החדרת גמישה עצביות בדיקות באמצעות אלמנטים קשיחות קשיחים מצורפים עם Biodissolvable דבק
27 בספטמבר 2013
החדרה של בדיקות microelectrode עצביות גמישות מופעלת על ידי הצמדת בדיקות לstiffeners הנוקשה עם פוליאתילן גליקול (PEG). תהליך הרכבה ייחודי מבטיח אחיד וקובץ מצורף הדיר. לאחר כניסה לרקמה, PEG מתמוסס ומקשח מופק. שיטת בדיקה במבחנה מעריכה את הטכניקה בagarose ג'ל.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להשתיל בדיקות עצביות גמישות של סרט דק לתוך רקמה באמצעות קשיח זמני. זה מושג על ידי תכנון וייצור קשיחי סיליקון מותאמים אישית התואמים את הגשושית ובעלי תעלה מלאה בפוליאתילן גליקול נמס. השלב השני הוא להשתמש בקשר שבב הפוך כדי להרכיב את הקשיח לבדיקה.
לאחר מכן, מכלול הבדיקה המוקשח מוחדר לרקמת המטרה. השלב האחרון הוא לאפשר לפוליאתילן גליקול להתמוסס ולחלץ את השוק. בסופו של דבר, ניתן להשתמש בשיטה המודגמת כדי להשתיל בדיקות מיקרו אלקטרודות גמישות ברקמה עצבית לצורך הקלטה וגירוי in vivo.
ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על טיפול קליני בהפרעות נוירולוגיות מכיוון שהקשיחים הניתנים להסרה מאפשרים מכשירים מושתלים גמישים שיכולים להפחית תגובות שליליות ברקמות. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני השיטות הקיימות, כגון חומרי ריכוך, הוא שהיא יכולה לאפשר החדרה מדויקת של בדיקות ארוכות ודקיקות באופן שרירותי. בנה קשיח סיליקון עם תעלת פתילה מסיליקון על פרוסת מבודד בעובי שכבת המכשיר השווה לעובי הרצוי של הקשיח.
יבש לחרוט את תעלות הפתילה בתחריט פלזמה בתהליך הסטנדרטי של בוש. לאחר מכן הגדר את מתאר הקשיח על ידי קצה ארוך יותר שנעצר על שכבת התחמוצת הקבורה. כעת חרוט רטוב את שכבת התחמוצת הקבורה בחומצה הידרופלואורית 49% כדי לשחרר את הקשיחים.
לאחר מכן יש להשרות את קשיחי השחרור במים נטולי יונים למשך 15 דקות. לאחר מכן, הכניסו גלולה של פוליאתילן גליקול למאגר. בכרטיסייה של הקשיח.
מחממים את הקשיח ל 65 מעלות צלזיוס כך שהפוליאתילן גליקול נמס ומנדף לתעלה על ידי פעולה נימית. לאחר מכן מצננים לטמפרטורת החדר להתמצקות. הנח את הקשיח הפוך על הבסיס stage של מחבר השבב הפוך.
לאחר מכן הרם את הקשיח עם ראש הכלי. לאחר מכן, הנח את הגשושית הפוכה על שלב הבסיס באמצעות מחבר השבב הפוך. יישר את הקשיח ואת הבדיקה.
לאחר מכן הורד את הקשיח על הבדיקה. מחממים את המכלול ל-65 מעלות צלזיוס למשך דקה אחת כך שהפוליאתילן גליקול יימס מחדש ויתייג את הקשיח לבדיקה. לאחר מכן מצננים להתמצקות, הופכים את המכלול ובודקים מהחימום העליון ל-65 מעלות צלזיוס כדי לאפשר לפוליאתילן גליקול למלא לחלוטין את הממשק בין הגשושית לקשיח.
כשצד הבדיקה כלפי מעלה ממיסים כדור אחד עד שלושה כדורים נוספים של פוליאתילן גליקול על הלשונית כדי לספק חיזוק נוסף באזור זה. לבסוף, הניחו למכלול להתקרר כך שהפוליאתילן גליקול יתמצק והמכלול יהיה מוכן להחדרה כירורגית. בקופסה אקרילית, הכינו ג'ל 0.6% ארוס במי מלח חוצץ פוספט או PBS הרוו את הג'ל ב-PBS וחממו ל-37 מעלות צלזיוס.
לאחר מכן סדרו את קופסת המניפולטור מיקרום של ג'ל אגרוס ומערכת מצלמות מיקרוסקופית. הכנס את הזכוכית לתוך קופסת הג'ל. לאחר מכן, השתמש בפיק שיניים כדי לרבע את התכונות בהתייחסות לשדה הראייה של המיקרוסקופ הדיגיטלי.
