Summary
Inserimento di sonde flessibili microelettrodi neurali è attivata collegando sonde di rinforzi rigidi con polietilene glicole (PEG). Un processo di assemblaggio unica assicura uniformità e l'attaccamento ripetibile. Dopo l'inserimento nel tessuto, il PEG dissolve e il rinforzo viene estratto. Un metodo di prova in vitro valuta la tecnica in gel di agarosio.
Abstract
Matrici di microelettrodi per i dispositivi di interfaccia neurali che sono fatti di polimero biocompatibile a film sottile sono tenuti ad avere esteso durata funzionale perché il materiale flessibile può minimizzare reazione avversa al tessuto causata da micromovimenti. Tuttavia, la loro flessibilità ne impedisce accuratamente inserito nel tessuto neurale. Questo articolo viene illustrato un metodo per collegare temporaneamente un microelettrodo sonda flessibile per un rinforzo rigido utilizzando biodissolvable polietilene glicole (PEG) per facilitare preciso, inserimento chirurgico della sonda. Un disegno unico permette rinforzo per la distribuzione uniforme della colla PEG lungo la lunghezza della sonda. Flip-chip bonding, uno strumento comune utilizzato negli imballaggi microelettronica, permette l'allineamento preciso e ripetibile e fissaggio della sonda al rinforzo. La sonda e rinforzi sono impiantati chirurgicamente insieme, poi il PEG è disciolta in modo che il rinforzo può essere estratto lasciando la sondaal suo posto. Infine, un metodo di prova in vitro viene utilizzato per valutare l'estrazione rinforzo in un modello gel di agarosio del tessuto cerebrale. Questo approccio dell'impianto è dimostrato particolarmente vantaggioso per le sonde più flessibili (> 3 mm). Esso fornisce anche un metodo fattibile per impiantare sonde flessibili su due lati. Ad oggi, la tecnica è stata utilizzata per ottenere varie vivo dati registrati dalla corteccia di ratto.
Introduction
Matrici di microelettrodi sono uno strumento essenziale nel campo delle neuroscienze, così come applicazioni cliniche emergenti come protesi. In particolare, penetrante sonde micro-elettrodi permettono di stimolazione e registrazione dell'attività neuronale attraverso lo stretto contatto con le cellule del cervello, midollo spinale e nervi periferici. Una sfida importante per le sonde neurali impiantate è la stabilità e la longevità delle funzioni di stimolazione e registrazione. Studi di modellistica e sperimentale dell'interazione tra le sonde di microelettrodi e tessuto neurale hanno suggerito che un meccanismo di degradazione è micro-lacerazione del tessuto nervoso a causa di leggero movimento relativo tra la sonda e il tessuto 1-3. Una soluzione consiste nel fabbricare sonde flessibili che hanno più strettamente le proprietà di rigidezza massa di tessuto neurale per minimizzare relativa micromovimenti. Come tale, polimeri biocompatibili film sottile come poliimmide e parylene sono stati adottati come substrati favorevoli per MICROELECdell'elettrodo indaga 4-8.
Un compromesso di sonde flessibili è che sono difficili da inserire nel tessuto neurale. I ricercatori hanno preso vari approcci per facilitare l'inserimento di sonde flessibili preservando le proprietà meccaniche desiderabili. Una classe di disegni modifica la geometria della sonda polimero per aumentare la rigidità in alcune sezioni o assi, pur mantenendo il rispetto in altre parti. Questo è stato realizzato incorporando nervature o strati di altre materie 9,10. Un altro approccio integra un canale 3-D nel disegno sonda polimero che viene riempito con materiale biodegradabile 11. Questa sonda può essere irrigidita temporaneamente, e dopo l'inserimento del materiale nelle dissolve canale e scaricata. Tuttavia, i metodi come questi che modificano permanentemente la geometria del dispositivo finale impiantato possono compromettere alcune delle caratteristiche desiderabili della sonda flessibile.
