Wprowadzanie elastycznych sond neuronowych za pomocą sztywnych usztywnień przymocowanych za pomocą biorozpuszczalnego kleju
27 września 2013
Wprowadzenie elastycznych sond mikroelektrod neuronowych jest możliwe dzięki dołączeniu sond do sztywnych usztywnień z glikolem polietylenowym (PEG). Unikalny proces montażu zapewnia jednolite i powtarzalne mocowanie. Po wprowadzeniu do tkanki PEG rozpuszcza się, a usztywnienie jest ekstrahowane. Metoda badawcza in vitro ocenia technikę w żelu agarozowym.
Ogólnym celem tej procedury jest wszczepienie elastycznych cienkowarstwowych sond neuronowych do tkanki za pomocą tymczasowego usztywniacza. Osiąga się to poprzez zaprojektowanie i wyprodukowanie niestandardowych usztywnień krzemowych, które pasują do sondy i mają kanał wypełniony rozpuszczalnym glikolem polietylenowym. Drugim krokiem jest użycie kleju typu flip chip do montażu usztywnienia do sondy.
Następnie usztywniony zespół sondy jest wprowadzany do tkanki docelowej. Ostatnim krokiem jest rozpuszczenie glikolu polietylenowego i ekstrakcja trzonka. Ostatecznie zademonstrowana metoda może zostać wykorzystana do wszczepienia elastycznych sond mikroelektrodowych w tkankę nerwową w celu rejestracji i stymulacji in vivo.
Implikacje tej techniki rozciągają się na kliniczne leczenie zaburzeń neurologicznych, ponieważ ruchome usztywnienia umożliwiają elastyczne wszczepianie urządzeń, które mogą zmniejszyć niepożądane reakcje tkankowe. Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak zmiękczanie materiałów, jest to, że umożliwia ona precyzyjne wprowadzanie dowolnie długich i cienkich sond. Wykonaj usztywnienie silikonowe z kanałem odprowadzającym wilgoć z płytki silikonowej na izolatorze o grubości warstwy urządzenia równej pożądanej grubości usztywnienia.
Wytrawić na sucho kanały odprowadzające wilgoć w wytrawiaczu plazmowym przy użyciu standardowego procesu Boscha. Następnie zdefiniuj kontur usztywnienia dłuższą krawędzią, która kończy się na zakopanej warstwie tlenku. Teraz na mokro wytraw zakopaną warstwę tlenku w 49% kwasie fluorowodorowym, aby uwolnić usztywniacze.
Następnie namocz usztywniacze uwalniające w wodzie dejonizowanej przez 15 minut. Następnie umieść granulkę glikolu polietylenowego w zbiorniku. Na zakładce żebra.
Podgrzej usztywnienie do 65 stopni Celsjusza, aby glikol polietylenowy topił się i przenikał do kanału przez działanie kapilarne. Następnie ostudzić do temperatury pokojowej, aby zestalić się. Umieść usztywnienie do góry nogami na stoliku podstawowym łącznika typu flip chip.
Następnie podnieś usztywnienie za pomocą głowicy narzędziowej. Następnie umieść sondę do góry nogami na stoliku podstawowym za pomocą łącznika typu flip chip. Wyrównaj żebro i sondę.
Następnie opuść usztywnienie na sondę. Podgrzej zespół do 65 stopni Celsjusza przez jedną minutę, aby glikol polietylenowy ponownie się stopił i przymocował usztywnienie do sondy. Następnie ostudź do zestalenia, odwróć zespół i sprawdź od góry, podgrzej do 65 stopni Celsjusza, aby glikol polietylenowy całkowicie wypełnił granicę faz między sondą a usztywnieniem.
Stroną z sondą do góry stopić od jednej do trzech dodatkowych granulek glikolu polietylenowego na wypustce, aby zapewnić dodatkowe wzmocnienie w tym obszarze. Na koniec pozwól zespołowi ostygnąć, aby glikol polietylenowy zestalił się i zespół był gotowy do chirurgicznego wprowadzenia. W akrylowym pudełku przygotuj 0,6% żel aros w soli fizjologicznej buforowanej fosforanem lub PBS, nasyc żel PBS i podgrzej do 37 stopni Celsjusza.
Następnie ułóż pudełko manipulatora mikrom żelu agros i systemu kamer mikroskopowych. Włóż szklany referencyjna odpowiedź do pudełka z żelem. Następnie za pomocą wykałaczki dentystycznej wyrównaj cechy na referencyjnym powierniku do pola widzenia mikroskopu cyfrowego.