כדי להרכיב את מכלול הקשיח של הגשושית למניפולטור המיקרו, הדבק את החלק האחורי של לשונית הקשיח למתקן שניתן להדק למניפולטור המיקרו. מקפידים לא ליצור קשר עם הגשושית עם דבק. אבטח באופן זמני את קצה המחבר של הגשושית למתקן בעזרת חתיכה קטנה של מרק דבק כך שניתן יהיה להסיר אותו בקלות עם מיקום כוח נמוך את מכלול הבדיקה מעל הג'ל, כמילימטר אחד מאחורי ההתייחסות.
לאחר מכן הכנס את הגשושית לג'ל באמצעות המצלמה כדי להנחות אותה לעומק הרצוי בשדה הראייה. הסר מיד את קצה המחבר של הגשושית מהמיקרו מניפולטור ואבטח אותו על משטח סמוך כגון זרוע מניפולטור שנייה. יש לעשות זאת לפני שהפוליאתילן גליקול בלשונית מתחיל להתמוסס.
כדי למנוע תזוזה של הגשושית, צלם תמונה של מיקום הבדיקה. שים לב שתכונות הייחוס עשויות להיות מעט לא ממוקדות. מרחו מי מלח ליד הלשונית כדי להמיס פוליאתילן גליקול שנמצא מעל ג'ל הארוס, ובלשונית התחל לצלם וידאו אם תרצה.
כעת, התחל במיצוי הקשיח על ידי הפעלת תזוזה של 100 מיקרומטר במהירות של חמישה מילימטרים לשנייה. לאחר מכן השלם את מיצוי הקשיח הזה במהירות איטית יותר של כ-0.1 מילימטר לשנייה. לאחר השלמת החילוץ, צלם תמונה סופית של מיקום הבדיקה עם כלי עיבוד תמונה.
השווה את התמונות לפני ואחרי חילוץ קשיח. השתמש בתכונות ב-ferducial הגלויות בשדה הראייה כדי לכסות במדויק את התמונות. כייל את קנה המידה של התמונה על סמך גודל התכונות הידועות בבדיקה.
כעת מדוד את מרחק תזוזה של הגשושית על תמונת הכיסוי. טכניקת החדרה זו שימשה בשילוב עם בדיקות פוליאמיד LLNL Thin film, שעברו תקני תאימות ביולוגית ISO 1 0 9 9 3 ומיועדות להשתלה כרונית. בדיקת הג'ל AROS שימשה לכימות תזוזה ממוצעת של בדיקה עבור שילוב נתון של קשיח בדיקה ודבק.
לדוגמה, תמונות אלה לפני ואחרי מדגימות תזוזה של בדיקה של 29 מיקרומטר. קוצים נוירונים בודדים אלה התקבלו מבדיקה מיקרו-אלקטרודה גמישה שהושתלה עם קשיח נשלף לתוך קליפת המוח של חולדה. בעקבות הליך זה, הצלחנו להשתיל בדיקות עם מגוון תצורות, כולל מכשירים דו-צדדיים ובדיקות עם מספר שוקיים לאחר פיתוחו.
טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום מדעי המוח לחקור פעילות עצבית מורחבת במודלים של בעלי חיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה להשתלת גששים עצביים גמישים מדשק דק לתוך רקמה באמצעות מחזק זמני. הטכניקה כוללת שימוש בפוליאתילנגליקול (PEG) כדי להקל על ההחדרה ולאחר מכן על הסרת המחזק.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- ממשקים עצביים
רקע
- אלקטרודות עצביות גמישות הן חיוניות להקלטה ולגירוי in vivo.
- שיטות מסורתיות עשויות שלא לאפשר השחלה יעילה של אלקטרודות אלו.
- נעשה שימוש ב-PEG בשל תכונותיו המסיסות, המסייעות בתהליך ההשחלה.
- השימוש במקשיחים יכול לשפר את דיוק מיקום האלקטרודה.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהימנה להחדרת גששים עצביים גמישים לרקמה.
- הבטחת חיבור אחיד וחזרתי של הגששים למקשיחים.
- הערכת יעילותה של טכניקת ההחדרה בסביבה מבוקרת.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- תכנון וייצור של מחזקים מותאמים אישית מסיליקון.
- הרכבת המחזקים לגששים באמצעות מכשיר flip chip bonder.
- החדרת מכלול הגשש המחוזק לרקמת המטרה.
- הערכת המס של PEG ושליפת המחזק.
