生体溶解性接着剤で取り付けられている硬質補強材を用いた柔軟神経プローブの挿入
2013年9月27日
柔軟な神経微小電極プローブの挿入は、ポリエチレングリコール（PEG）を有する剛性補剛材にプローブを取り付けることによって有効になっている。独自の組立工程は、均一で再現性のある添付ファイルを確実にします。組織内に挿入した後、PEGを溶解し、補強材を抽出する。 インビトロ試験法は、アガロースゲル中の技術を評価する。
この手順の全体的な目標は、一時的な補強材を使用して、柔軟な薄膜神経プローブを組織に埋め込むことです。これは、まず、プローブに適合し、溶解性ポリエチレングリコールで満たされたチャネルを持つカスタムシリコン補強材を設計および製造することによって達成されます。2番目のステップは、フリップチップボンダーを使用してスティフナーをプローブに組み立てることです。
次に、硬化したプローブアセンブリを標的組織に挿入します。最後のステップは、ポリエチレングリコールがシャンクを溶解して抽出できるようにすることです。最終的には、実証された方法を使用して、柔軟な微小電極プローブを神経組織に埋め込んで、in vivoでの記録と刺激を行うことができます。
この技術の意味は、取り外し可能な補強材が有害な組織反応を減らすことができる柔軟な埋め込みデバイスを可能にするため、神経疾患の臨床治療にまで及びます。この手法は、軟化材料などの既存の方法と比較した場合の主な利点として、任意の細長いプローブを正確に挿入できることです。絶縁体ウェーハ上のシリコンからのウィッキングチャネルを備えたシリコンスティフナーを、デバイス層の厚さがスティフナーの所望の厚さに等しい状態で作製します。
プラズマエッチング装置でウィッキングチャネルをドライエッチングするには、Boschの標準的なプロセスを使用します。次に、スチフナーのアウトラインを、埋設された酸化物層で停止する長いエッジで定義します。次に、埋設された酸化物層を49%フッ化水素酸でウェットエッチングして、補強材を放出します。
次に、離型補強材を脱イオン水に15分間浸します。次に、ポリエチレングリコールのペレットをリザーバーに入れます。補強材のタブ上。
補強材を摂氏65度に加熱して、ポリエチレングリコールが溶けて毛細管現象によってチャネルに吸い込まれるようにします。その後、室温まで冷まして固めます。スティフナーを逆さまにして、フリップチップボンダーのベースステージに置きます。
次に、ツールヘッドで補強材を持ち上げます。次に、フリップチップボンダーを使用して、プローブを逆さまにしてベースステージに置きます。スティフナーとプローブの位置を合わせます。
次に、スティフナーをプローブに下げます。アセンブリを摂氏65度に1分間加熱して、ポリエチレングリコールが再溶融し、補強材をプローブにタグ付けします。次に、冷却して固化させ、アセンブリを裏返し、上部から65°Cに再加熱して、ポリエチレングリコールがプローブと補強材の間の界面を完全に満たすように検査します。
プローブ側を上にして、ポリエチレングリコールの1〜3個の余分なペレットをタブに溶かし、この領域に追加の補強を提供します。最後に、アセンブリを冷まして、ポリエチレングリコールが固化し、アセンブリが外科的挿入の準備が整うようにします。アクリルボックスに、リン酸緩衝生理食塩水またはPBSで0.6%アロスゲルを調製し、PBSでゲルを飽和させ、摂氏37度に加熱します。
次に、アグロスゲルのマイクロマニピュレーターボックスと顕微鏡カメラシステムを配置します。ガラス基準をゲルの箱に挿入します。次に、デンタルピックを使用して、デジタル顕微鏡の視野に対する基準基準上の特徴を二乗します。
プローブ スティフナー アセンブリをマイクロ マニピュレーターに取り付けるには、スティフナー タブの背面を、マイクロ マニピュレーターに固定できる固定具に接着します。プローブに接着剤が付着しないように注意してください。プローブのコネクタ端を小さな接着剤パテで固定具に一時的に固定し、プローブアセンブリを低力で簡単に取り外すことができるように、プローブアセンブリをゲル上、基準基準の約1ミリメートル後ろに配置します。
次に、カメラを使用してプローブをゲルに挿入し、視野内の目的の深さにプローブをガイドします。プローブのコネクタ端をマイクロマニピュレーターからすぐに取り外し、2番目のマニピュレーターアームなどの近くの表面に固定します。これは、タブのポリエチレングリコールが溶解し始める前に行う必要があります。
プローブがずれないように、プローブの位置のスナップショットを撮ります。参照基準の特徴は、わずかに焦点が合っていない可能性があることに注意してください。タブの近くに生理食塩水を適用して、arosゲルの上にあるポリエチレングリコールを溶解し、必要に応じてタブでビデオキャプチャを開始します。
次に、毎秒5ミリメートルの速度で100マイクロメートルの変位を適用して、補強材の抽出を開始します。次に、このスティフナー抽出を毎秒約0.1ミリメートルの低速で完了します。抽出が完了したら、画像処理ツールを使用して確率位置の最終スナップショットを撮ります。
スティフナー抽出前と抽出後の画像を比較します。視野に見える参照指標の特徴を使用して、画像を正確にオーバーレイします。プローブ上の既知の特徴のサイズに基づいて、画像のスケールをキャリブレーションします。
次に、オーバーレイ画像上のプローブの変位距離を測定します。この挿入技術は、ISO 1 0 9 9 3生体適合性基準に合格し、慢性移植を目的としたLLNL薄膜ポリアミドプローブと組み合わせて使用されました。AROS ゲル試験は、プローブ補強材と接着剤の特定の組み合わせに対する平均プローブ変位を定量化するために使用されました。
たとえば、これらの前後のスナップショットは、29マイクロメートルのプローブ変位を示しています。これらの単一ニューロンスパイクは、取り外し可能な補強材をラット皮質に埋め込んだ柔軟な微小電極プローブから得られた。この手順に続いて、開発後、両面デバイスや複数のシャンクを持つプローブなど、さまざまな構成のプローブを埋め込むことができました。