Un metodo che fa not alterare la geometria della sonda finale è di incapsulare il dispositivo polimero con materiale biodegradabile per irrigidire temporaneamente il dispositivo 12-14. Tuttavia, materiali tipici biodegradabili hanno ordini di Young di moduli di grandezza inferiore a quella del silicio e sarebbero quindi necessari spessore maggiore per ottenere la stessa rigidità. Adeguatamente rivestimento della sonda può provocare una punta più arrotondata o smussata, rendendo più difficile inserimento. Inoltre, poiché i rivestimenti solubili sono esposte, vi è il rischio di loro dissoluzione immediatamente, a contatto, o anche vicinanza, con il tessuto.
Un'altra classe di metodi utilizza sonde romanzo substrato materiali che riducono in rigidezza dopo essere stato impiantato nel tessuto. Tali materiali comprendono polimeri a memoria di forma 15 e un nanocomposito meccanicamente adattativo 16. Questi materiali sono in grado di diminuire in modulo elastico significativamente dopo l'inserimento, e possono causare sonde che più strettamente MatCh le proprietà meccaniche del tessuto neurale. Tuttavia, la gamma di rigidezza ottenibile è ancora limitata, in modo che non può essere in grado di fornire elevata rigidezza equivalente ai fili di silicio o di tungsteno. Pertanto, nel caso di sonde flessibili che sono molto lunghi (ad esempio> 3 mm) o che hanno estremamente bassa rigidità, potrebbe essere necessario prestare un modo di fissare temporaneamente un rinforzo più rigida.
Ancora un altro metodo promettente segnalato è per rivestire una navetta irrigidimento con una permanente auto-assemblaggio monostrato (SAM) per personalizzare l'interazione superficie tra la navetta e la sonda flessibile 17. Una volta asciutta, la sonda aderisce alla navetta rivestito elettrostaticamente. Dopo l'inserimento, acqua migra sulla superficie idrofila, separando la sonda dalla navetta in modo che la navetta può essere estratto. Estrazione Shuttle con cilindrata ridotta sonda è stata dimostrata (85 micron). Tuttavia, con sole interazioni elettrostatiche tenendo la sonda di tegli navetta, vi è un certo rischio di sonda scorrimento relativo alla navetta prima e durante l'inserimento.
Abbiamo sviluppato un metodo in cui la sonda flessibile è collegata a un rinforzo con un materiale adesivo biodissolvable temporaneo che tiene saldamente la sonda durante l'inserimento. Le sonde utilizzate erano fatte di poliimmide, che ha un modulo elastico dell'ordine di 2-4 GPa. Il rinforzo è stato fabbricato da silicio, con un modulo elastico di ~ 200 GPa. Se collegato, la rigidità del silicio domina, facilitando l'inserimento. Una volta inserita nel tessuto, il materiale adesivo si dissolve e il rinforzo viene estratto per ripristinare la sonda alla sua duttilità iniziale. Abbiamo scelto polietilenglicole (PEG) come il materiale adesivo biodissolvable. PEG è stato utilizzato in applicazioni impiantati quali sonde neurali, ingegneria tessutale, e la somministrazione di farmaci 11,18,19. Alcune prove ha suggerito che PEG può attenuare la risposta neuroinfiammatorie nel cervellotessuto 18,20. Rispetto ad altri materiali possibili, tra cui saccarosio, lattico-co-glicolico acido poli (PLGA), e l'alcool polivinilico (PVA), PEG ha un tempo di dissoluzione in fluidi biologici che è una portata tale per molti interventi implantari (dell'ordine di decine di minuti, a seconda del peso molecolare). Inoltre, è solido a temperatura ambiente e liquido a temperature comprese 50-65 ° C. Questa struttura rende particolarmente adatto per il nostro processo di assemblaggio di precisione. Inoltre, simile alla SAM descritto in 17, il PEG disciolto è idrofilo, facilitando l'estrazione del rinforzo. Questo approccio vantaggioso è attivata da un design rinforzo romanzo e metodico processo di assemblaggio che garantiscono una copertura adesiva uniforme e allineamento preciso e ripetibile. Oltre al processo di assemblaggio, presentiamo il metodo di applicazione del rinforzo rimovibile durante l'intervento chirurgico, come pure un procedimento in vitro per valutare l'estrazione della stiffener.
