La inserción de sondas Flexible Neural Usando refuerzos rígidos adjuntos con Biodissolvable Adhesivo

Resumen

La inserción de sondas flexibles de microelectrodos neurales está activada uniendo sondas para refuerzos rígidos con polietilenglicol (PEG). Un proceso de montaje único asegura uniforme y repetible de fijación. Después de la inserción en el tejido, el PEG se disuelve y el rigidizador se extrae. Un método de ensayo in vitro evalúa la técnica en gel de agarosa.

Resumen

Se espera que las matrices de microelectrodos para dispositivos de interfaz neural que están hechos de polímero de película delgada han extendido biocompatible para toda la vida funcional porque el material flexible puede minimizar la respuesta adversa del tejido causada por el micromovimiento. Sin embargo, su flexibilidad evita que sean insertados correctamente en el tejido neural. Este artículo muestra un método para unir temporalmente una sonda microelectrodo flexible a un refuerzo rígido usando polietilenglicol biodissolvable (PEG) para facilitar la inserción precisa, quirúrgica de la sonda. Un diseño único de refuerzo permite una distribución uniforme del adhesivo de PEG a lo largo de la longitud de la sonda. Unión flip-chip, una herramienta común utilizada en la microelectrónica de envasado, permite la alineación y el acoplamiento de la sonda precisa y repetible al rigidizador. La sonda y el rigidizador se implantan quirúrgicamente juntos, entonces el PEG se deja que se disuelva de manera que el refuerzo se puede extraer dejando la sondaen su lugar. Finalmente, un método de ensayo in vitro se utiliza para evaluar la extracción de refuerzo en un modelo en gel de agarosa de tejido cerebral. Este enfoque de la implantación ha demostrado ser particularmente ventajoso para las sondas más largas flexibles (> 3 mm). También proporciona un método factible para implantar sondas flexibles de doble cara. Hasta la fecha, la técnica se ha utilizado para obtener diversos datos de la grabación en vivo de la corteza de rata.

Introducción

Arrays de microelectrodos son una herramienta esencial en la neurociencia, así como nuevas aplicaciones clínicas como prótesis. En particular, las sondas de penetración de micro-electrodos permiten la estimulación y registro de la actividad neuronal a través de un estrecho contacto con las células en el cerebro, la médula espinal y los nervios periféricos. Un reto importante para las sondas nerviosas implantados es la estabilidad y la longevidad de las funciones de estimulación y registro. Modelado y experimentales estudios de la interacción entre sondas de microelectrodos y tejido neural han sugerido que un mecanismo para la degradación es de micro-desgarro de tejido neural debido a la ligera movimiento relativo entre la sonda y el tejido ^1-3. Una solución consiste en fabricar sondas flexibles que responden más a las propiedades de rigidez mayor parte del tejido neuronal con el fin de minimizar los micromovimientos relativa. Como tales, los polímeros de película delgada biocompatibles tales como poliamida y parileno se han adoptado como sustratos favorables para MICROELECtrodo sondas ^4-8.

Una desventaja de las sondas flexibles es que son difíciles de insertar en el tejido neural. Los investigadores han adoptado diversos enfoques para facilitar la inserción de sondas flexibles mientras que preserva las propiedades mecánicas deseables. Una clase de diseños modifica la geometría de la sonda de polímero para aumentar la rigidez en ciertas secciones o ejes, manteniendo el cumplimiento de otras partes. Esto se ha logrado mediante la incorporación de costillas o capas de otros materiales de ^9,10. Otro enfoque integra un canal de 3-D en el diseño de la sonda de polímero que se llena con material biodegradable ^11. Esta sonda puede ser reforzada temporalmente, y después de la inserción del material en el que se disuelve el canal y se drena por la. Sin embargo, los métodos tales como estos que modifican de forma permanente la geometría del dispositivo implantado final, pueden comprometer algunas de las características deseables de la sonda flexible.

Un método que tiene not alterar la geometría final sonda es encapsular el dispositivo de polímero con material biodegradable para endurecer temporalmente el dispositivo de ^{12 a 14.} Sin embargo, los materiales típicos biodegradables tienen órdenes de módulos de Young de magnitud menor que la del silicio y se lo que exigen una mayor espesor para conseguir la misma rigidez. Adecuadamente el recubrimiento de la sonda puede resultar en una punta más redondeada o roma, lo que hace más difícil la inserción. Además, dado que los recubrimientos solubles están expuestos, hay un riesgo de que la disolución inmediatamente después del contacto, o incluso muy cerca, con el tejido.

