Mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak yenilikçi koklear elektrot dizini geliştirilmesi

Dünya genelinde görülen işitme kaybı her yaştan insanı ve yaşam kalitelerini etkileyebilmektedir. Koklear implant (Kİ) sensörinöral (iç tüy hücreleri fonksiyon bozukluğuna bağlı) işitme sorununu gidermek için kullanılan bir medikal cihazdır. Kİ yaklaşık 60 yıllık bir bilimsel ve yaklaşık 40 yıllık bir ticari geçmişe sahiptir ve klinik olarak uygulanan en başarılı nöro-protezlerden biri olarak kabul edilmektedir. Bir Kİ, normal işitme mekanizmasındaki sesin mekanik enerjisini yakalama ve yükseltme işleminin yerini alır ve işitme sinirini (koklear sinir) doğrudan elektriksel olarak uyararak ses algısı yaratır. Bu sistemlerin uyardıkları bölgeler ve buna bağlı olarak kullandıkları uyarım parçaları ve yazılımları farklılık gösterse de diğer parçalar ve genel işleyiş mantıkları çok benzerdir. Bu sistemlerin hepsi elektrot dizisi (ED) adı verilen elektriksel olarak iletken metal kompozit bir yapı ile sonlanır. Koklear implantlar (Kİ) birkaç şirket tarafından üretilmekte ve uluslararası pazarda satılmaktadır. Dünya çapında orta ölçekli ülkelerde yılda binlerce kez implante edilen bu implantların düşük maliyetli üretiminin önündeki en büyük engel, yoğun emek ve hassasiyet gerektiren maliyetli elektrot dizisi üretim sürecidir. Kontrollü bir ortamda, 20-30 µm çapındaki elektriksel olarak iletken tellerin mikroskop altında uzman bir işçinin el becerisiyle stimülasyon elektrotlarına tek tek lehimlenmesini ve silikon bir taşıyıcının mikro enjekte edilmesini içeren üretim sürecinde yüksek kalite standartlarına ulaşmak için birçok kalite kontrol adımı ve test gerekmektedir. Bu da koklear implantın birim maliyetini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu nedenle implantın maliyeti, dünya çapında koklear implantlara erişimi sınırlamaktadır. Günümüzde Kİ'lerin klinik olarak başarılı olduğu kabul edilmektedir. Ancak dar frekans aralığı, kalabalık ortamlarda sesleri ayırt edememesi, yüksek maliyeti ve uzun üretim süreci bu teknolojinin önemli dezavantajlarıdır. Ayrıca, son yıllarda mikrofabrikasyon ve esnek elektronik yöntemlerinde kayda değer bir ilerleme olmuş, bu da elektrot dizileri içeren esnek ince film fabrikasyonlarının fizibilitesinin artmasına yol açmıştır. Sonuç olarak, araştırmacılar dikkatlerini konvansiyonel elektrot dizinleri (KED'ler) maliyet ve performans açısından etkili bir alternatif sağlayabilecek ince film elektrot dizileri (İFED'ler) geliştirmeye yöneltmişlerdir. Bununla birlikte, Mikro Elektro-Mekanik Sistem (MEMS) üretim teknikleri kullanılarak üretilen İFED, KED'lere kıyasla yapısal ve mekanik özelliklerindeki önemli farklılıklar nedeniyle henüz klinik uygulama alanı bulamamıştır. Koklea içine yerleştirme sırasında uygulanan kuvvetleri en aza indiren özelliklere sahip elektrot dizileri tasarlamak için de çaba gösterilmiştir. Bu, iç kulağın hassas yapılarına zarar verme riskini azaltmak için elektrot tellerinin şeklini ve profilini optimize etmeyi de içerir. Son zamanlarda, koklear implant üreticileri, elektrot tellerinin