Il protocollo qui presentata si presuppone che l'utente possiede una sonda flessibile polimero microelettrodo. La parte del protocollo riguardante la fabbricazione del rinforzo e montaggio di questa sonda ad un rinforzo assume accesso a strumenti comuni presenti in una struttura microfabbricazione. Il protocollo relativo ai inserimento e l'estrazione sarebbe probabilmente essere effettuata in un laboratorio di neuroscienze-oriented.
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Protocol
1. Assemblaggio di sonda per Stiffener
Questa sezione descrive il protocollo di fabbricazione di un rinforzo di silicio, e l'assemblaggio di una sonda polimero film sottile al rinforzo. Figura 1 illustra una sonda tipica polimero neurale con il rinforzo proposto. I dettagli della progettazione rinforzo sono mostrati nella Figura 2. La caratteristica innovativa di questo motivo è poco profondo "wicking" canale che corre lungo la sua lunghezza che viene utilizzato per distribuire l'adesivo liquido durante il montaggio. La porzione più ampia del rinforzo è una scheda per la movimentazione in fase di montaggio e inserimento chirurgico. Un serbatoio nella scheda si collega al canale. Il componente è realizzato con silicio mediante processi di microfabbricazione standard.
- Il rinforzo di silicio con un canale traspirante è stato fabbricato da una (SOI) wafer di silicio su isolante con uno spessore periferica uguale allo spessore desiderato del rinforzo (
- Posizionare un pellet di polietilene glicole (PEG) di peso molecolare 10.000 g / mol nel serbatoio (Figura 4). Riscaldare il rinforzo a 65 ° C in modo che il PEG si scioglie e stoppini nel canale per azione capillare. Poi raffreddare a temperatura ambiente a solidificare. La figura 5 mostra uno schema del flip chip di bonder impostato. Posizionare il rinforzo a testa in giù sul palco base del bonder flip chip, poi prendere il rinforzo con la testa strumento. Posizionare la sonda a testa in giù sul palco di base. Utilizzando il bonder flip chip, allineare il rinforzo e la sonda e quindi abbassare il rinforzo e posizionarlo sulla sonda.
- Lo stadio base del bonder flip chip dovrebbe avere un elemento riscaldante per applicare calore al substrato. Dopo aver posizionato il rinforzo, riscaldare l'assieme ancora una volta a 65 ° C. Lasciare un minuto il PEG di rifusione e di iniziare a compilare l'interfaccia tra la sonda e il rinforzo. Raffreddare a solidificare.
- Girare il gruppo e ispezionare dall'alto. Riscaldare necessaria per consentire il PEG per riempire completamente l'interfaccia tra la sonda e il rinforzo. Ciò può essere valutato visivamente quanto la sonda è trasparente. Poiché il gruppo è seduto sulla riscaldatore superiore (sonda) rivolto verso l'alto, inserire manualmente 1-3 epellets Xtra di solido PEG sulla scheda in modo che si sciolgono sulla sonda, fornendo un ulteriore rinforzo in questa regione (Figura 6). Infine, permettere al gruppo di raffreddare in modo che il PEG solidifica. A questo punto, il gruppo è pronto per l'inserimento chirurgico.
2. Inserimento e estrazione
- Montare la sonda-rinforzo per un micromanipolatore come illustrato nella Figura 7A aderendo retro del rinforzo al braccio micromanipolatore in corrispondenza della zona tab. Questo può essere fatto con nastro biadesivo o cemento, ma fare attenzione a non contattare la sonda con adesivo. Fissare temporaneamente l'estremità del connettore della sonda al micromanipolatore con un piccolo pezzo di mastice adesivo tale da poter essere facilmente rimosso con bassa forza.
- Posizionare il gruppo sonda sul bersaglio e inserire la sonda con la velocità di inserimento desiderato. Velocità di inserimento di 0,13-0,5 mm / sec sono stati usati durante lo sviluppo di questo protocollo. </ Li>
- Rimuovere immediatamente l'estremità del connettore della sonda dal micromanipolatore delicatamente e poggiare su una superficie vicina, come un secondo braccio manipolatore (Figura 7B). Questo deve essere fatto prima che il PEG comincia a dissolversi per evitare di sostituirsi alla sonda.