Otra clase de métodos utiliza materiales de sustrato nueva sonda que reducen la rigidez después de ser implantado en el tejido. Tales materiales incluyen polímeros con memoria de forma ¹⁵ y un nanocompuesto mecánicamente adaptativo ^16. Estos materiales son capaces de disminuir en el módulo elástico significativamente después de la inserción, y pueden dar lugar a que sondas más estrechamente MatCh las propiedades mecánicas del tejido neural. Sin embargo, el intervalo alcanzable de la rigidez es todavía limitada, por lo que puede no ser capaz de proporcionar muy alta rigidez equivalente a la de silicio o de tungsteno cables. Así, en el caso de sondas flexibles que son muy largo (por ejemplo> 3 mm) o que tienen muy baja rigidez, puede aún necesario un método para unir temporalmente un refuerzo más rígido.

Otro método más prometedor reportado es recubrir un servicio de transporte de refuerzo con un auto-montaje permanente monocapa (SAM) para personalizar la interacción superficial entre el transbordador y la sonda flexible ^17. Una vez seco, la sonda se adhiere a la lanzadera revestimiento electrostática. Después de la inserción, el agua migra sobre la superficie hidrófila, que separa la sonda de la lanzadera de modo que la lanzadera se puede extraer. Extracción de traslado con reducida desplazamiento de la sonda se demostró (85 micras). Sin embargo, con sólo interacciones electrostáticas que sostiene la sonda de tél lanzadera, hay un cierto riesgo de deslizamiento de la sonda con respecto a la lanzadera antes y durante la inserción.

Hemos desarrollado un método en el que la sonda flexible está unido a un refuerzo con un material adhesivo biodissolvable temporal que sujeta firmemente la sonda durante la inserción. Las sondas utilizadas eran de poliimida, que tiene un módulo elástico del orden de 2-4 GPa. El refuerzo se fabrica a partir de silicio, con un módulo elástico de ~ 200 GPa. Cuando se conecta, la rigidez de la silicio domina, facilitar la inserción. Una vez insertado en el tejido, el material adhesivo se disuelve y el rigidizador se extrae para restaurar la sonda a su flexibilidad inicial. Hemos seleccionado polietilenglicol (PEG) como el material adhesivo biodissolvable. PEG se ha usado en aplicaciones implantados, como sondas neuronales, la ingeniería de tejidos, y ^11,18,19 de administración de fármacos. Alguna evidencia sugiere que el PEG puede atenuar la respuesta neuroinflamatoria en el cerebrotejidos ^18,20. En comparación con otros materiales posibles, incluyendo sacarosa, láctico-co-glicólico de ácido poli (PLGA), y el alcohol de polivinilo (PVA), el PEG tiene un tiempo de disolución en los fluidos biológicos que es de una escala adecuada para muchas cirugías de implantes (en el orden de los decenas de minutos, dependiendo del peso molecular). Además, es sólido a temperatura ambiente y líquida a temperaturas que van desde 50 hasta 65 ° C. Esta propiedad hace que sea especialmente adecuado para nuestro proceso de montaje de precisión. Por otra parte, similar a la SAM descrita en ^17, el PEG disuelto es hidrófila, lo que facilita la extracción del rigidizador. Este enfoque ventajoso está habilitado de un nuevo diseño de refuerzo y metódico proceso de montaje que aseguran la cobertura adhesiva uniforme y una alineación precisa y repetible. Además del proceso de montaje, se presenta el método de aplicación del rigidizador extraíble durante la cirugía, así como un procedimiento in vitro para evaluar la extracción de la ITSffener.

El protocolo presentado en el presente documento se supone que el usuario posee una sonda de microelectrodo de polímero flexible. La parte del protocolo en relación la fabricación del rigidizador y el montaje de esta sonda a un rigidizador asume acceso a las herramientas comunes que se encuentran en un centro de microfabricación. El protocolo relativo a la inserción y extracción probablemente se llevaría a cabo en un laboratorio de neurociencia de lucro.

Protocolo

1. Asamblea de la sonda de Refuerzo

Esta sección del protocolo describe la fabricación de un refuerzo de silicio, y el montaje de una sonda de polímero de película delgada al rigidizador. Figura 1 ilustra una sonda típica neuronal polímero junto con el refuerzo propuesto. Los detalles del diseño de refuerzo se muestran en la Figura 2. La nueva característica de este diseño es la poco profunda "mecha" canal corre a lo largo de su longitud que se utiliza para distribuir adhesivo líquido durante el montaje. La parte más ancha del refuerzo es una ficha para la manipulación durante el montaje y la inserción quirúrgica. El depósito de la ficha se conecta al canal. El componente está fabricado de silicio usando procesos estándar de microfabricación.

