用于慢性体内记录的微型驱动阵列：驱动器制备

摘要

在本实验方案中，我们演示如何制备用于大鼠慢性电生理记录的微型驱动阵列。

摘要

在清醒活动大鼠中长期记录大量神经元活动是研究神经环路功能的重要技术。轻量化记录装置搭载高密度排列的多通道电极阵列，可同时监测数十至数百个单个神经元的活动。本文介绍一种包含二十一个可独立移动微驱动装置的微驱动阵列的制作方案。该装置已在本实验室成功用于海马和皮层神经元的记录。我们展示了如何制备定制设计的3D打印塑料基座以固定微驱动装置，演示了单个微驱动装置的构建方法以及完整微驱动阵列的组装流程。关于驱动阵列用于手术植入前的进一步准备工作，如多通道电极（tetrode）的制备、将电极装入驱动阵列以及镀金等步骤，将在后续的视频文章中详细说明。 关键词：神经记录，微驱动阵列，多通道电极，3D打印，神经环路，清醒动物记录，大鼠，海马，皮层

方案

1. 微型驱动阵列概述
   
   一个完整的微型驱动阵列包含以下几个主要组件（图1）：
   1. 一个计算机设计的塑料基座，可容纳21个独立可移动的微型驱动器。
   2. 基座底部的一根套管，其中汇集了一组固定的四通道电极导管。
   3. 21个微型驱动器，每个携带一根四通道电极，可通过螺丝单独推进或回撤。
   4. 用于连接四通道电极与前置放大器的电极接口板。
   5. 一个保护锥（图1中未显示）。
   6. 在完全组装好的微型驱动阵列中，塑料基座容纳所有微型驱动器。每个微型驱动器携带一根四通道电极。该四通道电极在阵列顶部通过电极接口板实现电连接，并穿过固定的导管，从阵列底部朝向脑组织方向伸出。旋转每个微型驱动器上的螺丝可推进或回撤四通道电极。


2. 塑料基座的设计
   
   我们使用三维CAD软件（SolidWorks）设计微型驱动组件的基座。这种自主设计的优势在于设计周期短且灵活。在Wilson实验室中，我们已设计出多种该部件的变体，以满足不同实验的具体需求。三维模型文件被发送至服务机构，通过立体光刻技术使用激光可固化液态树脂进行打印。加工周期最短仅为2天。所得部件轻便、可重复使用，并可通过机械加工形成螺纹。在本方案中，我们将使用一种设计为单个记录位点并容纳21个微型驱动器的驱动基座。SolidWorks设计文件可根据请求提供。



3. 塑料基座的制备
   
   塑料基座需进行加工，以容纳微型驱动器以及用于安装电极接口板和保护锥的螺丝。在塑料基座上可靠地打印光滑的通孔不可行，因此我们设计略小的孔，再通过钻孔扩大。钻孔前应仔细对准钻头与现有孔的轴线，并以极低转速进行钻孔。可变速/扭矩的手持电钻适用于此任务。
   1. 使用#61钻头钻出21个用于微型驱动器螺丝的导孔（外圈）。
   2. 使用#65钻头钻出21个用于微型驱动器支撑管的孔（内圈）。
   3. 使用1.55 mm钻头钻出用于安装电极接口板和保护锥的孔。
   4. 使用镊子或钳子将套管（5 mm长，20号薄壁不锈钢管）压入内圈各孔中，使其与塑料基座表面齐平。这些套管可确保微型驱动器支撑管的顺畅移动。
      
      接下来，所有用于容纳螺丝的孔均需攻丝。在打印塑料中，成型丝锥比传统的切削丝锥能产生更耐用的螺纹。此类丝锥需要更大的导孔。使用手持小钻夹头夹持丝锥：
   
   
   5. 使用与所用螺丝尺寸匹配的丝锥（M1.2×0.25）和干性润滑剂，对微型驱动器螺丝孔进行攻丝。为帮助丝锥与导孔对齐，可在相邻套管中插入一段23号管。
   6. 我们的塑料基座设计在每个微型驱动器螺丝孔处设有丝锥引导结构，以确保攻丝初期螺纹不被损坏。所有孔攻丝完成后，可用刀片轻松将这些引导结构折断去除。
   7. 使用1-72丝锥对用于固定电极接口板和保护锥的孔进行攻丝。