- Lasciare il tempo per PEG sciogliere. Questo tempo dipende dal peso molecolare PEG e l'area di contatto tra la sonda e rinforzo. Ad esempio, con peso molecolare di PEG 10.000 g / mol, una sonda microelettrodo circa 6 mm e un rinforzo di corrispondenza che è 306 micron di larghezza, 15 min è stato trovato per essere una adeguata quantità di tempo. Sezione 3 del protocollo presenta un metodo per testare il tempo di dissoluzione desiderato. Durante questo tempo, applicare tampone fosfato salino (PBS) con un contagocce attorno al punto di inserimento scheda e per sciogliere qualsiasi PEG che è sopra la porta (Figura 7C).
- Utilizzando una micropositioner motorizzato, iniziare l'estrazione del rinforzo applicando uno spostamento di100 micron ad una velocità di 5 mm / sec. Questo rapido movimento iniziale aiuta a superare qualsiasi attrito statico e ridurre al minimo lo spostamento della sonda. Poi, completare l'estrazione rinforzo ad una velocità più lenta di circa 0,1 mm / secondo (figura 7D).
- Nel caso di un intervento chirurgico reale, continuare le normali procedure di applicare gel, silicone, e / o acrilico dentale nel sito di inserzione per assicurare e proteggere la sonda, come mostrato in 21.
3. Agarose Gel test
Questa sezione del protocollo descrive una procedura di configurazione e di esaminare l'estrazione del rinforzo in un gel di agarosio 0,6% che approssima le proprietà meccaniche bulk, pH, salinità e di tessuto cerebrale 17,22. Dal momento che il gel è quasi trasparente attraverso brevi distanze, possono essere osservati separazione rinforzo e lo spostamento della sonda.
- Preparare una soluzione di 0,6% agarosio in tampone fosfato salino (PBS). Mescolare in una eletemperatura vato per dissolvere completamente la polvere di agarosio. Versare la soluzione in una scatola di acrilico superficiale; gel dovrebbe essere 3/4- 1 in profonda. Lasciare il gel fissato a temperatura ambiente per un'ora.
- Assicurarsi che il gel indurito è saturo di PBS in modo che non si secchi, e riscaldare il gel a 37 ° C.
- Impostare micromanipolatore, scatola di gel di agarosio, e sistema di telecamere microscopiche come illustrato nella Figura 8.
- Inserire un fiducial riferimento vetro in area di gel facendolo scorrere tra il gel e il lato della scatola (Figura 8). Utilizzare un pick dentale per squadrare le caratteristiche sulla fiducial riferimento al campo visivo del microscopio digitale.
- Montare la sonda al micromanipolatore come descritto al punto 2.1.
- Posizionare il gruppo sonda sopra il gel di circa 1 mm dietro l'fiduciale di riferimento.
- Inserire la sonda nel gel, utilizzando la macchina fotografica per guidare ad una profondità desiderata nel campo visivo. </ Li>
- Spostare immediatamente l'estremità del connettore della sonda a riposare su una superficie vicina.
- Apportare le modifiche necessarie per l'immagine della telecamera di concentrarsi sulla sonda (le caratteristiche fiduciali di riferimento possono essere leggermente fuori fuoco). Prendete uno snapshot della posizione della sonda.
- Lasciare PEG per sciogliere (questo tempo può variare, e in effetti può essere un parametro da testare). Applicare PBS vicino alla scheda per sciogliere PEG che è sopra il gel.
- Inizia acquisizione video se lo si desidera, e iniziare l'estrazione del rinforzo come descritto al punto 2.5. Quando l'estrazione è completa, prendere una fotografia istantanea finale della posizione della sonda.
- Utilizzare strumenti di elaborazione delle immagini per confrontare le immagini prima e dopo l'estrazione rinforzo. Utilizzare le caratteristiche sulla fiduciale di riferimento che sono visibili nel campo di vista registrarsi (allineare) le immagini. Calibrare la scala dell'immagine in base alle dimensioni di caratteristiche note sulla sonda. Misurare la distanza dello spostamento della sonda.
