Summary
La inserción de sondas flexibles de microelectrodos neurales está activada uniendo sondas para refuerzos rígidos con polietilenglicol (PEG). Un proceso de montaje único asegura uniforme y repetible de fijación. Después de la inserción en el tejido, el PEG se disuelve y el rigidizador se extrae. Un método de ensayo in vitro evalúa la técnica en gel de agarosa.
Abstract
Se espera que las matrices de microelectrodos para dispositivos de interfaz neural que están hechos de polímero de película delgada han extendido biocompatible para toda la vida funcional porque el material flexible puede minimizar la respuesta adversa del tejido causada por el micromovimiento. Sin embargo, su flexibilidad evita que sean insertados correctamente en el tejido neural. Este artículo muestra un método para unir temporalmente una sonda microelectrodo flexible a un refuerzo rígido usando polietilenglicol biodissolvable (PEG) para facilitar la inserción precisa, quirúrgica de la sonda. Un diseño único de refuerzo permite una distribución uniforme del adhesivo de PEG a lo largo de la longitud de la sonda. Unión flip-chip, una herramienta común utilizada en la microelectrónica de envasado, permite la alineación y el acoplamiento de la sonda precisa y repetible al rigidizador. La sonda y el rigidizador se implantan quirúrgicamente juntos, entonces el PEG se deja que se disuelva de manera que el refuerzo se puede extraer dejando la sondaen su lugar. Finalmente, un método de ensayo in vitro se utiliza para evaluar la extracción de refuerzo en un modelo en gel de agarosa de tejido cerebral. Este enfoque de la implantación ha demostrado ser particularmente ventajoso para las sondas más largas flexibles (> 3 mm). También proporciona un método factible para implantar sondas flexibles de doble cara. Hasta la fecha, la técnica se ha utilizado para obtener diversos datos de la grabación en vivo de la corteza de rata.
Introduction
Arrays de microelectrodos son una herramienta esencial en la neurociencia, así como nuevas aplicaciones clínicas como prótesis. En particular, las sondas de penetración de micro-electrodos permiten la estimulación y registro de la actividad neuronal a través de un estrecho contacto con las células en el cerebro, la médula espinal y los nervios periféricos. Un reto importante para las sondas nerviosas implantados es la estabilidad y la longevidad de las funciones de estimulación y registro. Modelado y experimentales estudios de la interacción entre sondas de microelectrodos y tejido neural han sugerido que un mecanismo para la degradación es de micro-desgarro de tejido neural debido a la ligera movimiento relativo entre la sonda y el tejido 1-3. Una solución consiste en fabricar sondas flexibles que responden más a las propiedades de rigidez mayor parte del tejido neuronal con el fin de minimizar los micromovimientos relativa. Como tales, los polímeros de película delgada biocompatibles tales como poliamida y parileno se han adoptado como sustratos favorables para MICROELECtrodo sondas 4-8.
Una desventaja de las sondas flexibles es que son difíciles de insertar en el tejido neural. Los investigadores han adoptado diversos enfoques para facilitar la inserción de sondas flexibles mientras que preserva las propiedades mecánicas deseables. Una clase de diseños modifica la geometría de la sonda de polímero para aumentar la rigidez en ciertas secciones o ejes, manteniendo el cumplimiento de otras partes. Esto se ha logrado mediante la incorporación de costillas o capas de otros materiales de 9,10. Otro enfoque integra un canal de 3-D en el diseño de la sonda de polímero que se llena con material biodegradable 11. Esta sonda puede ser reforzada temporalmente, y después de la inserción del material en el que se disuelve el canal y se drena por la. Sin embargo, los métodos tales como estos que modifican de forma permanente la geometría del dispositivo implantado final, pueden comprometer algunas de las características deseables de la sonda flexible.
