Het inbrengen van flexibele Neural Probes starre Verstevigers Bevestigd met Biodissolvable Adhesive

Samenvatting

Insertie flexibele neurale micro-elektrode probes geactiveerd door het aanbrengen probes starre verstijvers met polyethyleenglycol (PEG). Een unieke assemblage proces zorgt voor een gelijkmatige en herhaalbare gehechtheid. Na inbrengen in weefsel, de PEG lost en de verstijver geëxtraheerd. Een in vitro testmethode evalueert de techniek agarosegel.

Samenvatting

Micro-elektrode arrays voor neurale interface-apparaten die zijn gemaakt van biocompatibele dunne-film polymeer wordt verwacht functionele levensduur hebben uitgebreid omdat het flexibele materiaal negatieve respons weefsel veroorzaakt door Micromotion kunnen minimaliseren. Echter, hun flexibiliteit verhindert dat deze nauwkeurig in neuraal weefsel ingebracht. In dit artikel wordt een methode om een ​​flexibele micro-elektrode sonde tijdelijk bevestigen aan een stijf versteviger biodissolvable met polyethyleenglycol (PEG) precieze chirurgische inbrengen van de probe te vergemakkelijken. Een unieke versteviger ontwerp zorgt voor een gelijkmatige verdeling van de PEG lijm over de lengte van de probe. Flip-chip bonding, een gemeenschappelijk instrument gebruikt in micro-elektronica verpakking, maakt een nauwkeurige en herhaalbare uitlijning en bevestiging van de probe aan de verstijver. De probe en versteviger zijn chirurgisch geïmplanteerd elkaar, wordt de PEG laten oplossen, zodat de verstijver kan worden geëxtraheerd waardoor de sondeop zijn plaats. Tenslotte wordt een in vitro testmethode voor versteviger extractie evalueren een agarosegel model van hersenweefsel. Deze benadering implantatie is bijzonder voordelig voor langere flexibele probes aangetoond (> 3 mm). Het biedt ook een haalbare methode om dubbelzijdige flexibele sondes implanteren. Tot op heden is de techniek gebruikt om verschillende in vivo opnemen van gegevens van de rat cortex verkrijgen.

Inleiding

Micro-elektrode arrays zijn een essentieel instrument in de neurowetenschappen evenals opkomende klinische toepassingen, zoals protheses. Vooral penetrerende micro-elektrodeprobes inschakelen stimulatie en registratie van neuronale activiteit door nauw contact met cellen in de hersenen, ruggenmerg en perifere zenuwen. Een grote uitdaging voor geïmplanteerde neurale sondes is de stabiliteit en de levensduur van de stimulatie en opnamefuncties. Modellering en experimentele studies van de interactie tussen micro-elektrode probes en zenuwweefsel hebben gesuggereerd dat een mechanisme voor afbraak micro-scheuren van zenuwweefsel door lichte relatieve beweging tussen de sonde en weefsel ^1-3. Een oplossing is om flexibele sondes die overeenkomen nauwer de grootste stijfheid eigenschappen van neuraal weefsel teneinde relatieve microbewegingen minimaliseren fabriceren. Als zodanig hebben biocompatibele dunne film polymeren zoals polyimide en paryleen goedgekeurd als gunstig substraten voor microelectrode sondes ^4-8.

Een afweging van flexibele sondes is dat ze moeilijk te voegen in het zenuwweefsel. Onderzoekers hebben verschillende benaderingen om het inbrengen van flexibele sondes vergemakkelijken met behoud van de gewenste mechanische eigenschappen. Een klasse van modellen wijzigt het polymeer sonde geometrie aan stijfheid in bepaalde secties of assen te verhogen met behoud van de naleving in andere delen. Dit is bereikt door het opnemen ribben of lagen van andere materialen ^9,10. Een andere benadering integreert een 3-D-kanaal in het polymeer sonde ontwerp dat is gevuld met biologisch afbreekbaar materiaal ^11. Deze probe kan tijdelijk worden verstijfd, en na het inbrengen van het materiaal in het kanaal oplost en afvoeren uit. Echter kunnen werkwijzen zoals deze die de geometrie van het uiteindelijke geïmplanteerde apparaat permanent wijzigen gevaar sommige gewenste kenmerken van de flexibele sonde.

Een methode die n doetot wijziging van de uiteindelijke probe geometrie is het polymeer apparaat te kapselen biologisch afbreekbare materiaal om het apparaat ^12-14 tijdelijk verstijven. Echter, typisch biologisch afbreekbare materialen elasticiteitsmoduli orden van grootte kleiner dan die van silicium en, dientengevolge vereisen grotere dikte dezelfde stijfheid te bereiken. Voldoende bekleden van de sonde kan een meer afgeronde of stompe punt, waardoor inbrengen moeilijker. Ook, omdat oplosbare coatings worden blootgesteld, is er een risico dat onmiddellijk oplossen bij contact of zelfs nabijheid, met het weefsel.

Een andere klasse van methoden maakt gebruik van nieuwe sonde substraat materialen die te verminderen in stijfheid na wordt geïmplanteerd in het weefsel. Dergelijke materialen omvatten vormgeheugen polymeren ¹⁵ en een mechanisch adaptieve nanocomposiet ^16. Deze materialen kunnen afnemen elasticiteitsmodulus aanzienlijk na het inbrengen, en kan resulteren in probes die dichter match de mechanische eigenschappen van zenuwweefsel. Echter, de haalbare bereik van stijfheid is nog beperkt, zodat ze niet in staat zijn om zeer hoge stijfheid bedrage van silicium of wolfraam draden. Dus in het geval van flexibele sondes die zeer lang (bijvoorbeeld> 3 mm) of die extreem lage stijfheid, een werkwijze voor tijdelijk bevestigen van een stijvere versteviger toch noodzakelijk.

Nog een andere veelbelovende methode vermeld is het coaten van een verstijving shuttle met een permanente zelfassemblerende monolaag (SAM) aan het oppervlak interactie tussen de shuttle en de flexibele sonde ¹⁷ aan te passen. Wanneer het droog is, de sonde zich aan de gecoate shuttle elektrostatisch. Na het inbrengen, water migreert op het hydrofiele oppervlak, het scheiden van de sonde van de shuttle, zodat de shuttle kan worden gewonnen. Shuttle extractie met verminderde sondeverplaatsing aangetoond (85 urn). Echter, slechts elektrostatische interacties met de probe thij shuttle, is er enige kans op sonde slippen ten opzichte van de shuttle voor en tijdens het inbrengen.

Wij hebben een werkwijze waarbij de flexibele sonde een verstijver met een tijdelijke biodissolvable kleefmiddel dat stevig vasthoudt de sonde tijdens het inbrengen bevestigd ontwikkeld. De gebruikte probes waren gemaakt van polyimide, die een elasticiteitsmodulus in de orde van 2-4 GPa heeft. De versteviger werd gefabriceerd van silicium, met een elasticiteitsmodulus van ~ 200 GPa. Na aansluiting van de stijfheid van het silicium domineert, vergemakkelijkt inbrengen. Eenmaal ingebracht in het weefsel, het hechtmateriaal oplost en de verstijver wordt onttrokken aan de probe te herstellen naar de oorspronkelijke flexibiliteit. Wij selecteerden polyethyleenglycol (PEG) als biodissolvable hechtmateriaal. PEG is gebruikt in geïmplanteerde toepassingen zoals neurale probes, weefseltechniek en geneesmiddelafgifte ^11,18,19. Sommige studies tonen aan dat PEG neuroinflammatory reactie kan verminderen in de hersenenweefsel ^18,20. In vergelijking met andere mogelijke materialen, zoals sucrose, poly melkzuur-co-glycolzuur (PLGA) en polyvinylalcohol (PVA), PEG een oplostijd in biologische vloeistoffen die in gepaste mate voor veel implantaat chirurgie (in de orde van tientallen minuten, afhankelijk van het molecuulgewicht). Bovendien vast is bij kamertemperatuur en vloeibaar bij temperaturen tussen 50-65 ° C. Deze eigenschap maakt het bijzonder geschikt voor onze precisie assemblage proces. Bovendien, vergelijkbaar met de SAM beschreven in ¹⁷ de opgeloste PEG hydrofiel, vergemakkelijken extractie van de verstijver. Deze voordelige aanpak wordt mogelijk gemaakt door een nieuwe verstijving ontwerp en methodische assemblage proces dat uniform verlijmd en nauwkeurige en herhaalbare uitlijning te garanderen. Naast het assemblageproces presenteren we de werkwijze van uitvoering van de verwijderbare versteviger tijdens de operatie, alsmede een in vitro werkwijze de extractie van de sti evaluerenffener.

De hierin gepresenteerde protocol vereist de een flexibel polymeer micro-elektrode sonde bezit. Het deel van het protocol betreffende de vervaardiging van de verstijver en assemblage van deze probe een versteviger neemt toegang tot gemeenschappelijke hulpmiddelen in een microfabricage faciliteit. Het protocol met betrekking tot het inbrengen en extractie zou waarschijnlijk worden uitgevoerd in een-neurowetenschappen georiënteerde laboratorium.

Protocol

1. Assemblage van Probe te Stiffener

Dit deel van het protocol beschrijft vervaardiging van silicium verstijving en de montage van een dunne-film polymeer probe aan de verstijver. Figuur 1 illustreert een gebruikelijke polymeer neurale sonde met de voorgestelde verstijver. De data van de verstijver ontwerp worden getoond in figuur 2. De nieuw kenmerk van dit ontwerp is het ondiep "wicking" channel die langs de lengte die wordt gebruikt om vloeibare lijm in te verdelen. Het bredere gedeelte van de verstijver is een tabblad voor het hanteren tijdens de montage en chirurgische inbrengen. Een reservoir op het tabblad verbinding met het kanaal. De component is vervaardigd uit silicium met standaard microfabricage processen.

1. De silicium verstijver met een wicking kanaal is vervaardigd van een silicium-op-isolator (SOI) wafer met een dikte apparaat laag gelijk is aan de gewenste dikte van de verstijver ( Figuur 3A). Een redelijk aanbod van verstijving dikte is 20-100 micrometer. Het verdient aanbeveling dat de breedte van de verstijver 20-30 urn kleiner dan de breedte sonde, die helpt om overloop van de lijm uit de band-interface voorkomen de punt van de sonde. Eerst de wicking kanalen droog geëtst met de standaard Bosch proces (Figuur 3B). Vervolgens wordt de versteviger geometrie gedefinieerd door een langere etsen die stopt op de ingegraven oxidelaag (figuur 3C). Tenslotte worden de verstijvers vrijgegeven door nat etsen van de ingegraven oxidelaag in 49% fluorwaterstofzuur (Figuur 3D). Na grondig spoelen van de baleinen, week ze in gedemineraliseerd water gedurende 15 minuten.
2. Plaats een pellet van polyethyleenglycol (PEG) met een molecuulgewicht van 10.000 g / mol in het reservoir (figuur 4). Verwarm de verstijver tot 65 ° C zodat de PEG smelt en transporteert in het kanaal door capillaire werking. Koel dan tot kamertemperatuur stollen.
3. Figuur 5 toont een schema van de flip chip bonder opstelling. Plaats de verstijver ondersteboven op de basis fase van de flip chip bonder, pak dan de verstijver met de snijkop. Plaats de sonde ondersteboven op de basis podium. Het gebruik van de flip-chip bonder, lijn de verstijver en de sonde en breng vervolgens de verstijver en plaats deze op de sonde.
4. De basis fase van de flip chip bonder zou een verwarmingselement te warmen het substraat. Nadat de verstijver Verwarm het geheel nogmaals 65 ° C. Laat een minuut voor de PEG te hersmelten en beginnen in het grensvlak tussen de sonde en versteviger te vullen. Afkoelen tot stollen.
5. Draai het geheel om en inspecteren van de top. Opwarmen als nodig om de PEG aan het grensvlak tussen de sonde en de verstijver volledig vullen. Dit kan visueel worden beoordeeld omdat de probe transparant. Zoals de assemblage zit op de kachel top-(sonde-) kant naar boven, handmatig op 1-3 extra pellets vaste PEG op de tab zodat ze smelten via sonde, aanvullende versterking in dit gebied (Figuur 6). Ten slotte kan de assemblage om zo cool dat de PEG stolt. Op dit punt, het samenstel gereed voor chirurgische inbrenging.

2. Inbrengen en Extraction

1. Monteer de probe-verstijver samenstel een micromanipulator zie figuur 7A door hechten van de achterzijde van de verstijver de micromanipulator arm op lipgebied. Dit kan gedaan worden met dubbelzijdige tape of cement, maar zorg niet om contact met de sonde met lijm. Tijdelijk zet de stekker van de sonde naar de micromanipulator met een klein stukje lijm stopverf die gemakkelijk kunnen worden verwijderd met lage kracht.
2. Plaats de sonde geheel om het doel en plaats de sonde met de gewenste snelheid inbrengen. Inbrengen snelheden van 0,13-0,5 mm / sec werden gebruikt bij de ontwikkeling van dit protocol.
3. Verwijder direct de stekker van de sonde uit de micromanipulator voorzichtig en leg deze op een nabijgelegen oppervlak, zoals een tweede manipulator arm (Figuur 7B). Dit moet gebeuren voordat de PEG begint op te lossen om te voorkomen dat het verplaatsen van de sonde.
4. Wacht tot PEG op te lossen. Deze hoeveelheid zal afhangen van PEG molecuulgewicht en contactgebied tussen de sonde en versteviger. Bijvoorbeeld, met PEG molecuulgewicht van 10.000 g / mol, een micro-elektrode sonde ongeveer 6 mm en een bijpassende verstijving die 306 urn breed, 15 min is gebleken dat een voldoende hoeveelheid tijd. Deel 3 van het protocol presenteert een methode om de benodigde oplostijd testen. Gedurende deze tijd, toepassen fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) met een druppelaar om de tab en de invoegpositie elk PEG die boven de target (figuur 7C) opgelost.
5. Met behulp van een gemotoriseerde micropositioner beginnen extractie van de verstijver door een verplaatsing van100 urn met een snelheid van 5 mm / sec. Deze eerste snelle beweging helpt om eventuele statische wrijving te overwinnen en het minimaliseren van probe verplaatsing. Voltooi dan de verstijver extractie bij een lagere snelheid van ongeveer 0,1 mm / seconde (figuur 7D).
6. Bij een feitelijke operatie door met normale procedures gel, siliconen en / of tandheelkundige acrylaat passen op de inbrengplaats te beveiligen en te beschermen sonde, zoals aangetoond in ^21.

3. Agarosegel Test

Dit gedeelte van het protocol beschrijft een set-up en een procedure om de extractie van de verstijver in een 0,6% agarosegel dat het grootste mechanische eigenschappen, pH en zoutgehalte van hersenweefsel ^17,22 benadert onderzoeken. Omdat de gel is bijna transparant door middel van korte afstanden, kan verstijving scheiding en sondeverplaatsing worden waargenomen.

1. Bereid een oplossing van 0,6% agarose in met fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS). Meng in een elementkeld temperatuur volledig oplossen van de agarose poeder. Giet de oplossing in een ondiepe acryl box; gel moet 3/4- 1 in diepe. Laat de op kamertemperatuur gedurende een uur gel.
2. Zorg ervoor dat de geharde gel verzadigd met PBS zodat het niet uitdroogt, en verwarm de gel tot 37 ° C.
3. Stel de micromanipulator, doos agarosegel en microscopische camerasysteem zoals getoond in figuur 8.
4. Plaats een glas verwijzing fiduciaire in de doos van de gel door tussen de gel en de zijkant van de doos (Figuur 8) schuiven. Gebruik een tandenstoker om de functies van de verwijzing betrouwbaarheidsgrenzen vierkant naar het gezichtsveld van de digitale microscoop.
5. Monteer de sondesamenstel de micromanipulator zoals beschreven in stap 2.1.
6. Plaats de sonde geheel om de gel ongeveer 1 mm achter de verwijzing vertrouwenspunt.
7. Plaats de sonde in de gel, met de camera te leiden tot een gewenste diepte in het gezichtsveld.
8. Verplaats Onmiddellijk de connector uiteinde van de sonde te rusten op een nabijgelegen oppervlak.
9. Maak de gewenste aanpassingen aan het camerabeeld te richten op de sonde (de verwijzing de vaste functies kunnen enigszins onscherp). Neem een ​​momentopname van de sonde locatie.
10. Laat PEG oplossen (de tijd kan variëren, en in feite kan een parameter te testen zijn). Breng PBS nabij het tabblad te ontbinden PEG dat is boven de gel.
11. Begin video capture indien gewenst, en beginnen extractie van de verstijver zoals beschreven in stap 2.5. Wanneer extractie is voltooid, neemt een definitieve momentopname van sonde locatie.
12. Gebruik beeldverwerking tools om de beelden te vergelijken voor en na schotje extractie. Gebruik de functies op de referentie-fiduciaire die zichtbaar zijn in het gezichtsveld om te registreren (uitlijnen) de beelden. Kalibreer de schaal van het beeld op basis van de grootte van de bekende functies van de sonde. Meet de afstand van de sonde verplaatsing.

Resultaten

Deze insertie werd toegepast in combinatie met LLNL dunne-film polyimide probes, die doorgegeven ISO 10993 standaarden en biocompatibiliteit bestemd voor chronische implantatie. Een typisch dunne-film polyimide probe in figuur 1 samen met een silicium verstijving die ongeveer 10 mm lang in de smal gebied. De versteviger heeft een wicking kanaal langs zijn lengte, zie figuur 2. Figuur 3 illustreert het mimcrofabrication proces gebruikt om deze verstijver creëren uit silicium. Fig...

Discussie

De hier beschreven methode biedt een goed gecontroleerd proces om dunne-film polymeer probes hechten aan afzonderlijke baleinen met een biodissolvable lijm. Ook is voorgesteld de aanbevolen chirurgische procedure om deze verwijderbaar verstijvers en een techniek om de te valideren in vitro voor een bepaalde probe-versteviger configuratie implementeren. Aangezien de verstijver willekeurig starre kan worden gemaakt, kan de werkwijze inbrengen van relatief lange probes (> 3 mm) vergemakkelijken. Als zodanig wor...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Polyethyleenglycol, 10.000 g/mol	Sigma Aldrich	309028
Agarose	Sigma Aldrich	A9539
Flexibele Sub-micron Die Bonder	Finetech	Fineplacer lambda
Micromanipulator	KOPF	1760-61
Digitaal Microscoop	Hirox	KH-7700
Dual Verlichting Revolver Zoom Lens	Hirox	MXG-2500REZ
Precisie Gemotoriseerde Actuator	Newport	LTA-HS	met CONEX-CC controller