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Representative Results
Questa tecnica di inserimento è stato usato in combinazione con LLNL film sottile sonde poliimmidi, che hanno superato ISO 10993 standard di biocompatibilità e sono destinati ad essere impiantati cronica. Una sonda poliimmide tipico film sottile è illustrato nella figura 1 con un rinforzo di silicio che è di circa 10 mm di lunghezza nella regione stretta. Questo rinforzo ha un canale traspirante che corre lungo la sua lunghezza, come mostrato nella Figura 2. Figura 3 illustra il processo mimcrofabrication utilizzato per creare questa rinforzo su silicio. Figura 4 mostra un pellet di PEG solido che è stato posto nel serbatoio di scheda, come si è visto attraverso la telecamera del sistema di chip bonder flip. Una volta che si è riscaldato con il riscaldatore incorporato nella fase di base del bonder flip chip, il PEG fuso e cominciò per favorire nel canale. La telecamera ci ha permesso di monitorare il processo di assorbimento fino a quando il PEG riempiva completamente il canale; la cucih impiegato circa un'ora con PEG di peso molecolare 10.000 g / mol. Il PEG è stato poi solidificato e la sonda e rinforzi sono stati istituiti nel flip chip di bonder come illustrato nella Figura 5. Figura 9A mostra una vista dall'alto di una sonda e rinforzi dopo essere stato allineato e fissato, con PEG riempiendo completamente l'interfaccia. Figura 9B mostra un esempio di una bolla d'aria in cui PEG non è presente a causa di una particella. Il passaggio finale del gruppo è quello di aggiungere PEG alla regione linguetta sopra la parte del cavo della sonda, per rinforzo supplementare durante la movimentazione. Poiché questa zona non sarà inserito nel bersaglio, è accettabile avere un volume maggiore di PEG qui, come illustrato nella Figura 6. Questo metodo di montaggio è utilizzato per collegare diverse forme di sonde di irrigidimenti, compresi dispositivi multi-gambo, come mostrato in Figura 10.
La vitro agarosio prova gel è stato utilizzato per Qualitatively valutare diversi parametri quali il peso molecolare PEG, il tempo consentito per PEG per sciogliere, e la geometria rinforzo. Con ogni combinazione di PEG e la geometria rinforzo, una quantità di tempo è stato permesso di scioglimento. Poi, l'estrazione è stata tentata, osservando lo spostamento della sonda in tempo reale. Se la sonda è stata trascinata significativamente (> 200 micron), senza visibilmente separazione o scorrimento relativo al rinforzo, abbiamo concluso che il PEG non era completamente sciolto. Tabella 1 fornisce alcune osservazioni rappresentativi di PEG dissoluzione con tempi diversi e variando peso molecolare con un rinforzo che è di 6 mm di lunghezza e 306 micron di larghezza. Un'altra osservazione in test successivi era che quando il rinforzo è più stretta (ad esempio 220 micron), il PEG è stato disciolto in meno tempo (non più di 5 min). Questo è probabilmente perché l'area di contatto adesivo era diminuita e, di conseguenza, c'è stato un minor volume di PEG a dissolversi. I parametri che non sembrano influire PEGscioglimento o spostamento sonda erano spessore rinforzo (spessore compreso tra 20 micron a 100 micron sono stati testati) e il numero di canali traspirazione (1 vs 3).
Il test in vitro è stato utilizzato anche per quantificare spostamento medio della sonda per un dato sonda / rinforzo / configurazione adesivo. In questo esempio, la prova viene eseguita utilizzando la sequenza di inserimento / estrazione di figura 7 in cui il gruppo sonda-rinforzo viene inserito nel gel di agarosio, l'estremità del connettore viene spostato in una superficie vicina, il PEG è disciolta, e la rinforzo è finalmente estratta lasciando la sonda in posizione. Il set up sperimentale in Figura 8 mostra il gruppo sonda-rinforzo attaccata al braccio micromanipolatore e posizionata sopra il gel. Il fiducial riferimento era un piccolo chip di vetro con una serie di punti d'oro piazzate contro la scatola acrilica nel campo visivo del microscopio digitale.
Figura 11 mostra istantanee prima e dopo l'estrazione di un rinforzo da un gruppo sonda che è stato testato in gel di agarosio. Le caratteristiche oro chiaro nelle immagini provengono dal fiduciali di riferimento e sono stati usati come caratteristiche di riferimento per allineare le immagini tra loro. Il passo noto tra gli elettrodi (200 micron) è stato usato per calibrare la dimensione dei pixel, poiché questa dimensione è meno sensibile alle variazioni nel processo di fabbricazione. Lo spostamento della sonda netto dovute all'estrazione di rinforzo è stato stimato a 28 ± 9 micron (media ± errore standard, n = 5).