תוצאות עיקריות
- השיטה מאפשרת השתלה מדויקת של אלקטרודות גמישות.
- PEG נמס ביעילות לאחר ההחדרה, מה שמקל על הסרת התומך הקשיח.
- הטכניקה נראית מבטיחה ליישומים in vivo.
- בדיקות in vitro מאששות את מהימנותו של תהליך ההחדרה.
מסקנות
- שיטה זו משפרת את ההיתכנות של שימוש במגששים עצביים גמישים.
- יישומים עתידיים עשויים לכלול הקלטה וגירוי עצביים מתקדמים.
- דרושים מחקרים נוספים כדי לבצע אופטימיזציה של הטכניקה עבור רקמות שונות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
השתלה מדויקת של אלקטרודות עצביות גמישות היא אתגר קריטי במחקר ופיתוח של נוירוטכנולוגיה, המשפיע על האמינות ואורך החיים של התקני ממשק עצביים. שיטה זו רותמת מחזק קשיח זמני עם דבק מתמוסס ביולוגית כדי לאפשר מיקום מדויק של אלקטרודות עדינות, ובכך נותנת מענה ישיר לדיוק ההחדרה ולתאימות הרקמות. גישה זו תומכת ברציפות תרגומית מהנדסת ההתקנים ועד להקלטה עצבית פרה-קלינית, ובכך מגבירה את הביטחון החזוי עבור יישומים עתידיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר החדרה מדויקת של אלקטרודות עצביות (neural probes) לצורך מיפוי תפקודי ובחינת מסלולים עצביים.
- מפחית את פגיעת הרקמה הנלווית להחדרה, ובכך תומך בקבלת תוצאות ביולוגיות ברורות יותר.
- מקל על הפחתת סיכונים מנגנוניים על ידי מזעור ארטיפקטים של מיקרו-תנועה המבלבלים את התוצאות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- תומך בהכנת מערכות ממשק עצבי מאושרות עבור בדיקות אלקטרופיזיולוגיות.
- משפר את השחזוריות של מיקום הגשושית, ובכך מחזק את הסטנדרטיזציה של הבדיקה.
- מאפשר מדידה כמותית של תזוזת הגשושית לצורכי בקרת איכות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתיישב עם מודלים עצביים רלוונטיים למחלה על ידי אפשור השתלה כרונית עם תגובה שלילית מופחתת.
- מספק רצף מהנדסת המכשיר ועד להקלטה עצבית in vivo במודלים של בעלי חיים.
- תומך בקידום מותאם-סיכונים של טכנולוגיות ממשק עצבי לעבר נקודות קצה תרגומיות.
שילוב תהליכים וזרימת עבודה
שיטה זו משתלבת בתהליך העבודה של הנוירוטכנולוגיה, החל מייצור המכשיר ועד לתיקוף פרה-קליני, ובכך היא מגשרת בין שלבי ההנדסה להערכה הביולוגית.
- ביולוגיה של התגליות: תומך בבדיקת השערות על ידי מתן אפשרות להקלטות עצביות יציבות לאחר ההשתלה.
- סריקה: מספק מיקום ה probes בצורה הניתנת לשחזור עבור מחקרים השוואתיים ופיתוח בדיקות.
- אנליטיקה: מספק מדידות כמותיות של התזוזה להערכת דיוק ההחדרה.
- מחקר תרגומי: מקל על מחקרי השתלה כרוניים במודלים של בעלי חיים לצורך גילוי סמנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע גישה סטנדרטית וניתנת להרחבה להחדרה גמישה של probes במגוון פלטפורמות של מכשירים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בביצועי הממשק העצבי ובתיקוף המטרה.
- ערך תפעולי: מתקנן את החדרת הגשושית, ובכך משפר את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) בין מחקרים.
- ערך אסטרטגי: מפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים על ידי מזעור התגובה הרקמנית וארטיפקטים של ההחדרה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של מועמדים לממשקים עצביים לפיתוח נוסף, בהתאם לסיכון.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות במיקרו-פבריקציה (microfabrication) ובהרכבת התקנים עצביים.
- נדרשת גישה לציוד להלחמה מסוג flip chip ולתשתיות דימות לצורך יישור וניתוח.
- דורש סטנדרטיזציה של תכנוני הגששים והמקשיחים בין צוותים שונים לצורך הדירות.
- ייתכן שיידרש ביצוע התאמות עבור גאומטריות שונות של גששים או עבור מודלים של רקמות.
- מגבלות מעשיות כוללות את תזמון המסת הדבק ואת הטיפול במכלולים עדינים.
