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Seventeen million people die every year because of cardiovascular diseases. Heart failure, for example, can result from disruptions in vagus nerve activity. Therapeutic approaches consist in drug intake, but they can lead to side- effects such as hypotension. Bioelectronic medicine makes use of electrical stimulation of the vagus nerve as an alternative to drug treatments. Nowadays, extraneural electrodes, such as cuff electrodes, are mostly adopted thanks to their easy implantation method and low nerve damage. Intrafascicular electrodes, on the other side, are highly desired to achieve selective stimulation. Cuff electrodes recruit large populations of fibers different from the target ones. This low selectivity leads to side-effects such as cough, hoarseness, swallowing difficulties in up of the 30% of patients. The Q-PINE is an existing electrode for porcine sciatic nerve stimulation characterized by a reduced implantation time compared to similar intrafascicular electrode. Selective laser de-insulated microwires represent the active site of the electrode. The Q-PINEs electrochemical characterization is still a long procedure and its accuracy needs to be enhanced. Here, we adapt the existing intrafascicular Q-PINE electrode to develop a neural interface which should make it possible to record and stimulate from the vagus nerve and decrease side-effects of current extraneural vagus nerve applications. The adapted Q-PINE derives from a histological vagus nerve sections. We adapted the electrode from sciatic to the smaller vagus nerve by reducing the Q-PINEs supporting platform, silicone portions, PCB dimensions, as well as docking system. Since the vagus nerve dimension can vary in size we developed silicone portions with three possible dimension. We adapted the insertion device implementing two strategies to fix the electrode. We further improved laser parameters for the active site de-insulation procedure. We implemented algorithms to improve the analysis of electrochemical data. We performed a conductibility analysis of the electrical components: the PCB, the welding material and the active site. The 3D model features resulted reliable in nerve diameter and fascicles distribution. The electrode components were successfully reduced in dimension. The new docking system showed to be less bulky. The Q-PINE insertion device confirmed to have the more stable strategy. The algorithms output were consistent and demonstrated to achieve an easier and faster electrochemical characterization. The electrical components tested confirmed good conduction properties. We successfully adapted and characterized the QPINE. The hereby created diagnostic and therapeutic electrode could substitute or be combined with drugs to modulate autonomic nervous system activity decreasing extraneural side-effects.
Diciassette milioni di persone muoiono ogni anno a causa di malattie cardiovascolari. L'insufficienza cardiaca, ad esempio, può derivare da malfunzionamenti nell'attività del nervo vago. Gli approcci terapeutici consistono nell'assunzione di farmaci, ma questi possono portare a effetti collaterali quali l'ipotensione. La medicina bioelettronica utilizza la stimolazione elettrica del nervo vago come alternativa ai trattamenti farmacologici. Al giorno d'oggi, gli elettrodi extraneurali, come ad esempio gli elettrodi di tipo “cuff”, sono maggiormente utilizzati grazie alla loro facilità di impianto e al limitato danneggiamento dei tessuti nervosi. Gli elettrodi intrafascicolari, dall'altro lato, consentono una stimolazione selettiva. Gli elettrodi “cuff” infatti reclutano grandi popolazioni di fibre diverse da quelle di interesse. Questa bassa selettività porta a effetti collaterali come tosse, raucedine, difficoltà di deglutizione nel 30% dei pazienti. Il Q-PINE è un elettrodo esistente per la stimolazione intrafascicolare del nervo sciatico suino caratterizzato da un tempo di impianto ridotto rispetto ai comuni elettrodi intrafascicolari. Il sito attivo dell'elettrodo è costituito da microfili metallici isolati da un rivestimento di teflon che viene selettivamente rimosso con l’utilizzo di un fascio laser. La caratterizzazione elettrochimica del Q-PINE è ancora una procedura lunga e la sua precisione deve essere migliorata. In questo lavoro di tesi è stato adattato l’elettrodo intrafascicolare Q-PINE per sviluppare un'interfaccia neurale che consenta di registrare e stimolare il nervo vago e ridurre gli effetti collaterali degli attuali elettrodi extraneurali. A partire delle sezioni istologiche del nervo vago l'elettrodo è stato adattato riducendo la piattaforma di supporto, le parti in silicone, le dimensioni della PCB e il sistema di aggancio. Poiché la dimensione del nervo vago può variare, le parti in silicone possono avere tre diverse dimensioni. E’ stato adattato il dispositivo per l’inserimento dell’elettrodo implementando due strategie di fissaggio tre esso e l'elettrodo. Inoltre, la procedura di rimozione del teflon per realizzare il sito attivo è stata migliorata. Per quanto riguarda la caratterizzazione elettrochimica dei siti attivi, sono stati implementati algoritmi per migliorare l'analisi dei dati e grazie ad essi è stata effettuata un'analisi di conducibilità dei componenti elettrici: la PCB, il materiale per la saldatura e il sito attivo. Le caratteristiche del modello 3D sono risultate affidabili nella distribuzione dei fascicoli e nel diametro del nervo. La dimensione dei componenti dell'elettrodo è stata ridotta con successo. Il nuovo sistema di aggancio si è rivelato meno ingombrante ed il dispositivo di inserimento del Q-PINE originale ha confermato di avere la strategia più stabile. Gli algoritmi hanno mostrato risultati coerenti e hanno la capacità di rendere la caratterizzazione elettrochimica più semplice e veloce. I componenti elettrici testati hanno confermato buone proprietà di conduzione. Abbiamo dunque adattato e caratterizzato con successo il QPINE. L'elettrodo realizzato potrebbe sostituire o essere combinato con farmaci per modulare l'attività del sistema nervoso autonomo riducendo gli effetti collaterali degli elettrodi extraneurali.