Progettazione di un' interfaccia neurale periferica self-opening

Negli ultimi anni si è assistito allo sviluppo di sistemi ibridi bionici che connettono, tramite interfacce neurali, il sistema nervoso umano con protesi robotiche ed elettroniche, con lo scopo di re-instaurare le funzioni motorie e sensoriali nei pazienti con danni alla colonna vertebrale, danni al cervello o malattie degenerative. Le interfacce neurali hanno lo scopo di registrare segnali elettrici e stimolare fascicoli nervosi; esistono diversi tipi di interfacce neurali classificate in base al grado di selettività ed invasività. Le interfacce extra-neurali registrano segnali elettrici molto superficialmente: la loro invasività è molto bassa ma il segnale acquisito presenta molto rumore. Gli elettrodi inter-fascicolari perforano l'epineurio (strato più esterno della parete nervosa dei nervi periferici) e sono in grado di registrare segnali con un rapporto segnale-rumore maggiore rispetto alle extra-neurali; infine gli elettrodi intra-fascicolari perforano il perineurio (strato intermedio della parete nervosa dei nervi periferici) e permettono un'acquisizione molto selettiva, con alto rapporto segnale-rumore. L'obiettivo di questa tesi è la progettazione di un'interfaccia neurale periferica self-opening, in grado di aprirsi una volta inserita all'interno del tessuto nervoso. I vantaggi dell'architettura self-opening risiedono nell'incremento del rapporto selettività-invasività e nell'aumento di precisione per raggiungere eventuali siti di interesse; elettrodi di questo tipo sono ancora poco comuni ed in fase di sperimentazione. Esistono brevetti, in letteratura, che propongono meccanismi di apertura attuati termicamente (sfruttando ad esempio la delaminazione dei 2 strati metallici che caratterizzano lo shaft: la differenza del coefficiente di espansione termico dei metalli permette il distacco e l'incurvamento dello strato superiore) o meccanismi di apertura che sfruttano forze di richiamo elastico che si creano in seguito al pre-stress della struttura. Entrambe le soluzioni proposte, seppur semplici da realizzare, sono poco controllabili e presentano svantaggi nell'espianto dell'elettrodo, quali la maggiore invasività. L'interfaccia neurale proposta (Self-opening Neural Interface: SELINE) è costituita da un corpo centrale con alette situate nella regione a sezione maggiore. Il corpo centrale e le alette sono realizzate in polyimide mentre i siti attivi sono in platino: il corpo centrale è strutturato in modo analogo a quello degli elettrodi TIME mentre l'aletta deve essere dimensionata correttamente in modo tale da non subire sforzi oltre il carico di rottura o assumere configurazioni anomale all'interno del tessuto. Il principio di funzionamento di SELINE è basato su attuazione meccanica: inizialmente viene effettuato un foro , mediante ago, all'interno del tessuto nervoso; l'ago è attaccato tramite filamenti di Kevlar all'elettrodo, pertanto: nella fase di inserimento, l'elettrodo penetra all'interno del foro e le alette si schiacciano al tessuto; nella fase di estrazione, l'elettrodo viene tirato nella stessa direzione ma verso opposto rispetto all'inserimento. Poiché la punta penetra nel nervo, l'apertura si ottiene grazie allo scorrimento dell'aletta all'interno del tessuto nervoso. Nella fase di estrazione dell'impianto: si tagliano i filamenti in Kevlar e si fa scorrere l'elettrodo nelle stesse direzioni e verso della fase di inserimento. Pertanto le alette scorrono indietro e si richiudono, riducendo notevolmente l'invasività rispetto ad impianti in cui l'apertura degli shaft risulta irreversibile. L'aletta è progettata con geometria asimmetrica in modo tale da evitare l'eccessivo schiacciamento durante la fase di inserimento e da amplificare l'apertura nella fase di estrazione. Per poter dimensionare l'aletta, sono stati realizzati dei modelli biomeccanici in grado di poter stimare principalmente: la forza di contatto alle pareti dell'elettrodo; la forza di contatto sulla punta delle alette, la pressione di penetrazione da parte della punta dell'aletta sul tessuto ed il comportamento della struttura durante la fase iniziale di estrazione. Il dimensionamento dell'aletta viene effettuato sulla base dei risultati teorici ottenuti, in modo tale da ottimizzare il suo comportamento ed evitarne la rottura. Si confronta il comportamento previsto dal modello teorico con quello ottenuto dalla simulazione ad elementi finiti (ANSYS) e con i dati sperimentali disponibili: i confronti sono risultati positivi ed incoraggianti per eventuali impiantazioni sperimentali future