Ad oggi, il metodo proposto è stato esteso a un vero e proprio Chirurgia imal in diverse occasioni per impiantare una sonda in una corteccia di ratto. Dopo il montaggio, la sonda e rinforzo 50 micron di spessore sono stati sterilizzati insieme in EtOH a temperatura ambiente. L'inserimento e l'estrazione sono stati eseguiti con un micromanipolatore fissata ad un telaio stereotassico. Il gruppo sonda-rinforzo è stato inserito a 0.13 mm / sec circa 4 mm nella corteccia di un topo. Dopo 15 min, il rinforzo è stato estratto, lasciando la sonda in posizione. Dopo il recupero dalla chirurgia, registrazioni neurali, come mostrato in Figura 12, sono stati ottenuti con successo dal animale sveglio dimostrare la sostenibilità di questo metodo in ambulatori reali 23. Questa tecnica di impianto è stato utilizzato anche per ottenere registrazioni in vivo con array su due lati che hanno elettrodi su entrambi i lati anteriore e posteriore, come mostrato in Figura 13.
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Figura 1. Schematica di un tipico sonda neurale e il rinforzo proposto. Una sonda polimero tipico film sottile ha uno o più elettrodi sulla sonda di misura. Tracce di metallo eseguiti dagli elettrodi lungo la lunghezza della porzione di cavo e terminano su un tappetino che è collegato ad un connettore elettrico. La lunghezza rinforzo (in questo caso di circa 10 mm) dipende dalla profondità di inserimento della sonda, e una linguetta più ampia sul rinforzo consente una gestione. (Immagine gentilmente concessa da Diana George)
Figura 2. Rinforzo dettagli di design. Un canale traspirante sfrutta l'azione capillare per distribuire un adesivo liquido che è stato depositato nel serbatoio. Il serbatoio è in una regione più ampia scheda che facilita la movimentazione. (Immagine gentilmente concessa da Diana George)
Figura 3. Sequenza Fabrication per rinforzo silicio. Il rinforzo silicio è fabbricato su un isolatore silicio su (SOI) fetta (A). Prima i canali traspirazione sono secco incise usando il processo standard Bosch (B). Successivamente, la geometria rinforzo è definito da una etch più che arresta sullo strato di ossido sepolto (C). Infine, i rinforzi sono rilasciate dai wet-attacco dello strato di ossido sepolto in acido fluoridrico 49% (D).
Figura 4. Polietilene glicole nel serbatoio rinforzo. Un fiocco di polietilene glicole collocato nel serbatoio del rinforzo. Una volta riscaldato, si scioglie, riempire il serbatoio, e il flussonel canale traspirazione.
Figura 5. Schema di flip-chip bonding. Il rinforzo è tenuto con il canale in giù da un vuoto sulla testa utensile del bonder flip-chip. La sonda neurale si trova sulla scena di base a faccia in giù.
Figura 6. Polietilene glicole sulla linguetta rinforzo. Polietilene glicole Extra è generosamente applicato sulla linguetta del rinforzo come rinforzo. La porzione di cavo di una sonda poliimmide è visibile sulla parte superiore del rinforzo.
Figura 7. Schema di unserimento e la sequenza di estrazione. A) Il gruppo sonda-rinforzo è inserita nel tessuto utilizzando il micromanipolatore. B) La fine del connettore viene spostato in una superficie vicina. C) PBS si applica a dissolversi PEG nella scheda del rinforzo. D) Il rinforzo viene estratto, lasciando la sonda nel bersaglio.
Figura 8. Test in vitro istituito. L'allestimento per l'inserimento della sonda test e l'estrazione rinforzo nello 0,6% agarosio gel in tampone fosfato. Il gruppo sonda-rinforzo è fissato al braccio micromanipolatore e posizionata sopra il gel bersaglio vicino al fiducial riferimento. Un microscopio digitale viene utilizzato per osservare la sonda e rinforzo in gel di agarosio.
