使用可生物降解粘合剂固定刚性支撑体插入柔性神经探针

摘要

通过将柔性神经微电极探针与聚乙二醇（PEG）刚性支撑体连接，可实现探针的植入。一种独特的组装工艺可确保连接的均匀性和可重复性。探针插入组织后，PEG 溶解，随后将支撑体抽出。 体外 测试方法在琼脂糖凝胶中评估该技术。

摘要

用于神经接口装置的微电极阵列若由生物相容性薄膜聚合物制成，因其柔性材料可减轻因微小运动引起的组织不良反应，预期可延长功能寿命。然而，其柔韧性也导致难以准确插入神经组织。本文展示一种方法：使用可生物降解的聚乙二醇（PEG）将柔性微电极探针暂时固定于刚性加固片上，以实现探针的精确定位和手术植入。独特的加固片设计可使PEG粘合剂沿探针长度方向均匀分布。倒装芯片键合（flip-chip bonding）是微电子封装中常用的技术，可实现探针与加固片之间精确且可重复的对准与固定。探针与加固片共同进行手术植入后，让PEG自然溶解，随后移除加固片，使探针留置于目标位置。最后，一种 体外 测试方法用于评估在脑组织的琼脂糖凝胶模型中加强件的提取。该植入方法已被证明对较长的柔性探针尤为有利>3 毫米）。该方法还为植入双面柔性探针提供了一种可行方案。迄今为止，该技术已被用于获取多种 在体 记录大鼠皮层的数据。

引言

微电极阵列是神经科学以及假肢等新兴临床应用中的重要工具。特别是穿透式微电极探针，可通过与大脑、脊髓及外周神经中的细胞紧密接触，实现对神经元活动的刺激与记录。植入式神经探针面临的主要挑战之一，是其刺激与记录功能的稳定性与长期有效性。关于微电极探针与神经组织相互作用的建模与实验研究表明，探针与组织之间微小的相对运动可能导致神经组织发生微撕裂，从而成为功能退化的一种机制^1-3。一种解决方案是制备柔性探针，使其整体刚度更接近神经组织的力学特性，从而最大限度地减少相对微动。因此，聚酰亚胺和派瑞林等生物相容性薄膜聚合物已被广泛采用作为微电极探针的理想基底材料^4-8。

柔性探针的一个权衡之处在于其难以插入神经组织。研究人员已采用多种方法来促进柔性探针的植入，同时保持其理想的力学性能。一类设计通过改变聚合物探针的几何结构，使某些部分或轴向增加刚度，而在其他区域仍保持柔顺性。这一目标已通过引入加强筋或其他材料的层来实现^9,10。另一种方法是在聚合物探针结构中集成一个三维通道，并填充可生物降解材料¹¹。该探针可在植入前暂时增强刚性，植入后通道内的材料会溶解并排出。然而，此类永久性改变最终植入器件几何结构的方法可能会削弱柔性探针某些理想的特性。

一种不改变最终探针几何形状的方法是用可生物降解材料包裹聚合物器件，以暂时增加器件的刚度^12-1....

方案

1. 探针与加强件的组装

本方案的这一部分描述了硅质加强片的制备，以及将薄膜聚合物探针组装到该加强片上的过程。图1展示了一种典型的聚合物神经探针及其所提出的加强片结构。图2显示了加强片设计的详细结构。该设计的创新之处在于沿其长度方向设有一条浅的"导液"通道，用于在组装过程中分散液态粘合剂。加强片较宽的部分为操作标签，便于组装和手术植入时的操作。标签上的储液区与该通道相连。该部件采用标准的微加工工艺从硅材料加工而成。

1. 硅质加强片及其毛细引流通道由器件层厚度等于目标加强片厚度的绝缘体上硅（SOI）晶圆制备而成（图3A）。加强片厚度的合理范围为20–100 μm。建议加强片的宽度比探针宽度小20–30 μm，以防止粘合界面处的胶粘剂溢出至探针顶部。首先采用标准博世工艺干法刻蚀出毛细引流通道（图3B）。接着，通过更长时间的刻蚀定义加强片的几何形状，该刻蚀在埋入式氧化层处停止（图3C）。最后，使用49%氢氟酸湿法刻蚀去除埋入式氧化层，从而释放加强片（图3D）。将加强片充分冲洗后，浸泡于去离子水中15分钟。
2. 将分子量为10,000 g/mol的聚乙二醇（PEG）颗粒放入储液池中（图4）。将加....

结果

该插入技术与劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的薄膜聚酰亚胺探针联合使用，此类探针已通过ISO 10993生物相容性标准，适用于长期植入。典型的薄膜聚酰亚胺探针如图1所示，附带一个硅质刚性支撑片，其窄端长度约为10 mm。该支撑片沿长度方向设有一条毛细通道，如图2所示。图3展示了利用微加工工艺从硅材料制备该支撑片的过程。图4显示了通过倒装芯片键合系统的摄像头观察到的固态聚乙二醇（PEG）颗粒，该颗粒已被置入标签区域的储液槽中。当使用倒装芯片键合设备基底台内置加热器加热后，PEG熔化并开始沿毛细通道上升。通过摄像头观察，可实时监测毛细填充过程，直至PEG完全填满通道，此过程在使用分子量为10,000 g/mol的PEG时大约耗时一小时。随后将PEG重新固化，并将探针与支撑片按图5所示方式安装至倒装芯片键合系统中。图9A展示了探针与支撑片对准并粘接后的俯视图，其中PEG已完全填充界面。图9B显示了一个.......

讨论

本文所述方法提供了一种可控性良好的工艺，用于通过生物可降解粘合剂将薄膜聚合物探针固定在独立的支撑层上。同时介绍了实施这些可移除支撑层的推荐外科手术操作流程，以及验证该操作的技术。 体外 对于给定的探针-加强件构型。由于加强件可被制成任意刚性，该方法可促进相对较长探针的插入>3 mm）。因此，该插入方法有望成为深部脑刺激（DBS）、脊髓刺激和外周神经接口等应用中的关键技术。

具有吸液通道的新型加固件及基于倒装芯片的组装工艺适用于多种材料和探针构型。从几何结构上看，加固件无需与探针的 footprint 完全匹配，例如，其宽度可小于探针。加固件的厚度也可根据需要变化。尽管本文描述的加固件由硅材料制成，但使用其他材料可能在某些应用中实现更理想的机械性能。该组装工艺同样适用于其他类型的液态粘合剂。聚乙二醇（PEG）因其可多次固化和再熔化的特性而特别易于操作。对于不具备此特性的其他液态粘合剂，组装步骤可能需要相应调整。PEG 的分子量也可选择不同规格。较高分子量的 PEG 溶解时间更长，这在手术过程中可能更具优势。探针与加固件之间的接触面积也会影响探针插入后粘.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚乙二醇，10,000 g/mol	Sigma Aldrich	309028
琼脂糖	Sigma Aldrich	A9539
柔性亚微米级芯片贴合机	Finetech	Fineplacer lambda
显微操作器	KOPF	1760-61
数字显微镜	Hirox	KH-7700
双光源转塔式变焦镜头	Hirox	MXG-2500REZ
精密电动执行器	Newport	LTA-HS	配 CONEX-CC 控制器