Un método que tiene not alterar la geometría final sonda es encapsular el dispositivo de polímero con material biodegradable para endurecer temporalmente el dispositivo de 12 a 14. Sin embargo, los materiales típicos biodegradables tienen órdenes de módulos de Young de magnitud menor que la del silicio y se lo que exigen una mayor espesor para conseguir la misma rigidez. Adecuadamente el recubrimiento de la sonda puede resultar en una punta más redondeada o roma, lo que hace más difícil la inserción. Además, dado que los recubrimientos solubles están expuestos, hay un riesgo de que la disolución inmediatamente después del contacto, o incluso muy cerca, con el tejido.
Otra clase de métodos utiliza materiales de sustrato nueva sonda que reducen la rigidez después de ser implantado en el tejido. Tales materiales incluyen polímeros con memoria de forma 15 y un nanocompuesto mecánicamente adaptativo 16. Estos materiales son capaces de disminuir en el módulo elástico significativamente después de la inserción, y pueden dar lugar a que sondas más estrechamente MatCh las propiedades mecánicas del tejido neural. Sin embargo, el intervalo alcanzable de la rigidez es todavía limitada, por lo que puede no ser capaz de proporcionar muy alta rigidez equivalente a la de silicio o de tungsteno cables. Así, en el caso de sondas flexibles que son muy largo (por ejemplo> 3 mm) o que tienen muy baja rigidez, puede aún necesario un método para unir temporalmente un refuerzo más rígido.
Otro método más prometedor reportado es recubrir un servicio de transporte de refuerzo con un auto-montaje permanente monocapa (SAM) para personalizar la interacción superficial entre el transbordador y la sonda flexible 17. Una vez seco, la sonda se adhiere a la lanzadera revestimiento electrostática. Después de la inserción, el agua migra sobre la superficie hidrófila, que separa la sonda de la lanzadera de modo que la lanzadera se puede extraer. Extracción de traslado con reducida desplazamiento de la sonda se demostró (85 micras). Sin embargo, con sólo interacciones electrostáticas que sostiene la sonda de tél lanzadera, hay un cierto riesgo de deslizamiento de la sonda con respecto a la lanzadera antes y durante la inserción.
Hemos desarrollado un método en el que la sonda flexible está unido a un refuerzo con un material adhesivo biodissolvable temporal que sujeta firmemente la sonda durante la inserción. Las sondas utilizadas eran de poliimida, que tiene un módulo elástico del orden de 2-4 GPa. El refuerzo se fabrica a partir de silicio, con un módulo elástico de ~ 200 GPa. Cuando se conecta, la rigidez de la silicio domina, facilitar la inserción. Una vez insertado en el tejido, el material adhesivo se disuelve y el rigidizador se extrae para restaurar la sonda a su flexibilidad inicial. Hemos seleccionado polietilenglicol (PEG) como el material adhesivo biodissolvable. PEG se ha usado en aplicaciones implantados, como sondas neuronales, la ingeniería de tejidos, y 11,18,19 de administración de fármacos. Alguna evidencia sugiere que el PEG puede atenuar la respuesta neuroinflamatoria en el cerebrotejidos 18,20. En comparación con otros materiales posibles, incluyendo sacarosa, láctico-co-glicólico de ácido poli (PLGA), y el alcohol de polivinilo (PVA), el PEG tiene un tiempo de disolución en los fluidos biológicos que es de una escala adecuada para muchas cirugías de implantes (en el orden de los decenas de minutos, dependiendo del peso molecular). Además, es sólido a temperatura ambiente y líquida a temperaturas que van desde 50 hasta 65 ° C. Esta propiedad hace que sea especialmente adecuado para nuestro proceso de montaje de precisión. Por otra parte, similar a la SAM descrita en 17, el PEG disuelto es hidrófila, lo que facilita la extracción del rigidizador. Este enfoque ventajoso está habilitado de un nuevo diseño de refuerzo y metódico proceso de montaje que aseguran la cobertura adhesiva uniforme y una alineación precisa y repetible. Además del proceso de montaje, se presenta el método de aplicación del rigidizador extraíble durante la cirugía, así como un procedimiento in vitro para evaluar la extracción de la ITSffener.