şeklinde dalgalı veya kavisli bir desen dahil etmek gibi varyasyonların olduğu bir dizi farklı koklear diziyi piyasaya sürdüler. Literatürde bu konuyu elastikiyet ve biyotriboloji açısından ele alan herhangi bir çalışma bulunmamakla birlikte, yakın zamanda yapılan yapay model ve klinik çalışmalar bu yapının baziler membrana veya diğer temel nöral yapılara zarar vermeden kokleaya atravmatik derin implantasyon olasılığını artırdığını göstermiştir. Yukarıda belirtilen bağlam çerçevesinde, bu tez, koklear implant için geleneksel KED'e göre çeşitli avantajlar sunan esnek bir ince film elektrot dizisinin (İFED) tasarımını, üretimini ve karakterizasyonunu sunmaktadır. Ayrıca, elektriksel olarak iletken tellerin mekanik ve tribolojik özellikler üzerindeki şekli de hem KED hem de İFED için incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde, sekiz adet top şeklinde elektrot ve içindeki tellerin farklı yapıları (düz/dalgalı) ile beş farklı kompozit yapı olarak tasarlanmıştır. Dalgalı tellerin periyotları değiştirilirken, genlikleri sabit tutulmuştur. KED tasarımları telsiz konik silindir elastomer gövde (KED-1), 1.6 mm (KED-2), 2 mm (KED-3), 2.4 mm (KED-4) olmak üzere farklı periyotlara sahip dalgalı tel gömülü elastomer gövdeler ve düz tel gömülü elastomer gövde (KED-5) olarak yapılmıştır. Bu tasarımlar, sertlik ve esneklik arasında bir denge kurmayı amaçlamakta ve potansiyel olarak yerleştirme kolaylığını ve koklear yapılarla teması iyileştirmektedir. Ayrıca bu dalgalı yapıların, kompozit sertliğin uzunlamasına ve enine yönde değişmesiyle ek esneklik sağladığı ve bunun da kokleanın kıvrımlarına uyum sağlamada avantajlı olabileceği gösterilmiştir. Daha sonra, İFED sırasıyla konik ve dikdörtgen ince polimer film üzerinde sekiz veya on iki elektrotlu olarak tasarlanmıştır. İFED başlangıçta düzlemsel bir yapıya sahip olduğundan, elektrot dizisine esneklik kazandırmak ve koklea içinde hareket edebilmesi için üç boyutlu bir forma dönüştürmek amacıyla farklı taşıyıcı tasarımları gerçekleştirilmiştir. Buna göre yarım konik silindir elastomer gövde (taşıyıcı) (İFED-1), yarım konik silindir elastomer gövde üzerinde monte edilmiş dikdörtgen ince film kompozit yapı (İFED-2), bu kompozit yapı içerisinde düz çelik tel gömülü (İFED-3) ve sinüzoidal dalgalı bakır tel gömülü (İFED-4) İFED modelleri ile tam konik silindir elastomer gövde içerisine yarım konik silindir şeklindeki ince film gömülü (İFED-5) İFED modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan tüm İFED'lerin boyutları nihai formda aynıdır, sadece bileşenler farklıdır ve piyasada bulunan KED'lerle fiziksel olarak uyumludur. Elektrot dizilerinin mekanik özellikleri, kokleaya yerleştirilmeleri açısından önemlidir.Bu nedenle çeşitli tasarımların elastik özelliklerini belirlemek için Sonlu Eleman Analizi (SEA) gerçekleştirilmektedir. KED ve İFED'lerin hem boylamasına hem de yanal yönlerdeki büyük deformasyon koşulları altındaki yer değiştirme davranışı, her bir yöne ayrı ayrı odaklanarak incelenmektedir. SEA analizi için sınır koşulları, ED'nin ucu kılavuzlu iken arka kısmı sabitlenmiş olarak