НЕЙРОНАЛЬНЫЙ ИМПЛАНТ

Полезная модель (ПМ) относится к медицине, точнее, к нейрохирургии и неврологии, и может найти применение для нейрореабилитации больных с неврологическими заболеваниями различной этиологии.
Нейрональный имплант относится к устройствам, позволяющим проводить стимуляцию и регистрацию потенциалов центральной нервной системы.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно в мире до 500000 человек получают повреждение спинного мозга. Это зачастую сопровождается тяжелыми расстройствами сенсомоторных и висцеральных функций, что имеет существенные негативные социальные и экономические последствия. Разработка способов нейрореабилитации таких людей представляется крайне актуальной задачей. Во всем мире продолжаются научные исследования, направленные на восстановление двигательных способностей при повреждении спинного мозга.
Один из наиболее перспективных подходов основывается на искусственном управлении и тренировке нейронных сетей спинного мозга, которые могут генерировать локомоторные паттерны. Как экспериментальные, так и клинические работы показали обнадеживающие результаты, свидетельствующие о нейропластичности спинальных сетей и возможности вызывать высокий уровень их активности при электрической эпидуральной стимуляции [Nature Neuroscience 12, 10 (2009), pages 1333-U167]. В частности, было показано, что эпидуральная стимуляция S1 и L2 сегментов спинного мозга импульсами, подводимыми при помощи металлических проводов, может вызывать специфические паттерны локомоторной активности. Таким образом, разработка нейрональных имплантов с высокой биосовместимостью является перспективным методом восстановления двигательных способностей больных с повреждениями спинного мозга.
Большинство известных нейрональных имплантов представляют собой матрицы из нескольких металлических микроэлектродов, закрепленных на биосовместимой полимерной основе (обычно полисилоксановой, полиимидной или париленовой). Такие устройства, обладая высокой гибкостью, могут быть установлены на различные участки нервных тканей, вызывая при этом минимальный воспалительный ответ. Тем не менее использование металлических проводников обуславливает достаточную жесткость конструкции, которая в свою очередь при контакте с подвижными тканями (например, мышечными или тканями спинного мозга) приводит к микротравмам, потере контакта или выходу импланта из строя. Поэтому предпочтительными являются мягкие нейрональные импланты, изготовленные из проводящих полимерных композитов, более устойчивых к циклическим нагрузкам, и физико-механические свойства которых ближе к таковым свойствам тканей организма (в частности, по модулю упругости (модулю Юнга), который для тканей спинного мозга составляет по различным оценкам 0,25-0,60 МПа).
Настоящая ПМ касается решения именно этой проблемы - создания мягких нейрональных имплантов и широкий спектр их использования
Изготовление нейрональных имплантов, позволяющих восстановить утраченные функции поврежденных участков спинного и головного мозга, является важной и актуальной задачей, над решением которой работают группы ученых во всем мире. Такие устройства представляют из себя закрепленные в матрице контактные площадки-электроды, подключаемые к стимулирующей аппаратуре проводящими каналами.
Известен нейрональный имплант WO 2007127926, представляющий из себя устанавливаемое эпидурально устройство в форме лопатки, состоящее из 2-16 электропроводящих каналов, ламинированных с двух сторон полимерным материалом. Для изготовления импланта используется фольга из золота или платино-иридиевого сплава, нанесенная на полимерный изолирующий слой, на которой впоследствии при помощи лазерной абляции формируют электропроводящие каналы и электроды, после чего покрывают вторым защитным слоем полимера. Указанный имплант может использоваться для подведения стимулирующих импульсов к спинному мозгу с целью снижения хронических болей и парестезии. Автор указывает, что для установки на спинной мозг имплант сворачивают и вводят в эпидуральное пространство позвоночника, где имплант самостоятельно восстанавливает исходную плоскую форму вследствие действия сил жесткости металлической фольги. Указанная жесткость конструкции является основным недостатком устройства, так как упругие характеристики металла существенно превосходят таковые у тканей спинного мозга, что ведет к механическим повреждениям тканей в месте установки. Кроме того, использование металлической фольги в изделии после его установки полностью исключает проведение МРТ диагностики зоны установки и ограничивает применение рентгено-томографических исследований.
Также известен нейрональный имплант US 9409023 Spinal stimulator systems for restoration of function, представляющий собой плоский массив металлических каналов, заключенный между двумя слоями биосовместимого полимера (парилена). Имплант может использоваться для электростимуляции в целях нейрореабилитации при травмах спинного мозга. Кроме вышеуказанных недостатков, присущих металлосодержащим имплантам, к недостаткам импланта можно отнести применение слоев париленов (полипараксилиленов с различными заместителями в бензольном кольце), которые обладают достаточно высокой жесткостью (модуль упругости около 4 Гпа), что по заявлению авторов обуславливает высокую устойчивость импланта при хирургических манипуляциях.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по числу совпадающих признаков является нейрональный имплант, описанный в патенте WO 2011157714 A1, взятый нами в качестве прототипа.
Указанное устройство представляет собой многослойную конструкцию, в которой электропроводящие каналы наряду с каналами для подачи фармакологических растворов заключены между двумя слоями гибкого и эластичного полидиметилсилоксана. В определенных необходимых точках на поверхности изолирующего слоя над электропроводящими каналами проделаны глухие отверстия, заполненные композиционным материалом полисилоксан - наночастицы металлов; таким образом, создается электрический контакт между материалом электропроводящего канала и биологической средой. С противоположной стороны электропроводящие каналы подключены к металлическим проводам через промежуточные шарики (болюсы) проводящей пасты.
