde sinirler kasları hareket ettirmek için elektrotlar tarafından uyarılır. Ancak uyarımın lokalizasyonunu sağlamak zordur. Bundan dolayı komşu sinirlerde de istenmeyen uyarımlar oluşmakta ve bu uyarımlar ağrıya neden olmaktadır. Bu nedenle, istenmeyen uyarımları sonlandırmak için bloklama akımı uygulanmalıdır. Bloklama akımı yüksek değerlerde uygulandığında sinirlere kalıcı hasar verdiğinden bloklama akımının olabildiğince düşük değerlerde olması arzu edilir. Bloklama akımını düşürmek için elektrokimyasal yöntem kullandık. Bu yöntem içinde öncelikli olarak mikrofabrikasyon yöntemiyle üretilen düzlemsel ve esnek elektrotlar üreterek klasik metoda göre bloklama akımını düşürmeyi amaçladık. Klasik yöntemde bloklama için kablolar kullanılır. Diğer bir içerik olarak da ISM(iyon seçici zar) kullanarak bloklama akımını kimyasal olarak düşürmeyi amaçladık.
Araştırmamızda, gerekli minimum bloklama akımlarını karşılaştırdık. Bloklama akımlarının uygulanması için; Esnek elektrotlar, düzlemsel elektrotlar ve kablolar kullandık. Gerekli deneyler kurbağa siyatik siniri üzerinde in-vivo ve in-situ olarak yapıldı.
Geniş yüzey alanı ve siyatik sinir ile temas açısından, düzlemsel elektrot kablolardan daha uygundur. Sonuçlara bakıldığında, düzlemsel elektrotların bloklama akımı klasik yöntemle karşılaştırıldığında % 50-70 oranında bir düşüş görülmektedir. Esnek elektrotların bloklama akımı değerlerini, düzlemsel elektrotların ve kabloların bloklama akımı değerleriyle karşılaştırdık. Esnek elektrotlar siniri daha iyi kavradığından diğerlerine kıyasla daha fazla temas yüzeyi oluşturmaktadır. Esnek elektrotların bloklama akımı kablolarla karşılaştırıldığında% 80-95 oranında düşüş gözlemlenmektedir.
Sinir sisteminde iç ve dış ortamdaki iyon konsantrasyonları ve bu iyonların aksiyon potansiyeli oluşumundaki rolleri bilinmektedir. Bu iyonlardan en etkin role sahip olanlardan başlıcaları ise Na+, K+, Cl- ve dolaylı olarak da Ca2+ iyonlarıdır. Fakat etkinlik bakımından en etkili olanı Ca2+ iyonu olduğu için Ca2+ iyonu için ISM(iyon seçici zar) kullanarak bloklama akımını düşürdük. ISM kullanarak bloklama akımında yalın elektrota göre % 40-50 arası bir düşüş sağladık.
Sonuç olarak, esnek elektrotların, planar elektrotlara ve klasik yöntemlere kıyasla bloklama akımını azaltmak için daha etkili olduğunu gözlemledik. Ayrıca elektrokimyasal yöntem olarak kullandığımız ISM Ca2+-ISM (Kalsiyum-iyon seçici membran) membrane sayesinde bloklama akımında yalın elektrotlara göre düşüş elde ettik. Böylece yüksek değerlerde uygulanan DC bloklama akımının sinir üzerinde oluşturacağı kalıcı hasarlardan kurtulmak mümkün olmaktadır. Bunlara ek olarak ISM, bloklama akımını düşürmedeki etkisi göz önüne alındığında, daha küçük boyutlarda üretilecek esnek elektrotlarımız aracılığıyla ileride felçli yüz kasları gibi küçük yapılı sinirler içeren dokularda kullanılmak üzere implant edilebilir tıbbi uygulamalar için uygun görünmektedir.

Anahtar Kelimeler: Fonksiyonel elektriksel uyarı (FEU), İyon-seçici elektrot (ISE), Sinir sistemi, İmplant, Esnek elektronik.

Abstract:
According to the statistics 5,6 million people in the current U.S. population (% 1.9) are suffered from paralysis. Functional Electrical Stimulation (FES) is a known method to restore the lost functions in nervous system. In this method, the nerves are stimulated by the electrodes to awake the muscles. But, it is hard to control the localization of the stimulation. Therefore, it causes non-targeted stimulation in adjacent nerves, causing pain. For this reason, blocking current should be applied to terminate the unwanted stimulations.  Since the applied DC blocking current in large quantities damages the nerves permanently, the blocking current is desired to be as low as possible. We used the electrochemical method using microfabrication techniques to reduce the blocking current. We aimed to decrease the blocking current with planar and flexible electrodes, produced by using microfabrication method, compared to classical method (blocking with cables). In addition, we intend to electrochemically reduce the blocking current using ISM (ion selective membrane).
In our research, we compared the minimum required blocking currents. For applying the blocking currents; we used flexible electrodes, planar electrodes and cables. Required experiments were done in in-situ and in in-vivo along the sciatic nerve of a frog.
Because planar electrodes have larger contact area with sciatic nerve, they are more suitable than cables for blocking. From these results, it can be seen that the blocking current obtained by the planar electrodes is % 50-70 lower compared to the blocking current obtained by the conventional method. Furthermore, we compared the blocking current values obtained from the flexible electrodes with the blocking current values obtained from the planar electrodes and the cables. Since the flexible electrodes surround the nerve better, it has more contact area with the sciatic nerve compared to others. The blocking current obtained from the flexible electrodes is  % 80-95 lower than the blocking current obtained from the cables.
In the nervous system,  internal and external ion concentrations and their role in the action potential formation are known. The most active ions are Na+, K+ and Cl- and indirectly Ca2+ ions. But since the Ca2+ ion is the most effective one in terms of activity, we lowered the blocking current using ISM (ion selective membrane) for the Ca2+ ion. We achieved a reduction of  % 40-50 in the blocking current compared to the bare electrode using ISM.
In conclusion, we have observed that flexible electrodes are more effective at reducing blocking current compared to the planar electrodes and conventional methods. In addition, by using Ca2+-ISM (Calcium-ion selective membrane) for the electrochemical method, we achieved a decrease in blocking current compared to the bare electrodes. Thus, it is possible to get rid of the permanent damage caused by the DC blocking current applied at high values on the nerve. In addition, in the future, the technology we have developed can be produced in smaller sizes and can be implanted and used in other applications for use in tissues with small nerves, such as paralyzed facial muscles.

Keywords: Functional electrical stimulation (FES), Ion-selective membrane (ISM), Nervous sysyem, Implant, Flexible electronics.