Aby zamontować zespół usztywnienia sondy do mikromanipulatora, przyklej tylną część zaczepu usztywnienia do uchwytu, który można zacisnąć na mikromanipulatorze. Uważając, aby nie zetknąć sondy z klejem. Tymczasowo przymocuj końcówkę złącza sondy do uchwytu za pomocą małego kawałka szpachli samoprzylepnej, tak aby można ją było łatwo usunąć przy użyciu niewielkiej siły, umieść zespół sondy nad żelem, około jednego milimetra za odniesieniem.
Następnie włóż sondę do żelu za pomocą kamery, aby poprowadzić ją na żądaną głębokość w polu view. Natychmiast wyjmij końcówkę złącza sondy z mikromanipulatora i zabezpiecz ją na pobliskiej powierzchni, takiej jak drugie ramię manipulatora. Należy to zrobić, zanim glikol polietylenowy na zakładce zacznie się rozpuszczać.
Aby uniknąć przemieszczenia sondy, zrób zdjęcie lokalizacji sondy. Należy pamiętać, że referencyjne cechy odniesienia mogą być nieco nieostre. Nałóż sól fizjologiczną w pobliżu zakładki, aby rozpuścić glikol polietylenowy, który znajduje się nad żelem aros, a w razie potrzeby na karcie rozpocznij przechwytywanie wideo.
Teraz rozpocznij ekstrakcję usztywnienia, stosując przemieszczenie 100 mikrometrów z prędkością pięciu milimetrów na sekundę. Następnie zakończ ekstrakcję usztywnienia z mniejszą prędkością około 0,1 milimetra na sekundę. Po zakończeniu ekstrakcji wykonaj ostateczną migawkę lokalizacji prob za pomocą narzędzi do przetwarzania obrazu.
Porównaj obrazy przed i po ekstrakcji usztywnienia. Użyj funkcji na referencyjnym powierniku, które są widoczne w polu widzenia, aby dokładnie nałożyć obrazy. Skalibruj skalę obrazu na podstawie rozmiaru znanych obiektów na sondzie.
Teraz zmierz odległość przemieszczenia sondy na obrazie nakładki. Ta technika wprowadzania została zastosowana w połączeniu z cienkowarstwowymi sondami poliamidowymi LLNL, które przeszły normy biokompatybilności ISO 1 0 9 9 3 i są przeznaczone do przewlekłej implantacji. Test żelowy AROS został wykorzystany do ilościowego określenia średniego przemieszczenia sondy dla danej kombinacji usztywnienia sondy i kleju.
Na przykład te zdjęcia przed i po pokazują przemieszczenie sondy o 29 mikrometrów. Te pojedyncze kolce neuronów uzyskano z elastycznej sondy mikroelektrodowej wszczepionej z wyjmowanym usztywniaczem do kory szczura. Po tej procedurze udało nam się wszczepić sondy w różnych konfiguracjach, w tym urządzenia dwustronne i sondy z wieloma trzpieniami Po jego opracowaniu.
Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się neurobiologią do zbadania rozszerzonej aktywności neuronalnej w zachowujących się modelach zwierzęcych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia metodę implantacji elastycznych cienkowarstwowych sond neuronalnych do tkanki z wykorzystaniem tymczasowego usztywniacza. Technika ta polega na zastosowaniu glikolu polietylenowego (PEG) w celu ułatwienia wprowadzenia, a następnie usunięcia usztywniacza.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Interfejsy neuronowe
Wstęp
- Elastyczne sondy neuronalne są niezbędne do rejestracji i stymulacji in vivo.
- Tradycyjne metody mogą nie zapewniać efektywnego wprowadzania tych sond.
- PEG jest wykorzystywany ze względu na jego właściwości rozpuszczalne, co wspomaga proces insertacji.
- Zastosowanie usztywniaczy może zwiększyć precyzję umieszczania sondy.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody wprowadzania elastycznych sond neuronowych do tkanki.
- Zapewnienie jednorodnego i powtarzalnego mocowania sond do usztywniaczy.
- Ocena skuteczności techniki wprowadzania w kontrolowanym środowisku.
Zastosowane Metody
- Projektowanie i wykonanie niestandardowych usztywniaczy krzemowych.