4. 电极导管的插入
   
   
   1. 为制作容纳所有固定电极导管的套管，使用Dremel磨轮切割一段1.5 cm长的13号不锈钢管，并将其表面打磨粗糙，以增强牙科丙烯酸树脂的粘附性。
   2. 将该套管插入塑料基座底部的孔中，确认其与驱动器的垂直轴共线，并用牙科丙烯酸树脂或环氧树脂固定。保留5至7 mm的套管外露，以便于手术植入。
   3. 使用刀片将21根固定的电极导管（柔性聚酰亚胺管，内径：0.0071英寸，外径：0.0116英寸）切割至6 cm长。
   4. 逐根将导管从驱动基座顶部的套管中穿入，并完全穿过底部的集束套管。目视检查是否存在弯折或过度弯曲，必要时更换导管。为便于插入和保持四通道电极导管的平行排列，可先从下方将全部21根导管组成的束整体穿入集束套管中，然后逐根从束中取出，并从塑料基座顶部穿过其在束中留下的对应孔位。
   5. 将导管向下推入，使其仅从塑料基座顶部伸出1–2 mm。在导管从集束套管穿出处涂抹少量稀释的氰基丙烯酸酯胶水，注意避免胶水流入导管末端。
   6. 使用新刀片将集束套管底部的导管束多余部分切除。
   
   
5. 微型驱动器的制作
   
   每个微型驱动器由一个定制加工的螺丝和一根中空支撑管组成（图2）。螺丝与支撑管连接时，螺丝上的凸缘嵌入丙烯酸树脂中，使螺丝可自由旋转（图2B）。螺丝旋入塑料基座，旋转时带动支撑管上下移动，从而推进或回撤其所携带的四通道电极。为便于在行为动物上进行调节，螺丝头部呈半圆柱形。为此螺丝制作专用螺丝刀：
   
   1. 截取5 cm长的15号不锈钢管。
   2. 取一个定制螺丝，磨去其突出的凸缘。
   3. 将螺丝插入管中，直至螺丝顶部与管端齐平。
   4. 使用锁紧钳反复挤压管壁，使其在螺丝螺纹处变形，确保螺丝相对于管体无法旋转。
   5. 使用小钻夹头夹持该定制螺丝刀。
      
      制作微型驱动器时，我们使用一种3D打印的塑料模具，其内有多个小孔（3 mm × 5 mm，深2 mm）。每个孔底部有两个相距2 mm的孔，分别用于容纳支撑管和螺丝。也可使用工程塑料（如Delrin）通过钻床加工制作此类模具。
   
   
   6. 使用23号针头清理支撑管孔，并按上述塑料基座的方法对螺丝孔进行攻丝，完成模具准备。
   7. 在孔内壁涂抹聚四氟乙烯润滑剂或薄层凡士林，以便固化后的牙科丙烯酸树脂易于脱模。
   8. 在螺丝上涂抹聚四氟乙烯润滑剂，使用自制螺丝刀将其插入模具，使螺纹部分刚好位于孔底下方。
   9. 用磨轮将一段14 mm长的支撑管（23号不锈钢管）顶部2–3 mm处打磨粗糙，以增强牙科丙烯酸树脂的粘附性。将其插入模具，使管顶位于孔顶与螺丝顶部之间的中点位置。
   10. 将牙科丙烯酸树脂倒入孔中。通过搅动确保树脂充分填充螺丝和支撑管周围的空隙。用细针去除气泡。
   11. 待牙科丙烯酸树脂完全固化（15–30分钟）后，逆时针旋转螺丝，将微型驱动器从模具中取出。
   12. 必须对微型驱动器进行质量检查。检查固化后的牙科丙烯酸树脂是否存在裂纹或气泡，这些问题通常由树脂过稠或过稀引起。同时确保螺丝与支撑管相互平行，且螺丝转动顺畅。不符合标准的微型驱动器可将螺丝和支撑管从丙烯酸树脂中敲出并回收利用。
   13. 重复步骤5.6至5.11，直至制备出21个微型驱动器。


6. 微型驱动阵列的最终组装
   
   
   1. 将每个微型驱动器插入塑料驱动基座中。每个微型驱动器的支撑管应在套管内及其对应的固定导管上顺畅移动。检查在插入过程中导管是否发生弯曲。
   2. 当所有微型驱动器完全降下后，在驱动基座内部添加一层薄薄的牙科丙烯酸树脂，以固定电极导管的位置。
   3. 注意：若在添加丙烯酸树脂前未将微型驱动器完全降下，树脂会通过毛细作用上升至套管顶部，阻碍微型驱动器的运动。
   4. 将微型驱动器标记为1–21号。
   5. 将驱动阵列倒置，拍摄导管束的照片。该照片将用于映射每个微型驱动器对应的导管位置。
   6. 将所有微型驱动器提升数毫米。
   7. 从驱动基座底部将一根聚酰亚胺载体管（0.005英寸）插入每个导管中，使其从完全降下的微型驱动器顶部伸出1–2 mm，并在照片上记录对应的微型驱动器编号。
   8. 使用5分钟环氧树脂或氰基丙烯酸酯胶水将载体管粘接至微型驱动器的支撑管上。注意：若胶水或环氧树脂过稀，会沿支撑管向下流动，阻碍微型驱动器自由运动，甚至将其固定在导管上。若发生此情况，该微型驱动器单元将无法使用。
   9. 将所有微型驱动器完全降下，使用新刀片将所有载体管在集束套管底部齐平切除。
   10. 最后，使用两颗螺丝（规格：1-72，长度：3/16英寸）将Neuralynx电极接口板安装至驱动基座上。