1. El refuerzo de silicio con un canal de efecto de mecha se fabrica a partir de un (SOI) oblea de silicio sobre aislante con un espesor de capa de dispositivo igual al espesor deseado del rigidizador ( Figura 3A). Un rango razonable de espesor de refuerzo es de 20-100 micras. Se recomienda que la anchura del refuerzo sea de 20-30 m menor que la anchura de la sonda, lo que ayuda a evitar el desbordamiento del adhesivo de la interfaz de unión a la parte superior de la sonda. Primero los canales de capilaridad son usando el proceso estándar Bosch (Figura 3B)-grabado en seco. Siguiente, la geometría de refuerzo está definido por una etch ya que se detiene en la capa de óxido enterrada (Figura 3C). Por último, los refuerzos son liberados por la capa de óxido enterrado húmedo grabado en el 49% de ácido fluorhídrico (Figura 3D). Después de aclarar a fondo los refuerzos, remojar en agua desionizada durante 15 min.
2. Coloque un pellet de polietilenglicol (PEG) de peso molecular 10.000 g / mol en el depósito (Figura 4). Calentar el rigidizador a 65 ° C, de modo que el PEG se funde y se absorbe en el canal por acción capilar. A continuación, enfriar a temperatura ambiente para solidificar.
3. La Figura 5 muestra un esquema del chip Bonder flip configurado. Coloque el refuerzo de cabeza en el escenario base del dispositivo de unión flip chips, a continuación, recoger el refuerzo con la cabeza de la herramienta. Coloque la sonda en posición invertida sobre el escenario base. Utilizando el dispositivo de unión flip chip alinear el refuerzo y la sonda y luego baje el refuerzo y colocarlo en la sonda.
4. La etapa de base del dispositivo de unión flip chip de debe tener un elemento de calentamiento para aplicar calor al sustrato. Después de colocar el refuerzo, calentar el conjunto una vez más a 65 ° C. Deje un minuto para que el PEG de refusión y comenzar a llenar en la interfaz entre la sonda y refuerzo. Enfriar a solidificar.
5. Gire el conjunto sobre e inspeccionar desde la parte superior. Vuelva a calentar según sea necesario para permitir que el PEG para llenar completamente la interfaz entre la sonda y el rigidizador. Esto puede ser evaluado visualmente puesto que la sonda es transparente. Cuando el conjunto está sentado en el calentador superior-(sonda) hacia arriba, coloque manualmente 1-3 epellets de xtra de PEG sólido a la lengüeta de manera que se funden sobre la sonda, que proporciona un refuerzo adicional en esta región (Figura 6). Finalmente, deje que el montaje se enfríe para que el PEG se solidifica. En este punto, el conjunto está listo para la inserción quirúrgica.

2. La inserción y extracción

1. Montar el conjunto de sonda de refuerzo a un micromanipulador, como se ilustra en la Figura 7A mediante la adhesión la parte posterior del rigidizador al brazo micromanipulador en la región de pestaña. Esto se puede hacer con la cinta de doble cara o cemento, pero tenga cuidado de no ponerse en contacto con la sonda con adhesivo. Fije temporalmente el extremo del conector de la sonda a la micromanipulador con un pequeño pedazo de masilla adhesiva de tal manera que se puede quitar fácilmente con baja fuerza.
2. Coloque el conjunto de la sonda sobre el blanco e inserte la sonda con la velocidad de inserción deseado. Se utiliza una velocidad de inserción de ,13-,5 mm / seg en el desarrollo de este protocolo.
3. Retire inmediatamente el extremo del conector de la sonda del micromanipulador suavemente y dejarla en una superficie cercana, como un segundo brazo manipulador (Figura 7B). Esto se debe hacer antes de que el PEG comienza a disolverse para evitar el desplazamiento de la sonda.
4. Dé tiempo para PEG se disuelva. Esta cantidad de tiempo dependerá de PEG de peso molecular y el área de contacto entre la sonda y de refuerzo. Por ejemplo, con el PEG de peso molecular de 10.000 g / mol, una sonda de microelectrodo de aproximadamente 6 mm y un rigidizador que es coincidente 306 micras de ancho, 15 min se ha encontrado que una cantidad adecuada de tiempo. Sección 3 del protocolo presenta un método para probar el tiempo de disolución requerida. Durante este tiempo, aplicar salina tamponada con fosfato (PBS) usando un cuentagotas alrededor del punto de pestaña y la inserción para disolver cualquier PEG que está por encima del objetivo (Figura 7C).
5. El uso de un microposicionador motorizado, comenzar la extracción del rigidizador mediante la aplicación de un desplazamiento de100 micras, con una velocidad de 5 mm / seg. Este movimiento rápido inicial ayuda a superar cualquier fricción estática y minimizar el desplazamiento de la sonda. Luego, completar la extracción de refuerzo a una velocidad más lenta de aproximadamente 0,1 mm / segundo (Figura 7D).
6. En el caso de una cirugía real, continúe con los procedimientos normales para aplicar el gel, de silicona, y / o acrílico dental en el sitio de inserción para asegurar y proteger la sonda, como se demuestra en ^21.