- Montaż usztywniaczy do sond za pomocą urządzenia do bondingu flip-chip.
- Wprowadzenie usztywnionego zespołu sondy do tkanki docelowej.
- Ocena rozpuszczania PEG i ekstrakcji usztywniacza.
Główne wyniki
- Metoda ta umożliwia precyzyjną implantację elastycznych sond.
- PEG skutecznie rozpuszcza się po insercji, ułatwiając usunięcie usztywniacza.
- Technika ta wykazuje potencjał w zastosowaniach in vivo.
- Testy in vitro potwierdzają niezawodność procesu insercji.
Wnioski
- Ta metoda zwiększa wykonalność zastosowania elastycznych sond neuronowych.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować zaawansowaną rejestrację i stymulację neuronową.
- Konieczne są dalsze badania w celu optymalizacji techniki dla różnych tkanek.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Precyzyjna implantacja elastycznych sond neuronowych stanowi krytyczne wyzwanie w badaniach i rozwoju neurotechnologii, wpływając na niezawodność oraz trwałość urządzeń interfejsu neuronowego. Metoda ta wykorzystuje tymczasowy sztywny usztywniacz z biodegradowalnym klejem, aby umożliwić dokładne rozmieszczenie delikatnych sond, bezpośrednio rozwiązując problemy związane z precyzją wprowadzania oraz kompatybilnością tkankową. Podejście to zapewnia ciągłość translacyjną od inżynierii urządzeń po przedkliniczne rejestracje neuronowe, zwiększając wiarygodność predykcyjną w zastosowaniach następczych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjne wprowadzanie sond neuronowych do mapowania funkcjonalnego i badania szlaków przewodzenia.
- Ogranicza uszkodzenia tkanki związane z inserkcją, co pozwala na uzyskanie wyraźniejszych wyników biologicznych.
- Ułatwia eliminację ryzyk mechanistycznych poprzez minimalizację zakłóceń wynikających z mikroruchów.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wspiera przygotowanie zwalidowanych systemów interfejsów neuronowych do analiz elektrofizjologicznych.
- Poprawia powtarzalność rozmieszczenia sond, zwiększając standaryzację analizy.
- Umożliwia ilościowy pomiar przesunięcia sondy w celu kontroli jakości.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia zgodność z modelami neuronalnymi istotnymi dla przebiegu chorób, umożliwiając chroniczną implantację przy zredukowanej odpowiedzi niepożądanej.
- Zapewnia ciągłość procesu od inżynierii urządzeń do rejestracji aktywności neuronalnej in vivo w modelach zwierzęcych.
- Wspiera rozwój technologii interfejsów neuronalnych w kierunku punktów końcowych translacyjnych przy uwzględnieniu analizy ryzyka.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje proces neurotechnologiczny, od wykonania urządzenia po walidację przedkliniczną, łącząc etapy inżynieryjne i oceny biologicznej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez umożliwienie stabilnych rejestracji neuronalnych po implantacji.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne pozycjonowanie sondy w badaniach porównawczych i opracowywaniu testów.
- Analityka: Dostarcza ilościowych pomiarów przesunięcia w celu oceny precyzji insercji.
- Badania translacyjne: Ułatwia prowadzenie badań nad przewlekłą implantacją w modelach zwierzęcych w celu odkrywania biomarkerów.
- Zastosowania przedsiębiorstw: Oferuje znormalizowane, skalowalne podejście do elastycznej insercji sond na różnych platformach urządzeń.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w zakresie wydajności interfejsu neuronalnego oraz walidacji celu.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje wprowadzanie sondy, poprawiając powtarzalność i skalowalność w badaniach.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach poprzez minimalizację odpowiedzi tkankowej i artefaktów wprowadzenia.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów na interfejsy neuronalne do dalszego rozwoju z uwzględnieniem korekty o ryzyko.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie mikrofabrykacji i montażu urządzeń neuronalnych.
- Wymagany jest dostęp do sprzętu do flip-chip bondingu oraz infrastruktury obrazowania w celu wyrównania i analizy.
- Niezbędna jest standaryzacja konstrukcji sond i usztywniaczy między zespołami w celu zapewnienia powtarzalności.
- Może być wymagana adaptacja do różnych geometrii sond lub modeli tkanek.
- Ograniczenia praktyczne obejmują czas rozpuszczania kleju oraz obchodzenie się z delikatnymi zestawami.