belirlenmiştir. KED tasarımları analiz edildiğinde, her iki yönde de en yüksek katılık KED-5'de gözlemlenmiştir. Buna göre tel dalgalı olduğunda daha esnek bir yapı haline gelmektedir. Dalgalı tellerin periyodu azaldıkça katılık daha da azalmaktadır. İFED'in tasarımları incelendiğinde, İFED'in taşıyıcısına bir kukla tel eklenmesinin hem boylamasına hem de yanlamasına katılığını artırdığı görülmektedir. Bununla birlikte her iki yönde de en yüksek katılık İFED-5'de gözlemlenmektedir. Malzemenin kesit alanındaki artış da katılığını arttırmıştır. KED'ler tasarımdaki gibi 8 elektrotlu ve gövde içindeki tellerde farklı şekillerde (düz veya dalgalı) imal edilmektedir. Telleri dalgalı hale getirmek için aynı periyoda sahip iki adet dalgalı aparat kullanılır. Bu iki parça arasına düz bir tel yerleştirilir ve parçalara sabit basınç uygulanarak istenilen dalga şekli oluşturulur. KED'in imalatı için geleneksel yumuşak kalıplama yöntemi kullanılır. İFED'ler, tasarıma benzer şekilde konik ve dikdörtgen düzlemsel polimer ince film yüzeyinde sırasıyla 8 ve 12 metal elektrotlu olacak şekilde imal edilmiştir. İFED'i elde etmek için uygulanan iki ana mikrofabrikasyon adımı vardır. İlk adımda, temiz oda ortamında litografi teknikleri kullanılarak düzlemsel bir ince film elektrot dizisi oluşturulur. Daha sonra, bir taşıyıcıyı ince filmle entegre ederek üç boyutlu bir şekle dönüştürmek için yumuşak bir kalıplama işlemi uygulanır. Bu dönüşüm, İFED'in koklea içinde etkili bir şekilde gezinmesini sağlar. İlk fabrikasyon aşamasında, İFED'in alt tabakasını oluşturacak olan polimer film, mikrofabrikasyon için önce Si alttaş plakasına sabitlenmeli, ancak işlemin sonunda kolayca ayrılmalıdır. Film ve alt tabaka arasındaki herhangi bir kabarcık veya kırışıklık litografi adımında başarısız bir geliştirme sürecine neden olacağından bu en zorlu süreçlerden biridir. 8-elektrotlu ince film için Titanyum (Ti) / platin (Pt) ve 12-elektrotlu ince film için titanyum (Ti) / alüminyum (Al) elde edildikten sonra, İFED'in taşıyıcı kısmını üretmek ve entegre etmek için yumuşak kalıplama yöntemi kullanılır. Yarım ve tam silindir taşıyıcılar için iki ayrı proses kullanılırken, tam silindir taşıyıcı benzersiz bir iki aşamalı kalıplama prosesi ile imal edilmektedir. ED'lerin mekanik özelliklerini incelemek için tasarlanan katılık ölçüm testlerini gerçekleştirmek amacıyla özel olarak inşa edilmiş bir deney düzeneği kullanılmıştır. KED'ler genellikle SEA'da gözlemlenenlere benzer sonuçlar üretirken, KED-3 yatay yönde başlangıçta bir kuvvet artışı ve daha sonra düşmüştür. ardından bir düşüş sergilemiştir. İFED-2 konfigürasyonu yanal yönde en yüksek katılığı sergilerken, İFED-5 konfigürasyonu konik silindir için boylamasına yönde en yüksek katılığı göstermektedir. Teller dalgalı bir desene sahip olduğunda hem KED hem de İFED'in artan esneklik sergilediği görülmektedir. Koklear implantların ED'lerinin sürtünme dinamikleri, yeni test düzenekleri kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Yapay yüzeyle elektrot dizilerinin sürtünme dinamiklerini anlamak için düz yüzey ve yapay koklea modelleri farklı