此时，驱动阵列已准备好装载微型电极阵列（tetrodes）。微型电极阵列的制备、如何将其装入微型驱动装置，以及如何准备驱动阵列以进行手术植入，将在后续的视频文章中详细介绍。

图 1. 完成的微型驱动阵列模型。微型驱动阵列包含多个主要组件：一个塑料驱动基座；一个收集套管，用于引导四极电极进入脑内；21 个微型驱动装置，每个驱动一个单独的四极电极；以及一个连接至前置放大器的电极接口板。

图 2. 定制微型驱动螺钉。A. 定制螺钉设计的技术图纸。该螺钉包含螺纹部分（M1.2×0.25；直径 1.2 mm，每转 0.25 mm）、一个与我们自制螺钉刀具匹配的半圆柱形头部，以及带凸缘的光滑部分（见细节图）。B. 完整微型驱动装置的模型。支撑管与定制螺钉通过牙科水泥连接。螺钉上的凸缘嵌入牙科水泥中，可在上下移动支撑管时实现自由旋转。

附加文件

我们使用 SolidWorks 2008 三维 CAD 软件设计了微驱动装置的打印驱动底座、保护锥和模具：

• 下载文件：DriveBase.sldprt，其中包含驱动底座以及保护锥和盖帽的模型。
• 下载文件：MicroDriveMold.sldprt，其中包含微驱动模具的模型。

3D打印服务部门无法直接处理原生的Solidworks文件，而是需要以立体光刻CAD格式（STL）提供的设计文件。对于无法使用Solidworks软件但仍希望使用本视频文章中所述打印部件的用户，我们也同时提供了STL格式的设计文件：

• 下载文件：DriveBase.stl，其中包含驱动底座的模型
• 下载文件：MicroDriveMold.stl，其中包含微型驱动器模具的模型
• 下载文件：ProtectionCap.stl，其中包含保护锥形帽的模型
• 下载文件：ProtectionCone.stl，其中包含保护锥的模型

这些文件的修正版本及其他模型可在 github 上查看。

讨论

本方案描述了微型驱动器构建过程的一般特征。该方法已成功改进，可用于制作具有多个记录目标或适用于小鼠记录的更小阵列的驱动器阵列。除了从海马体记录外，许多研究人员还使用这些驱动器来靶向皮层和皮层下结构。为了记录更深层的脑区结构，可能需要使用更长的螺钉。通过对驱动器基座进行大量改造，可用电机驱动装置替代手动旋转的驱动器，从而实现更精确的远程多通道电极调节（Yamamoto 和 Wilson，2008）。此外，已采用定制的固定式导引套管排列方式替代圆形主套管，以实现对皮层和海马体中多通道电极分布的空间控制。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印塑料部件	材料	American Precision Prototyping (www.approto.com)
不锈钢管	材料	Small Parts (www.smallparts.com)
牙科水泥粉末	材料	A-M Systems (www.a-msystems.com)	525000
牙科水泥溶剂	材料	A-M Systems	526000
电极接口板	材料	Neuralynx (www.neuralynx.com)	EIB-81
微驱动螺钉	材料	Advanced Machining and Tooling (www.amtmfg.com)
’Tap-Ease’ 攻丝润滑剂	工具	AGS Company	TA-2
聚酰亚胺管	材料	iwg 高性能导体公司 (www.iwghpc.com)
无线电钻/螺丝刀	工具	DeWalt (www.dewalt.com)	DC750KA
带柔性轴的可调速旋转工具套装	工具	Dremel (www.dremel.com)	3956-02
剃刀刀片	工具	VWR (www.vwr.com)	55411-050
表面皿	工具	VWR	66112-107
定制螺钉用丝锥	工具	Balax	01302
丝锥	工具	Small Parts	HSBT-0172, HSBT-0080
手摇钻夹头	工具	Vargus	3SHC1--I
钻头	工具	Small Parts
台式虎钳	工具	Panavise	301
2 号 Dumont 镊子	工具	Stoelting (www.stoeltingco.com)	52100-27
5 分钟环氧树脂胶	工具	Allied Electronics (www.alliedelec.com)
Accu-Tek Carbofib 尖头镊子	工具	Aven (www.aveninc.com)	18768 (Pattern 304)
微型解剖剪刀	工具	生物医学研究仪器公司 (www.biomedinstr.com)	25-1000
Xcelite 378M 钳子	工具	Newark	96F8903
微型手摇钻夹头	工具	MSC Industrial Supply (www.mscdirect.com)	00920314