3. Prueba en gel de agarosa

Esta sección del protocolo describe un sistema para arriba y el procedimiento para examinar la extracción del rigidizador en un gel de agarosa al 0,6% que se aproxima a las propiedades mecánicas a granel, el pH, la salinidad y de tejido cerebral ^17,22. Dado que el gel es casi transparente a través de distancias cortas, la separación de refuerzo y el desplazamiento de la sonda se puede observar.

1. Preparar una solución de 0,6% de agarosa en tampón fosfato salino (PBS). Mezclar en un elementovada temperatura para disolver completamente el polvo de agarosa. Vierta la solución en una caja de acrílico superficial; gel debe ser 3/4- 1 en profundidad. Permitir al gel establecer a temperatura ambiente durante una hora.
2. Asegúrese de que el gel endurecido está saturado con PBS para que no se seque, y calentar el gel a 37 ° C.
3. Configurar el micromanipulador, caja de gel de agarosa, y el sistema de cámara microscópica como se muestra en la Figura 8.
4. Insertar la referencia fiducial de vidrio en el cuadro de gel de deslizándolo entre el gel y el lado de la caja (Figura 8). Utilice un palillo de dientes para cuadrar las características en el fiducial referencia al campo de visión del microscopio digital.
5. Monte el conjunto de la sonda para el micromanipulador como se describe en el paso 2.1.
6. Coloque el conjunto de la sonda sobre el gel de 1 mm por detrás del fiducial referencia.
7. Insertar la sonda en el gel, usando la cámara para guiar a una profundidad deseada en el campo de visión.
8. Mueva inmediatamente el extremo del conector de la sonda para descansar en una superficie cercana.
9. Realice los ajustes necesarios a la imagen de la cámara para centrarse en la sonda (las características fiduciales de referencia pueden ser un poco fuera de foco). Tomar una instantánea de la ubicación de la sonda.
10. Permitir PEG para disolver (este tiempo puede variar, y de hecho puede ser un parámetro para ser probado). Aplicar PBS cerca de la pestaña para disolver PEG que está por encima del gel.
11. Inicie la captura de vídeo, si lo desea, y comenzar la extracción del refuerzo como se describe en el paso 2.5. Cuando la extracción se completa, tomar una instantánea definitiva de la ubicación de la sonda.
12. Utilice las herramientas de procesamiento de imágenes para comparar las imágenes antes y después de la extracción de refuerzo. Utilice las funciones del fiduciario de referencia que son visibles en el campo de visión para registrar (alinear) las imágenes. Calibrar la escala de la imagen basándose en el tamaño de las características conocidas de la sonda. Medir la distancia de desplazamiento de la sonda.

Resultados

Esta técnica de inserción se utiliza en conjunción con LLNL sondas de poliamida de película fina, que han pasado la norma ISO 10993 normas de biocompatibilidad y están destinados a la implantación crónica. Una sonda típica de poliimida de película delgada se ilustra en la Figura 1 junto con un refuerzo de silicio que es de aproximadamente 10 mm de largo en la región estrecha. Este refuerzo tiene un canal de efecto de mecha a lo largo de su longitud, como se muestra en la Figura 2. Figura 3

Discusión

El método descrito aquí proporciona un proceso bien controlado para conectar sondas de polímero de película delgada para refuerzos separados con un adhesivo biodissolvable. También se presenta el procedimiento quirúrgico recomendado para implementar estos rigidizadores extraíbles y una técnica para validar el procedimiento in vitro para una configuración de la sonda-rigidizador dado. Desde el rigidizador puede hacerse arbitrariamente rígida, el método puede facilitar la inserción de sondas relativamente largos ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Polietilenglicol, 10.000 g/mol	Sigma Aldrich	309028
Agarosa	Sigma Aldrich	A9539
Flexible Sub-michr Die Bonder	Finetech	Fineplacer lambda
Micromanipulador	KOPF	1760-61
Microscopio Digital	Hirox	KH-7700
Revólver de Doble Iluminación Lente de zoom	Hirox	MXG-2500REZ
Actuador motorizado de precisión	Newport	LTA-HS	con controlador CONEX-CC