Figura 9. Sonda aderito a rinforzo. A) Vista dall'alto di una sonda collegata a un irrigidimento con buon allineamento e la copertura adesiva completa. B) Un esempio di un gap nella copertura adesiva a causa di una particella.
Figura 10. Esempio di una sonda multi-gambo. L'assemblaggio proposto è stato utilizzato per collegare questa sonda quattro gambo di un rinforzo in silicone corrispondente.
Figura 11. Esempio di risultati di estrazione di rinforzo. Istantanee dalla prima (in alto) e dopo (in basso) estrazione rinforzo con una sonda poliimmide film sottile in gel di agarosio. I puntini oro chiaro sonoil fiduciali di riferimento e sono usati come caratteristiche di riferimento per confrontare le immagini e misurare lo spostamento della sonda. Lo spostamento stimato della sonda è 28 ± 9 (media ± errore standard, n = 5) micron.
Figura 12. Esempio di registrazioni fisiologiche. Questi singoli picchi neuroni sono stati ottenuti da una sonda flessibile microelettrodi impiantati con un rinforzo rimovibile come descritto in questo protocollo.
Figura 13. LFP registrazioni da un dual-sided sonda. Inserimento con un permesso rinforzo test amovibile di una matrice flessibile che ha avuto gli elettrodi su entrambe le superfici posteriori davanti e. Queste registrazioni LFP dimostrato cprestazioni dell'elettrodo omparable su entrambi i lati dopo l'impianto.
| PEG disciolto dopo: | |||||
| Lunghezza della sonda (mm) | Larghezza di irrigidimento (micron) | Peso molecolare PEG (g / mol) | 10 min | 15 min | 30 min |
| 6 | 306 | 6.000 | sì | sì | |
| 10.000 | sì | ||||
| 20.000 | no | sì | |||
Tabella 1. PEG tempo di dissoluzione nello 0,6% gel di agarosio. Osservazioni sulla dissoluzione di PEG di differenti pesi molecolariutilizzato per collegare una sonda flessibile per un rinforzo silicio, dopo diverse quantità di tempo.
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Discussion
Il metodo qui descritto fornisce un processo ben controllato per collegare le sonde polimero a film sottile di rinforzi separati con un adesivo biodissolvable. Inoltre ha presentato è la procedura chirurgica raccomandata per attuare queste stecche estraibili e una tecnica per convalidare la procedura in vitro per una data configurazione della sonda-rinforzo. Poiché il rinforzo può essere fatta arbitrariamente rigida, il metodo può facilitare l'inserimento di sonde relativamente lunghe (> 3 mm). Come tale, il metodo di inserimento dovrebbe essere una tecnologia abilitante per applicazioni a stimolazione cerebrale profonda (DBS), stimolazione del midollo spinale, e interfacce nervi periferici.
Il romanzo rinforzo con un canale traspirante e il processo di assemblaggio flip-chip basati sono adatte per vari materiali e configurazioni della sonda. Geometricamente, il rinforzo non deve corrispondere l'impronta sonda e potrebbe, per esempio, essere più stretta della sonda. Lo spessore dello sti ffener può anche variare. Mentre abbiamo descritto un rinforzo costituito da silicone, con altri materiali, può essere possibile ottenere più desiderabili proprietà meccaniche per determinate applicazioni. Il processo di assemblaggio è adatto per altri tipi di colla liquida. PEG è particolarmente facile da lavorare a causa della sua capacità di essere solidificata e rifuso più volte. Nel caso di altri adesivi liquidi che non hanno questa proprietà, la sequenza di montaggio potrebbe essere necessario modificare. E 'possibile utilizzare un peso molecolare diverso per il PEG. Un peso molecolare superiore richiede per sciogliere, che può essere desiderabile durante l'intervento chirurgico. L'area di contatto tra la sonda e rinforzo influenzerà anche il tempo necessario per sciogliere l'adesivo dopo l'inserimento della sonda. Si raccomanda che la configurazione sonda-rinforzo con il peso molecolare scelto essere testato in vitro come descritto nella Sezione 3 per caratterizzare il tempo necessario per sciogliere l'adesivo.
_content "> Abbiamo trovato che un controllo preciso della velocità di estrazione è fondamentale per l'estrazione del rinforzo con il minimo spostamento sonda. Specificamente, un movimento rapido iniziale aiuta a superare l'attrito statico e separare il rinforzo dalla sonda. Dopo questo, il resto della estrazione può essere completato a una velocità più lenta con trascurabile spostamento della sonda aggiuntiva, come rilevato nel test gel di agarosio. Molti laboratori di neuroscienze utilizzano sistemi stereotassica Kopf, e c'è un modulo mircopositioner motorizzato da KOPF (es. modello 2662) che può essere aggiunto a questi sistemi. Abbiamo scelto un attuatore motorizzato Newport perché aveva prestazioni dinamiche simili, ma era meno costoso e aveva il controllo della velocità più flessibile. (Era necessario fabbricare una semplice staffa per fissare l'attuatore nostro sistema micropositioner.) Il sistema KOPF può applicare due estrazione velocità simili al protocollo abbiamo sviluppato. Tuttavia, la velocità massima dell'attuatore KOPF è 4 mm / sec, mentreabbiamo usato 5 mm / sec per lo spostamento iniziale utilizzando l'attuatore Newport.Durante l'in vitro e in vivo di prova, l'inserimento del gruppo sonda-rinforzo è stata eseguita sia con un micromanipolatore azionato manualmente, o un micromanipolatore motorizzato, con velocità di cifra 0,13-0,5 mm / sec. È stata osservata nessuna rottura o delaminazione della sonda. Velocità di inserimento più elevate non sono state valutate per determinare il rischio di danni al gruppo sonda-rinforzo.
Modifiche alla procedura di inserimento / estrazione sono in corso per rendere il processo più robusto. In particolare, una fase molto delicata si muove l'estremità del connettore della sonda off del micromanipolatore su una superficie vicina. Vi è il rischio in questa fase di disturbare la sonda prima che venga fissata. E 'anche possibile che la curva del cavo può causare stress sulla porzione inserita della sonda, che porta allo spostamento accidentale della sondadopo l'estrazione rinforzo. Attualmente, questi rischi sono mitigati utilizzando una sonda con un cavo che è di almeno 2,5 cm. Tuttavia, si desidera che il processo di inserimento / estrazione di essere meno dipendenti dal disegno della sonda. Modifiche al fine strumento micromanipolatore o l'aggiunta di scena apparecchi che possono sostenere temporaneamente il connettore probabilmente consentire l'estrazione più affidabile del rinforzo.
Ci sono diverse questioni aperte che potrebbero portare a futuri studi che si estendono da questo metodo. In primo luogo, mentre il gel di agarosio 0,6% disponibile più noti in vitro surrogato tessuto cerebrale e permesso analisi di imaging di spostamento della sonda, non si replica esattamente tessuto cerebrale. Studi sono necessari per esaminare la posizione e lo spostamento della sonda in vivo. In secondo luogo, è necessario un impianto a lungo termine e test istologico quantificare vantaggi della sonda flessibile con un rinforzo rimovibile. Tali studi potrebbero indagare la teoriache il rispetto sonda riduce micromovimenti ed estende prestazioni dell'elettrodo. Infine, sarebbe utile per caratterizzare più accuratamente velocità di degradazione del PEG. Questo potrebbe contribuire a una migliore messa a punto dei tempi di dissoluzione per particolari esigenze chirurgiche. Tali misurazioni possono anche quantificare quanto tempo il PEG disciolto rimane tra la sonda e rinforzo, che è importante in quanto la natura idrofila del PEG facilita l'estrazione del rinforzo.
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Disclosures
Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da NIH NIDCD Y1-DC-8002-01. Questo lavoro è stato svolto sotto l'egida del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti da Lawrence Livermore National Laboratory nell'ambito del contratto DE-AC52-07NA27344.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polyethylene glycol, 10,000 g/mol | Sigma Aldrich | 309028 | |
| Agarose | Sigma Aldrich | A9539 | |
| Flexible Sub-micron Die Bonder | Finetech | Fineplacer lambda | |
| Micromanipulator | KOPF | 1760-61 | |
| Digital Microscope | Hirox | KH-7700 | |
| Dual Illumination Revolver Zoom Lens | Hirox | MXG-2500REZ | |
| Precision Motorized Actuator | Newport | LTA-HS | w/ CONEX-CC controller |
References
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