El protocolo presentado en el presente documento se supone que el usuario posee una sonda de microelectrodo de polímero flexible. La parte del protocolo en relación la fabricación del rigidizador y el montaje de esta sonda a un rigidizador asume acceso a las herramientas comunes que se encuentran en un centro de microfabricación. El protocolo relativo a la inserción y extracción probablemente se llevaría a cabo en un laboratorio de neurociencia de lucro.
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Protocol
1. Asamblea de la sonda de Refuerzo
Esta sección del protocolo describe la fabricación de un refuerzo de silicio, y el montaje de una sonda de polímero de película delgada al rigidizador. Figura 1 ilustra una sonda típica neuronal polímero junto con el refuerzo propuesto. Los detalles del diseño de refuerzo se muestran en la Figura 2. La nueva característica de este diseño es la poco profunda "mecha" canal corre a lo largo de su longitud que se utiliza para distribuir adhesivo líquido durante el montaje. La parte más ancha del refuerzo es una ficha para la manipulación durante el montaje y la inserción quirúrgica. El depósito de la ficha se conecta al canal. El componente está fabricado de silicio usando procesos estándar de microfabricación.
- El refuerzo de silicio con un canal de efecto de mecha se fabrica a partir de un (SOI) oblea de silicio sobre aislante con un espesor de capa de dispositivo igual al espesor deseado del rigidizador (
- Coloque un pellet de polietilenglicol (PEG) de peso molecular 10.000 g / mol en el depósito (Figura 4). Calentar el rigidizador a 65 ° C, de modo que el PEG se funde y se absorbe en el canal por acción capilar. A continuación, enfriar a temperatura ambiente para solidificar. La Figura 5 muestra un esquema del chip Bonder flip configurado. Coloque el refuerzo de cabeza en el escenario base del dispositivo de unión flip chips, a continuación, recoger el refuerzo con la cabeza de la herramienta. Coloque la sonda en posición invertida sobre el escenario base. Utilizando el dispositivo de unión flip chip alinear el refuerzo y la sonda y luego baje el refuerzo y colocarlo en la sonda.
- La etapa de base del dispositivo de unión flip chip de debe tener un elemento de calentamiento para aplicar calor al sustrato. Después de colocar el refuerzo, calentar el conjunto una vez más a 65 ° C. Deje un minuto para que el PEG de refusión y comenzar a llenar en la interfaz entre la sonda y refuerzo. Enfriar a solidificar.
- Gire el conjunto sobre e inspeccionar desde la parte superior. Vuelva a calentar según sea necesario para permitir que el PEG para llenar completamente la interfaz entre la sonda y el rigidizador. Esto puede ser evaluado visualmente puesto que la sonda es transparente. Cuando el conjunto está sentado en el calentador superior-(sonda) hacia arriba, coloque manualmente 1-3 epellets de xtra de PEG sólido a la lengüeta de manera que se funden sobre la sonda, que proporciona un refuerzo adicional en esta región (Figura 6). Finalmente, deje que el montaje se enfríe para que el PEG se solidifica. En este punto, el conjunto está listo para la inserción quirúrgica.
2. La inserción y extracción
- Montar el conjunto de sonda de refuerzo a un micromanipulador, como se ilustra en la Figura 7A mediante la adhesión la parte posterior del rigidizador al brazo micromanipulador en la región de pestaña. Esto se puede hacer con la cinta de doble cara o cemento, pero tenga cuidado de no ponerse en contacto con la sonda con adhesivo. Fije temporalmente el extremo del conector de la sonda a la micromanipulador con un pequeño pedazo de masilla adhesiva de tal manera que se puede quitar fácilmente con baja fuerza.
- Coloque el conjunto de la sonda sobre el blanco e inserte la sonda con la velocidad de inserción deseado. Se utiliza una velocidad de inserción de ,13-,5 mm / seg en el desarrollo de este protocolo. </ Li>
- Retire inmediatamente el extremo del conector de la sonda del micromanipulador suavemente y dejarla en una superficie cercana, como un segundo brazo manipulador (Figura 7B). Esto se debe hacer antes de que el PEG comienza a disolverse para evitar el desplazamiento de la sonda.
- Dé tiempo para PEG se disuelva. Esta cantidad de tiempo dependerá de PEG de peso molecular y el área de contacto entre la sonda y de refuerzo. Por ejemplo, con el PEG de peso molecular de 10.000 g / mol, una sonda de microelectrodo de aproximadamente 6 mm y un rigidizador que es coincidente 306 micras de ancho, 15 min se ha encontrado que una cantidad adecuada de tiempo. Sección 3 del protocolo presenta un método para probar el tiempo de disolución requerida. Durante este tiempo, aplicar salina tamponada con fosfato (PBS) usando un cuentagotas alrededor del punto de pestaña y la inserción para disolver cualquier PEG que está por encima del objetivo (Figura 7C).
- El uso de un microposicionador motorizado, comenzar la extracción del rigidizador mediante la aplicación de un desplazamiento de100 micras, con una velocidad de 5 mm / seg. Este movimiento rápido inicial ayuda a superar cualquier fricción estática y minimizar el desplazamiento de la sonda. Luego, completar la extracción de refuerzo a una velocidad más lenta de aproximadamente 0,1 mm / segundo (Figura 7D).
- En el caso de una cirugía real, continúe con los procedimientos normales para aplicar el gel, de silicona, y / o acrílico dental en el sitio de inserción para asegurar y proteger la sonda, como se demuestra en 21.
3. Prueba en gel de agarosa
Esta sección del protocolo describe un sistema para arriba y el procedimiento para examinar la extracción del rigidizador en un gel de agarosa al 0,6% que se aproxima a las propiedades mecánicas a granel, el pH, la salinidad y de tejido cerebral 17,22. Dado que el gel es casi transparente a través de distancias cortas, la separación de refuerzo y el desplazamiento de la sonda se puede observar.
- Preparar una solución de 0,6% de agarosa en tampón fosfato salino (PBS). Mezclar en un elementovada temperatura para disolver completamente el polvo de agarosa. Vierta la solución en una caja de acrílico superficial; gel debe ser 3/4- 1 en profundidad. Permitir al gel establecer a temperatura ambiente durante una hora.
- Asegúrese de que el gel endurecido está saturado con PBS para que no se seque, y calentar el gel a 37 ° C.
- Configurar el micromanipulador, caja de gel de agarosa, y el sistema de cámara microscópica como se muestra en la Figura 8.
- Insertar la referencia fiducial de vidrio en el cuadro de gel de deslizándolo entre el gel y el lado de la caja (Figura 8). Utilice un palillo de dientes para cuadrar las características en el fiducial referencia al campo de visión del microscopio digital.
- Monte el conjunto de la sonda para el micromanipulador como se describe en el paso 2.1.
- Coloque el conjunto de la sonda sobre el gel de 1 mm por detrás del fiducial referencia.
- Insertar la sonda en el gel, usando la cámara para guiar a una profundidad deseada en el campo de visión. </ Li>
- Mueva inmediatamente el extremo del conector de la sonda para descansar en una superficie cercana.
- Realice los ajustes necesarios a la imagen de la cámara para centrarse en la sonda (las características fiduciales de referencia pueden ser un poco fuera de foco). Tomar una instantánea de la ubicación de la sonda.
- Permitir PEG para disolver (este tiempo puede variar, y de hecho puede ser un parámetro para ser probado). Aplicar PBS cerca de la pestaña para disolver PEG que está por encima del gel.
- Inicie la captura de vídeo, si lo desea, y comenzar la extracción del refuerzo como se describe en el paso 2.5. Cuando la extracción se completa, tomar una instantánea definitiva de la ubicación de la sonda.
- Utilice las herramientas de procesamiento de imágenes para comparar las imágenes antes y después de la extracción de refuerzo. Utilice las funciones del fiduciario de referencia que son visibles en el campo de visión para registrar (alinear) las imágenes. Calibrar la escala de la imagen basándose en el tamaño de las características conocidas de la sonda. Medir la distancia de desplazamiento de la sonda.
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Representative Results
Esta técnica de inserción se utiliza en conjunción con LLNL sondas de poliamida de película fina, que han pasado la norma ISO 10993 normas de biocompatibilidad y están destinados a la implantación crónica. Una sonda típica de poliimida de película delgada se ilustra en la Figura 1 junto con un refuerzo de silicio que es de aproximadamente 10 mm de largo en la región estrecha. Este refuerzo tiene un canal de efecto de mecha a lo largo de su longitud, como se muestra en la Figura 2. Figura 3 ilustra el proceso de mimcrofabrication utilizado para crear este refuerzo de silicio. La figura 4 muestra un pellet de PEG sólido que se coloca en el depósito de la pestaña, como se ve a través de la cámara en el sistema bonder flip chip. Una vez que se calentó mediante el calentador incorporado en la etapa de base del dispositivo de unión flip chip, el PEG se fundió y empezó a mecha en el canal. La vista de la cámara nos permite monitorear el proceso de mecha hasta que el PEG llenó por completo el canal, which tomó aproximadamente una hora con PEG de peso molecular 10.000 g / mol. A continuación, el PEG se resolidificó y la sonda y de refuerzo se han creado en el chip Bonder flip como se muestra en la Figura 5. Figura 9A muestra una vista superior de una sonda y de refuerzo después de ser alineado y fijado, con PEG el llenado completo de la interfaz. Figura 9B muestra un ejemplo de una burbuja de aire, donde PEG no está presente debido a una partícula. El paso final en el montaje es añadir PEG a la región de pestaña sobre la parte del cable de la sonda, para el refuerzo adicional durante la manipulación. Desde esta área no se inserta en el objetivo, que es aceptable tener un mayor volumen de PEG aquí, como se muestra en la Figura 6. Este método de montaje se ha utilizado para unir varias formas de sondas para refuerzos, incluyendo dispositivos de vástagos múltiples, como en el mostrado en la Figura 10.
La prueba in vitro de agarosa gel en ha sido utilizado para Qualitatively evaluar diferentes parámetros como el PEG de peso molecular, el tiempo permitido para PEG se disuelva, y la geometría de refuerzo. Con cada combinación de PEG y la geometría de refuerzo, una cantidad fija de tiempo se dejó enfriar la disolución. Entonces, la extracción se intentó mientras se observa desplazamiento de la sonda en tiempo real. Si la sonda fue arrastrado de manera significativa (> 200 micras) sin visiblemente separar o de deslizamiento relativo al rigidizador, llegamos a la conclusión de que el PEG no se disolvió completamente. Tabla 1 da algunas observaciones representativas de PEG con diferentes tiempos de disolución y peso molecular variable con un rigidizador que es 6 mm de largo y 306 micras de ancho. Otra observación en las pruebas posteriores fue que cuando el refuerzo es más estrecho (por ejemplo, 220 micras), el PEG se disolvió en menos tiempo (tan poco como 5 minutos). Esto es probablemente debido a que el área de contacto adhesivo se disminuyó y, como resultado, se produjo un menor volumen de PEG para disolver. Los parámetros que no parecen afectar PEGdisolución o desplazamiento de la sonda eran espesor de refuerzo (grosor que va de 20 micras a 100 micras fueron probados) y el número de canales de mecha (1 frente a 3).
El ensayo in vitro también se ha utilizado para cuantificar promedio desplazamiento de la sonda para una configuración dada de la sonda adhesivo / refuerzo /. En este ejemplo, se realizó la prueba usando la secuencia de inserción / extracción se ilustra en la Figura 7 en el que el conjunto de sonda-rigidizador se inserta en el gel de agarosa, el extremo del conector se mueve a una superficie cercana, el PEG se deja que se disuelva, y el refuerzo es finalmente extraído dejando la sonda en su lugar. El montaje experimental en la Figura 8 muestra el conjunto de sonda-rigidizador unido al brazo micromanipulador y se coloca sobre el gel. El fiduciario referencia era un pequeño chip de vidrio con una serie de puntos del oro colocados contra la caja de acrílico en el campo de visión del microscopio digital.
La Figura 11 muestra instantáneas antes y después de la extracción de un refuerzo a partir de un conjunto de sonda que se probó en gel de agarosa. Las características de oro de luz en las imágenes son de la fiducial de referencia y se utilizaron como características de referencia para alinear las imágenes entre sí. El paso conocido entre los electrodos (200 m) se utiliza para calibrar el tamaño de píxel, ya que esta dimensión es menos sensible a las variaciones en el proceso de fabricación. El desplazamiento de la sonda neta debido a la extracción de refuerzo se estimó en 28 ± 9 m (media ± error estándar, n = 5).
Hasta la fecha, el método propuesto se ha extendido a un verdadero campo cirugía IMAL en varias ocasiones para implantar una sonda en una corteza de rata. Después del montaje, la sonda y el rigidizador 50-m de espesor se esterilizaron juntos en EtOH a temperatura ambiente. La inserción y la extracción se realizaron con un micromanipulador unido a un marco estereotáxico. El conjunto de sonda-rigidizador se insertó en 0,13 mm / seg aproximadamente 4 mm en la corteza de una rata. Después de 15 min, el rigidizador se extrae, dejando la sonda en su lugar. Después de la recuperación de la cirugía, grabaciones neuronales, como se muestra en la Figura 12, se obtuvieron con éxito desde el animal despierto demostrar la viabilidad de este método en cirugías reales 23. Esta técnica de implantación también se ha utilizado para obtener in vivo grabaciones con matrices de doble cara que tienen electrodos tanto en el anverso y el reverso, como se muestra en la Figura 13.
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Figura 1. Esquemática de una sonda neuronal típica y el rigidizador propuesto. Una sonda típica de polímero de película delgada tiene uno o más electrodos en el extremo de la sonda. Trazas de metales van desde los electrodos a lo largo de la longitud de la porción de cable y terminan en una almohadilla que se une a un conector eléctrico. La longitud del rigidizador (en este caso aproximadamente 10 mm) depende de la profundidad de inserción de la sonda, y una pestaña más ancha en el refuerzo permite un manejo. (Imagen cortesía de Diana George)
Figura 2. Rigidizador detalles de diseño. Un canal de efecto de mecha explota la acción capilar para distribuir un adhesivo líquido que se ha depositado en el depósito. El depósito se encuentra en una región de pestaña más ancha que facilita el manejo. (Imagen cortesía de Diana George)
Figura 3. Secuencia de fabricación para refuerzo de silicio. El refuerzo de silicio se fabrica sobre un aislante de silicio-en-(SOI) de la oblea (A). En primer lugar los canales de capilaridad son grabadas seco-utilizando el proceso de Bosch estándar (B). Siguiente, la geometría de refuerzo está definido por una etch ya que se detiene en la capa de óxido enterrada (C). Finalmente, los rigidizadores son liberados por la capa de óxido enterrada en húmedo grabado en ácido fluorhídrico 49% (D).
Figura 4. Polietilenglicol en el depósito de refuerzo. Un copo de glicol de polietileno colocada en el depósito del refuerzo. Una vez caliente, para que se derrita, llenar el depósito, y el flujoen el canal de capilaridad.
Figura 5. Esquema de unión flip-chip. El refuerzo se lleva a cabo con el canal por un vacío en la cabeza de la herramienta del dispositivo de unión flip-chip. La sonda neural se encuentra en el escenario de base boca abajo.
Figura 6. El polietilenglicol en la ficha de refuerzo. Polietilenglicol extra se aplica generosamente en la ficha del refuerzo como refuerzo. La porción de cable de una sonda de poliimida es visible en la parte superior del rigidizador.
Figura 7. Esquema de eninserción y la secuencia de la extracción. A) El conjunto de sonda-rigidizador se inserta en el tejido utilizando el micromanipulador. B) El extremo del conector se mueve a una superficie cercana. C) es de PBS para disolver el PEG se aplica en la pestaña del rigidizador. D) El refuerzo se extrae, dejando la sonda en el objetivo.
Figura 8. Ensayo in vitro establecido. La configuración para la inserción de la sonda de prueba y la extracción de refuerzo en 0,6% de gel de agarosa en tampón fosfato salino. El conjunto de sonda-rigidizador está unido al brazo micromanipulador y se coloca sobre el blanco de gel cerca de la fiducial de referencia. Un microscopio digital se utiliza para observar la sonda y refuerzo en el gel de agarosa.
La Figura 9. Sonda conforme con refuerzo. A) Vista superior de una sonda conectada a un refuerzo con una buena alineación y la cobertura adhesiva completa. B) Un ejemplo de una brecha en la cobertura adhesiva debido a una partícula.
Figura 10. Ejemplo de una sonda de vástagos múltiples. Se utilizó el proceso de montaje propuesto para unir esta sonda de cuatro vástago a un refuerzo de silicona a juego.
Figura 11. Ejemplo de resultados de la extracción de refuerzo. Instantáneas de antes (arriba) y después (abajo) de extracción de refuerzo con una sonda de poliamida de capa fina en gel de agarosa. Los puntos de luz de oro están enel fiduciario de referencia y se utilizan como características de referencia para comparar las imágenes y medir el desplazamiento de la sonda. El desplazamiento estimado de la sonda es 28 ± 9 m (media ± error estándar, n = 5).
Figura 12. Ejemplo de grabaciones fisiológicas. Estos picos de neuronas individuales se obtuvieron de una sonda flexible de microelectrodo implantado con un rigidizador extraíble tal como se describe en este protocolo.
Figura 13. Grabaciones del LFP de una sonda de doble cara. Inserción con un rigidizador habilitado pruebas extraíble de una matriz flexible que tenía electrodos sobre ambas superficies frontal y posterior. Estas grabaciones LFP demostraron cdesempeño del electrodo omparable en ambos lados después de la implantación.
| PEG disuelto después de: | |||||
| Longitud de la varilla (mm) | Ancho de Refuerzo (micras) | De PEG de peso molecular (g / mol) | 10 min | 15 min | 30 min |
| 6 | 306 | 6000 | sí | sí | |
| 10000 | sí | ||||
| 20000 | no | sí | |||
Tabla 1. PEG tiempo de disolución en 0,6% de gel de agarosa. Observaciones sobre la disolución de PEG de diferentes pesos molecularesusado para unir una sonda flexible a un rigidizador de silicio, después de cantidades variables de tiempo.
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Discussion
El método descrito aquí proporciona un proceso bien controlado para conectar sondas de polímero de película delgada para refuerzos separados con un adhesivo biodissolvable. También se presenta el procedimiento quirúrgico recomendado para implementar estos rigidizadores extraíbles y una técnica para validar el procedimiento in vitro para una configuración de la sonda-rigidizador dado. Desde el rigidizador puede hacerse arbitrariamente rígida, el método puede facilitar la inserción de sondas relativamente largos (> 3 mm). Como tal, se espera que el método de inserción de ser una tecnología que permite a las aplicaciones de la estimulación cerebral profunda (DBS), la estimulación de la médula espinal, los nervios periféricos y las interfaces.
La novela de refuerzo con un canal de efecto de mecha y el proceso de ensamblaje basado en flip-chip son adecuados para diferentes materiales y configuraciones de sonda. Geométricamente, el refuerzo no tiene que coincidir con la huella de la sonda y podría, por ejemplo, ser más estrecha que la sonda. El espesor de la ITS ffener también puede variar. Mientras que hemos descrito un refuerzo hecho a partir de silicio, con otro material, puede ser posible para lograr las propiedades mecánicas más deseables para ciertas aplicaciones. El proceso de montaje también es adecuado para otros tipos de adhesivo líquido. PEG es particularmente fácil de trabajar con debido a su capacidad de ser solidificado y refundido varias veces. En el caso de otros adhesivos líquidos que no tienen esta propiedad, puede ser necesario modificar la secuencia de montaje. Es posible utilizar un peso molecular diferente para el PEG. A mayor peso molecular se necesitará más tiempo para disolverse, lo que puede ser deseable durante la cirugía. El área de contacto entre la sonda y de refuerzo también afectará el tiempo necesario para disolver el adhesivo después de la inserción de la sonda. Se recomienda que la configuración de la sonda-refuerzo con el peso molecular elegido a prueba in vitro como se describe en la Sección 3 para caracterizar el tiempo requerido para disolver el adhesivo.