Данное устройство позволяет после имплантации на поверхность спинного мозга подводить стимулирующие импульсы в заданные области, а также проводить мониторинг возникающих и проводимых по спинному мозгу нейрональных ответов. При этом полисилоксановый материал, из которого изготовлен имплант, являясь среди других известных относительно мягким, растяжимым и эластичным, обеспечивает физико-механическую совместимость с нервными тканями, минимизируя таким образом повреждения в области имплантации. Однако указанный имплант не лишен недостатков. Наиболее существенным является использование промежуточного электропроводящего композиционного материала между поверхностной контактной точкой и электропроводящим каналом. Такое соединение разнородных материалов с несколькими границами раздела снижает механическую устойчивость устройства к циклическим знакопеременным нагрузкам, возникающим при эксплуатации импланта. Также негативным фактором является использование металлических наночастиц в составе электропроводящего композита, что, на наш взгляд, не обеспечивает импланту необходимой мягкости. Поскольку такой композит несовместим с магниторезонансными томографическими исследованиями, его использование усложняет контроль правильности установки импланта и мониторинга процессов в области установки устройства в послеоперационный период.
Использование промежуточных шариков (болюсов) проводящей пасты при подключении к металлическим проводам со временем приводит к биологической коррозии материала пасты, что приводит к ухудшению электрического контакта.
Технический результат настоящей полезной модели состоит в повышении надежности и устойчивости к механическим нагрузкам устройства, совместимости с магнитно-резонансной томографией (МРТ), а также повышении его мягкости за счет использования композиционного материала на основе неметаллических проводящих частиц.
Этот результат достигается тем, что нейрональный имплант для спинного мозга, выполненный в виде пластины из 3 слоев изолирующего материала, контактной площадки и электрода, при этом первый и третий слои пластины в нем выполнены из непроводящего полисилоксана, второй - из электропроводящего материала, состоящего из матрицы и наполнителя, согласно ПМ, второй слой пластины представлен в виде электропроводящих дорожек, выполненных из композита полисилоксана и углеродных нанотрубок, первая концевая часть их представляет собой контактную площадку с подведенной к ней неизолированной частью провода для подключения к внешнему электронному устройству, а электродом является вторая концевая часть, выведенная на поверхность.
Выполнение второго слоя импланта в виде электропроводящих дорожек, изготовленных из композита полисилоксана и углеродных нанотрубок с использованием единого композиционного материала на основе неметаллических проводящих частиц, позволяет исключить необходимость нанесения между поверхностной контактной точкой и электропроводящими дорожками промежуточного электропроводящего композиционного материала и герметизации, что в свою очередь приводит к увеличению устойчивости изделия к разнонаправленным механическим нагрузкам. А использование композиционного материала на основе неметаллических проводящих частиц делает предлагаемый имплант совместимым с магнитно-резонансной томографией.
Кроме того, композит полисилоксана и углеродных нанотрубок с использованием единого композиционного материала на основе неметаллических проводящих частиц дополнительно позволяет сохранить высокоэластичные свойства матрицы с увеличением прочности при растяжении, с сохранением долгосрочной устойчивости, биоинертности материала.
Выполнение одной концевой части импланта в виде контактной площадки с подведенной к ней неизолированной частью провода позволяет подключить устройство к стимулирующей и регистрирующей аппаратуре без использования дополнительных проводящих материалов, что обеспечивает сохранение электропроводности и увеличение долговременной циклической механической устойчивости. А вторая концевая часть, являющаяся электродом, обеспечивает стимуляцию и регистрацию биопотенциалов.
К преимуществам представленной полезной модели относятся: увеличение прочности при растяжении, увеличение устойчивости изделия к разнонаправленным механическим нагрузкам за счет его мягкости, высокой биологической совместимостью и совместимостью с магнитно-резонансной томографией.
Предлагаемый нейрональный имплант, таким образом, состоит из электропроводящих каналов, помещенных между слоями эластичного изолирующего материала; одни концы указанных каналов в необходимых точках выведены на поверхность верхнего изолирующего слоя, образуя таким образом контактные точки, через которые происходит контакт устройства с биологическими тканями; противоположные концы проводящих каналов присоединены к проводам, с помощью которых устройство подключается к стимулирующей и регистрирующей аппаратуре. Такой нейрональный имплант среди известных является наиболее мягким и обладает высокой биологической совместимостью и механической устойчивостью к циклическим растяжениям.
К настоящему времени предлагаемая ПМ прошла ряд испытаний на отсутствие цитотоксичности, устойчивость к многоцикловым растяжениям и была апробирована на животных. Проведенные исследования подтвердили высокую биосовместимость и функциональность устройства. Также результаты апробации на различных животных моделях показывают, что ПМ может быть использована в научно-исследовательской деятельности.
Сущность заявляемой ПМ иллюстрируется следующими материалами.
Фиг. 1 - Общий вид нейронального импланта.
Фиг. 2. - Внутреннее устройство импланта с удаленным верхним изолирующим слоем.
Нейрональный имплант разработан в ООО «Нейропартнер», совместно с ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет».