Micro-Array aandrijving voor chronische In vivo Opname: Drive Fabrication

Deze video behandelt de assemblage van een lichtgewicht micro-drive array met 21 onafhankelijk instelbare schroefgestuurde micro-drives. Elke micro-drive regelt de registratiepositie van een enkele elektrode. De micro-drives zijn gemonteerd in een computerontworpen plastic basis die ze stabiliseert ten opzichte van de schedel van het bewegende dier en de elektroden samenbrengt in een dicht opeengepakt patroon dat door een kleine craniotomie in de hersenen kan worden ingebracht.

De basis ondersteunt tevens een elektrode-interfacebord voor de aansluiting op de registratieapparatuur, waardoor het dier aan het begin en einde van een experiment gemakkelijk kan worden aangesloten en losgekoppeld. Een plastic kegel die aan de basis is bevestigd, beschermt de micro-aandrijvingen en elektroden tegen externe invloeden in de rattenkooi. Hoi, ik ben Faia Postman van het laboratorium van Matt Wilson in het PIKA Institute for Learning and Memory aan het Massachusetts Institute of Technology.

Vandaag laten we u een protocol zien voor het fabriceren van een van deze micro-drive arrays. In ons laboratorium gebruiken we deze micro-drive arrays om signalen te registreren van een grote populatie neuronen in de hersenen van ratten, bijvoorbeeld uit de cortex of hippocampus. Eerst laten we u zien hoe we onze micro-drive array hebben ontworpen.

Vervolgens gaan we naar de werkplaats, waar Steve en Stewart ons zullen laten zien hoe de grondstoffen worden verwerkt en hoe deze worden geassembleerd tot een volledig functioneel apparaat. Laten we beginnen. De plastic basis is ontworpen met behulp van computerondersteunde ontwerpsoftware en is vervaardigd via een goedkoop 3D-printproces.

We modelleren daarnaast alle overige componenten van de micro-aandrijfmatrix. Hierdoor kunnen we de afmetingen en het gewicht van de voltooide aandrijfunit nauwkeurig beheersen. Bovenop de kunststof basis bevinden zich twee ringen met gaten waarin de individuele micro-aandrijvingen worden geplaatst.

Het 3D-model wordt naar een servicebureau gestuurd dat het ontwerp vervaardigt uit een laseruithardende hars met behulp van stereolithografie. Dit duurt doorgaans slechts enkele dagen en het resulterende onderdeel is lichtgewicht en herbruikbaar. Zodra het onderdeel van het servicebureau arriveert, moeten we het klaarmaken voor gebruik.

Laten we naar de werkplaats gaan. Het 3D-printproces kan kleine gaten niet betrouwbaar printen, dus specificeren we gaten met een kleinere diameter in onze modellen. Boor en tap de gaten vervolgens in de werkplaats uit tot de vereiste maat.

Drie verschillende boormaten worden gebruikt om de plastic basis voor te bereiden: een boor nr. 61, een boor nr. 65 en een boor van 1,55 millimeter in de buitenring van de basis. Gebruik een handboor met een boor nr. 61 op zeer lage snelheid om de geleidingsgaten voor te boren waarin later de microschroeven worden geplaatst. Bereid vervolgens de gaten voor de ondersteuningsbuisjes voor de micro-aandrijving in de ingang van de basis door deze gaten uit te boren met een boor nr. 65.

Boor met de grotere boor van 1,55 millimeter de gaten uit waarmee de basis aan de elektrode-interfaceplaat en de beschermende kegel wordt bevestigd. Om een soepele beweging in de micro-aandrijving te garanderen, wordt een roestvrijstalen huls in de binnenring van gaten geplaatst. Elke huls moet met een tang worden geperst totdat deze vlak ligt met de bovenkant van de basis.

De geleidegaten voor de schroeven moeten nu worden getapt. Gebruik een pincet-boormachine om het tappenijzer vast te houden en breng een droog smeermiddel aan vóór het tappen. Lijn het tappenijzer en de huls uit door te controleren of deze parallel lopen aan een buisje van 23 gauge dat tijdelijk in de naburige huls wordt geplaatst.

De gaten waarin de interfaceplaat en de beschermende kegel worden bevestigd, moeten worden getapt. Tap deze gaten op dezelfde manier met de hand aan. Het ontwerp op plasticbasis beschikt over een tapstart voor elk schroefloodgat om ervoor te zorgen dat de eerste schroefdraad tijdens het tappen niet beschadigd raakt.

Nadat alle geleidingsgaten zijn getapt, kunnen deze tapsnijder-startpunten eenvoudig worden afgebroken met een scheermesje. De elektroden worden door een reeks elektrodengeleidingsbuizen naar één enkele locatie aan de onderzijde van de aandrijving geleid.

Eerst moeten we de opvangcanule maken waarin alle elektro-geleidingsbuisjes worden geplaatst. De opvangcanule wordt gemaakt van een 1.5 centimeter lang stuk roestvrijstalen buis. De opvangcanule wordt vastgezet met tandheelkundig cement.

Om de hechting te verbeteren, wordt de buis voorzichtig opgeruwd met een Dremel-slijpschijf, waarna deze canule in de onderkant van de plastic basis wordt geplaatst. Positioneer deze zodanig dat vijf tot zeven millimeter van de canule buiten de micro-drive array blijft steken. Bevestig de opvangkannule aan de onderkant van de plastic basis om de chirurgische implantatie te vergemakkelijken.

Laat het bij gebruik van tandheelkundige acryl minimaal 15 minuten uitharden. Bereid vervolgens de geleidingsbuisjes voor door 21 stukken polyamide met een scheermesje af te snijden. Begin deze stap door alle 21 geleidingsbuisjes in de opvangcanule aan de onderzijde van de aandrijfbasis te schuiven.

Dit zorgt ervoor dat de buisjes allemaal parallel aan elkaar staan. Als de buisjes in het bundel te los of te strak zitten, kunt u beginnen met minder buisjes of naar behoefte extra buisjes toevoegen. Verwijder nu elk geleidingsbuisje één voor één en schuif het in een van de hulzen aan de bovenzijde van de drive.

Schuif de buis door de opening aan de linkerzijde achter het bundel buizen. Controleer de geleidingsbuizen op knikken of scherpe bochten en vervang deze indien nodig. Pas de positie van elke geleidingsbuis aan zodat deze één tot twee millimeter boven de huls uitsteekt.

Voeg nu een kleine druppel dunne sano acro lake-lijm toe aan de onderkant van de opvangcanule. Wees zeer voorzichtig dat de lijm niet in de geleidingsbuisjes loopt. Gebruik vervolgens een nieuw scheermesje om de bundel met overtollige buisjes aan de onderkant van de opvangcanule af te snijden.

Verifieer onder een stereomicroscoop of de buisjes netjes zijn afgesneden en vlak liggen met de canule. Elke elektrode wordt voortgestuwd door een eigen micro-drive, dus we moeten 21 micro-drives maken en deze vervolgens in de plastic basis plaatsen. Elke micro-drive bestaat uit een op maat gemaakte schroef en een holle steunbuis, die aan elkaar zijn bevestigd.

Met behulp van tandheelkundige acryl gaat de elektrode door de steunbuis. De schroef heeft een niet-draadgedeelte met een klein lipje dat in de tandheelkundige acryl is ingebed, waardoor de schroef op deze manier vrij kan draaien. Wanneer de schroef in de plastic basis wordt gedraaid, wordt de elektrode naar voren bewogen of teruggetrokken.

De kop van de schroef heeft de vorm van een halve cilinder. Voordat we de micro-aandrijvingen kunnen maken, moeten we een schroevendraaier vervaardigen om onze aangepaste schroeven aan te draaien. Onze geïmproviseerde schroevendraaier wordt geconstrueerd door een aangepaste schroef te nemen en de rand rondom de halve cilindrische kop volledig weg te slijpen.

Steek de schroefkop in een 15 gauge buisje van vijf centimeter lang totdat deze volledig is omsloten. Druk nu het buisje samen rond de schroefdraad om de schroef in het buisje te fixeren en te voorkomen dat deze draait. Bevestig een mini-pincetklem om als handvat te dienen en voilà: een schroevendraaier.

De micro-aandrijving wordt vervaardigd door tandheelkundig acrylaat rond de schroef en de steunbuis te gieten. De mallen die we gebruiken zijn van 3D-geprint plastic, net als de plastic basis, en hebben gaten in de bodem die de schroef en de steunpaal uitgelijnd houden terwijl we het acrylaat in de mal gieten. Eerst moeten we de mal voorbereiden: maak het gat voor de steunbuis vrij met een naald van 23 gauge, maak het schroefgat vrij en maak schroefdraad aan met een draadtap.

Dit is dezelfde procedure die we zojuist hebben toegepast op de plastic basis. Nu is de mal klaar voor gebruik om micro-aandrijvingen te maken. Bekleed de mal met een smeermiddel op basis van Teflon om te voorkomen dat het tandheelkundige acrylaat aan de mal kleeft.

Ruw de bovenste twee tot drie millimeter van een 14 millimeter lange 23 gauge roestvrijstalen steunpaal op met een slijpschijf, zodat deze stevig verankerd raakt in het acryl. Plaats de steunpaal in het kleinere gat van de mal, zodanig dat de bovenzijde van de paal boven de bovenkant van de well uitsteekt. Breng een dunne laag Teflon-gebaseerd smeermiddel aan op een schroef en draai deze in het geschroefde gat totdat de schroefdraad net onder de bodem van de well bevindt.

Meng nu wat tandheelkundige acryl en giet dit in de mal. Zorg ervoor dat het in alle hoekjes en gaatjes terechtkomt. Een naald kan helpen om luchtbellen te verwijderen zodra de acryl is uitgehard.

U kunt de micro-aandrijving verwijderen door de schroef los te draaien. Voer een strikte kwaliteitscontrole uit. Er mogen geen scheuren of luchtbellen in het acryl zitten.

De paal en de schroeven moeten parallel staan en niet zijwaarts kunnen bewegen. De schroeven moeten soepel draaien, maar zonder speling; alle defecte micro-aandrijvingen moeten worden gescheiden van de herbruikte onderdelen. Herhaal dit proces totdat u 21 goede micro-aandrijvingen heeft.

Als uw mal meerdere putjes heeft, kunt u de micro-aandrijvingen in batches maken om tijd te besparen. Lijn elke micro-aandrijving zorgvuldig uit met een paar gaten in de plastic basis. Schuif de steunbuis van de micro-aandrijving over de polymeergeleidingsbuis en in de metalen huls, terwijl u de schroevendraaier gebruikt om de schroef van de micro-aandrijving naar voren te bewegen.

Dit kan lastig zijn. Let goed op het midden van de basis om er zeker van te zijn dat de geleidebuis niet in de klem vast komt te zitten terwijl de microdrive wordt neergelaten. Zodra alle microdrives op hun plaats staan en volledig zijn neergelaten, wordt een kleine hoeveelheid acryl in het midden van de drive gedruppeld om het boeket van geleidebuizen op hun plaats te fixeren.

Laat de acryl gedurende 15 minuten uitharden. Zodra de acryl droog is, maakt u een bovenaanzichtschema van de micro-aandrijvingen en geeft u elke micro-aandrijving een unieke naam of een nummer, om vervolgens elke micro-aandrijving ongeveer drie millimeter terug te trekken. Kijk nu door het stereomycroscoop, draai de aandrijving om en maak een foto van de onderkant van de verzamelcannule en de geleidingsbuizen.

Maak een print van de afbeelding die als referentie kan dienen in de volgende stappen. Plaats vervolgens, met de drive ondersteboven, in elke geleidingsbuis een smalle polyamide dragerbuis totdat deze aan de bovenkant van een micro drive uitkomt. Noteer op de foto welke geleidingsbuis bij welke micro drive hoort.

De dragersbuis zal later de delicate elektrodedraden beschermen en ondersteunen. Deze loopt door de micro-aandrijving. Schuif elke dragersbuis uit tot deze één centimeter boven de bovenkant van de ondersteuningsbuis van de micro-aandrijving uitsteekt, en lijm de dragersbuis vervolgens aan de ondersteuningsbuis met vijf-minuten epoxy of dikke sano acro lake-lijm.

Wees zeer voorzichtig bij deze stap. Als er lijm langs de binnenkant van de steunbuis druppelt, kan de steunbuis aan de stationaire geleidingsbuis vastplakken, waardoor de micro-aandrijving onbruikbaar wordt. Dit is de reden waarom we de micro-aandrijvingen omhoog brengen voordat we de dragerbuizen inbrengen.

Zodra alle dragersbuisjes zijn vastgelijmd, worden de micro-aandrijvingen opnieuw volledig neergelaten en worden alle dragersbuisjes vlak aan de onderzijde van de aandrijving afgesneden met een nieuw scheermesje. Snijd vervolgens de dragersbuisjes één tot twee millimeter boven de bovenzijde van de micro-aandrijving af met een schaar. Plaats tot slot de elektrode-interfacekaart op de basis van de aandrijving en bevestig deze met twee schroeven.

Op dit punt is de drive-array klaar om te worden geladen met elektroden en onze experimenten. We gebruiken doorgaans vierkanaals microwire-elektroden, genaamd tetroden, maar elk type elektrode kan worden gebruikt. De fabricage van tetroden, de manier waarop ze in de micro-drives worden geladen en hoe de drive-array moet worden voorbereid voor chirurgische implantatie, worden behandeld in andere JoVE-video's.

Dit protocol kan direct worden gevolgd of worden aangepast aan uw behoeften. Sommige onderzoekers hebben bijvoorbeeld langere schroeven nodig om opnames te maken van dieper gelegen hersenstructuren. Anderen willen mogelijk een drive ontwerpen die zich op meer dan één locatie in de hersenen richt.

Het ontwerp kan met enkele kleine aanpassingen ook worden geminiaturiseerd voor gebruik in kleinere dieren, zoals muizen; hiervoor kunnen gemotoriseerde micro-drives worden gebruikt, waarmee de posities van de elektroden op afstand kunnen worden aangepast. We hebben zojuist laten zien hoe u een micro-drive array kunt ontwerpen en vervaardigen die op de kop van een rat kan worden geïmplanteerd en ons in staat stelt om signalen vast te leggen van grote populaties neuronen terwijl het dier daadwerkelijk beweegt. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat de gaten in de kunststof basis zorgvuldig moeten worden geschroefd, zodat de schroeven van de micro-drive niet wegglijden.

Voer een strikte kwaliteitscontrole uit op de vervaardigde micro-aandrijvingen. Controleer of de schroef en de steunbuis parallel lopen en of de schroef soepel draait zonder speling. Wees voorzichtig bij het gebruik van lijm of tandheelkundig acryl om te voorkomen dat de buisjes per ongeluk verstopt raken.

Onthoud ten slotte dat u, om de MyDrive-array te voltooien en voordat u de operatie uitvoert, tetros en een lage dosis in de drive moet aanbrengen. Dit wordt behandeld in een ander JoVE-videoartikel. Dat is alles.

Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.