ön yüklerde, hızlarda ve ortamlarda (kuru veya ıslak) incelenmiştir. İlk olarak, ED'nin ucunun yüzey ve temas arasındaki sürtünme karakteristiklerini incelemek için temas yüzeyi olarak düz bir cam yüzey kullanılmıştır. Sürtünme döngüsü, tribolojik testler sırasında ED'lerin kinematik ve deformasyon profilini anlamak için kullanılır. Deneysel kanıtlar, ED'nin taşıyıcısına kukla tel eklenmesinin uzunlamasına ve enine sertliğin artmasına neden olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, yapının güçlendirilmesi, burkulmadan önce yüksek normal yüklere dayanmasını sağlar ve böylece çöküşünü erteler. Ayrıca, yüksek burkulma limiti nedeniyle dinamik kaymanın başlamasını geciktirir. Bu gecikme, dinamik kayma bölgesine kademeli bir geçişi kolaylaştırdığı için statik sürtünmenin baskın olduğu durumlarda özellikle önemlidir. Sonuç olarak, bu yaklaşımın yapıyı burkulmaya karşı güçlendirdiği ve koklea içindeki dinamik kayma sırasında performansını ve stabilitesini optimize ettiği gösterilmiştir. Düz cam yüzey ile ED'nin ucu arasındaki ön yükleme kuvvetleri arttıkça, sürtünme kuvveti de artar. En yüksek sürtünme kuvveti ve yerleştirme kuvvetleri düz telli ED'lerde bulunur. Telin dalgalılığı sürtünme ve yerleştirme kuvvetini azaltır. İFED desteğinin türünün hem normal ve sürtünme kuvvetlerini hem de sürtünme katsayısını etkilediği bulunmuştur. İFED-3'ün İFED-2 ve İFED-4'e kıyasla daha yüksek bir sürtünme kuvvetine sahip olduğu bulunmuştur. Bu fark, İFED-3'ün daha yüksek sertlik ve yapışma özelliğine bağlanmaktadır. Ayrıca, sürtünme hızındaki değişimler sürtünme kuvvetinde de değişikliklere yol açmaktadır. İFED'ler genellikle artan sürtünme hızı ile sürtünme kuvvetinde bir artış gösterir. Sürtünme kuvvetleri ıslak sürtünme deneylerinde kuru koşullara kıyasla azalmıştır. Daha sonra, İFED'lerin kokleaya yerleştirildiğinde ilk temas noktası olan yuvarlak pencere üzerindeki reaksiyon kuvvetlerini anlamak için yapay bir koklea kullanılarak başka deneyler yapılmıştır. Deney ilk deneyde olduğu gibi kuru ve ıslak koşullar için gerçekleştirilmiştir. Islak koşullar altında, yerleştirme kuvveti değerleri kuru koşullara göre daha düşüktür. Bununla birlikte, yerleştirme hızı ve yerleştirme kuvveti arasında doğrusal olmayan bir ilişki olduğu gözlenmektedir. KED-5 en yüksek yerleştirme kuvvetine sahipken, KED-3 ve KED-4 benzer yerleştirme kuvvetlerine sahiptir. İFED-3'teki çelik telin ED'nin ucuna yakın olması, sıkışmasını ve koklea içinde ilerlemesini önlemektedir. İFED-2 kokleaya yerleştirme sırasında kolayca bükülür ve ilerleyemez. İFED-4'ün yerleştirilmesi diğer iki örneğe göre daha kolay olsa da, tam yerleştirmeyi sağlamak için taşıyıcıdaki tel sayısı artırılabilir. İFED-5 kokleaya daha kolay yerleştirilir ve diğer İFED örneklerine göre daha fazla ilerler. En düşük yerleştirme kuvvetine sahip İFED-2 ile karşılaştırıldığında, İFED-4 ve İFED-5 daha yüksek yerleştirme kuvvetine sahiptir ancak KED'lerin değerlerine yakındır. Ayrıca, İFED destek yapısının türünün hem normal hem de sürtünme kuvvetlerinin yanı sıra sürtünme katsayısını da etkilediği ortaya çıkmıştır.