この技術は、神経科学の分野の研究者が行動動物モデルにおける拡張神経活動を探求する道を開きました。
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概要
本記事では、一時的な補強材を用いてフレキシブル薄膜ニューラルプローブを組織に植え込む方法を紹介します。この手法では、ポリエチレングリコール（PEG）を使用して、補強材の挿入とその後の除去を容易にします。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 生物医学工学
- ニューラルインターフェース
背景
- 柔軟なニューラルプローブは、in vivoでの記録および刺激に不可欠です。
- 従来の方法では、これらのプローブを効果的に挿入できない場合があります。
- PEGは溶解性を利用して、挿入プロセスを補助するために使用されます。
- スティフナー（硬化剤）の使用により、プローブ配置の精度を高めることができます。
研究の目的
- 組織に柔軟なニューラルプローブを挿入するための信頼性の高い手法を開発すること。
- プローブを補強材に均一かつ再現性高く固定することを確認すること。
- 制御された環境下で、挿入手法の有効性を評価すること。
使用方法
- カスタムシリコン補強材の設計および作製。
- フリップチップボンダーを用いた補強材とプローブの組み立て。
- 補強されたプローブアセンブリの標的組織への挿入。
- PEGの溶解および補強材の抽出の評価。
主な結果
- この手法により、フレキシブルプローブの精密な植込みが可能になります。
- PEGは挿入後に効率的に溶解し、スティフナーの除去を容易にします。
- この技術は、in vivoへの応用の可能性を示しています。
- in vitro試験により、挿入プロセスの信頼性が確認されています。
結論
- この手法により、柔軟な神経プローブの使用における実現可能性が高まります。
- 今後の応用として、高度な神経記録や刺激などが考えられます。
- さまざまな組織に合わせてこの技術を最適化するためには、さらなる研究が必要です。
よくある質問
業界における重要性
柔軟なニューラルプローブの正確な植込みは、ニューロテクノロジーの研究開発における重要な課題であり、神経インターフェースデバイスの信頼性と長期的な安定性に影響を与えます。本手法では、生分解性接着剤を用いた一時的な硬質スティフナーを活用することで、繊細なプローブの精密な配置を可能にし、挿入精度と組織適合性の問題を直接的に解決します。このアプローチは、デバイス工学から前臨床神経記録へのトランスレーショナルな連続性をサポートし、後続のアプリケーションにおける予測精度を向上させます。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 機能マッピングおよび経路解析のための神経プローブの精密な導入を可能にします。
- 挿入に伴う組織損傷を低減し、より明瞭な生物学的データの取得を支援します。
- 交絡要因となるマイクロモーション・アーチファクトを最小限に抑えることで、メカニズム解析におけるリスク軽減を促進します。
スクリーニングおよびアッセイの開発
- 電気生理学的アッセイ用にバリデートされたニューラルインターフェースシステムの調製を支援します。
- プローブ配置の再現性を向上させ、アッセイの標準化を促進します。
- 品質管理のためのプローブ変位の定量的な測定を可能にします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 副作用を抑えた慢性的な植込みを可能にすることで、疾患に関連する神経モデルとの整合性を高めます。
- デバイス工学から動物モデルにおけるin vivo神経記録までの一貫性を提供します。
- リスクを調整しながら、神経インターフェース技術をトランスレーショナルなエンドポイントに向けて前進させることを支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、デバイスの作製から前臨床的な検証に至るニューロテクノロジーのパイプラインに統合されており、工学的段階と生物学的評価段階を橋渡しします。
- 探索生物学：植込み後の安定した神経記録を可能にすることで、仮説検定を支援します。
- スクリーニング：比較研究やアッセイ開発において、再現性のあるプローブ配置を実現します。
- 分析：定量的な変位測定を提供し、挿入精度を評価します。
- トランスレーショナルリサーチ：バイオマーカー探索のための動物モデルにおける慢性植込み研究を促進します。
- エンタープライズ再利用：さまざまなデバイスプラットフォームにおいて、柔軟なプローブ挿入のための標準化されたスケーラブルなアプローチを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：神経インターフェースの性能予測の信頼性とターゲット検証を向上させます。
- 運用の価値：プローブ挿入を標準化し、研究間の再現性と拡張性を改善します。
- 戦略的価値：組織反応と挿入アーチファクトを最小限に抑えることで、後期の生物学的リスクを低減します。
- ポートフォリオへの影響：さらなる開発に向けた神経インターフェース候補のリスク調整済み優先順位付けを可能にします。
実施上の考慮事項
- 微細加工および神経デバイス組み立ての専門知識が必要です。
- アライメントおよび分析のためのフリップチップボンディング装置およびイメージングインフラへのアクセスが必要です。
- 再現性を確保するため、プローブおよびスティフナ（補強材）の設計についてチーム間での標準化が求められます。
- プローブの形状や組織モデルが異なる場合は、調整が必要になる可能性があります。
- 実用上の制限として、接着剤の溶解タイミングや、精密なアセンブリの取り扱いなどが挙げられます。