_content "> Hemos encontrado que controlando con precisión la velocidad de extracción es crítico para la extracción de la rigidizador con desplazamiento de la sonda mínima. Específicamente, un movimiento rápido inicial ayuda a superar la fricción estática y separar el refuerzo de la sonda. Después de esto, el resto de la extracción puede se completó a una velocidad más lenta con insignificante desplazamiento de la sonda adicional, tal como se observa en la prueba de gel de agarosa. Muchos laboratorios de neurociencia utilizan sistemas Kopf Ubicado estereotáxica, y hay un módulo mircopositioner motorizada desde KOPF (por ejemplo, modelo 2662) que se puede agregar a estos sistemas. Elegimos un actuador motorizado Newport porque tenía rendimiento dinámico similar, pero era menos caro y tenía control de velocidad más flexible. (Era necesario fabricar un soporte sencillo para fijar el actuador a nuestro sistema microposicionador.) El sistema KOPF puede aplicar dos extracciones velocidades similares para el protocolo que hemos desarrollado. Sin embargo, la velocidad máxima del actuador KOPF es 4 mm / s, mientrashemos utilizado 5 mm / seg para el desplazamiento inicial utilizando el actuador Newport.Durante el in vitro y ensayo in vivo, se realizó la inserción del conjunto de sonda-rigidizador o bien con un micromanipulador impulsado manualmente, o un micromanipulador motorizado, con velocidades que van desde 0,13 hasta 0,5 mm / seg. No se produjeron daños o delaminación de la sonda. Velocidades de inserción altas no han sido evaluadas para determinar el riesgo de daños en el conjunto de sonda-rigidizador.
Las modificaciones en el procedimiento de inserción / extracción están en curso para que el proceso sea más robusto. En particular, un paso muy sensible se está moviendo el extremo del conector de la sonda fuera del micromanipulador sobre una superficie cercana. Hay un riesgo en este paso de perturbar la sonda antes de que quede fijado. También es posible que la curva en el cable puede causar la tensión en la porción insertada de la sonda, lo que lleva a un desplazamiento no deseado de la sondadespués de la extracción de refuerzo. Actualmente, estos riesgos se atenúan mediante el uso de una sonda con un cable que es al menos 2,5 cm de largo. Sin embargo, se desea que el proceso de inserción / extracción de ser menos dependiente de la diseño de la sonda. Las modificaciones en el extremo de la herramienta micromanipulador o la adición de puesta en escena accesorios que pueden apoyar temporalmente el conector probablemente permitir la extracción más fiable del rigidizador.
Hay varias preguntas abiertas que podrían conducir a futuros estudios que se extienden desde este método. En primer lugar, mientras que el gel de agarosa al 0,6% siempre que el análisis de imágenes más conocido in vitro sustituto tejido cerebral y se dejó de desplazamiento de la sonda, que no se replica exactamente el tejido cerebral. Se necesitan estudios para examinar la ubicación y el desplazamiento de la sonda in vivo. En segundo lugar, es necesaria la implantación a largo plazo y las pruebas histológicas de cuantificar los beneficios de la sonda flexible con un refuerzo extraíble. Tales estudios podrían investigar la teoríaque el cumplimiento de la sonda reduce el micromovimiento y se extiende rendimiento del electrodo. Por último, sería beneficioso para caracterizar con más precisión la velocidad de degradación del PEG. Esto podría ayudar a una mejor puesta a punto de los tiempos de disolución para particulares necesidades quirúrgicas. Tales mediciones también podrían cuantificar el tiempo que el PEG disuelto permanece entre la sonda y de refuerzo, lo cual es importante ya que la naturaleza hidrófila de la PEG facilita la extracción del rigidizador.
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Disclosures
Los autores no tienen intereses financieros en competencia.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el NIH NIDCD Y1-CC-8002-01. Este trabajo se realizó bajo los auspicios del Departamento de Energía de los EE.UU. por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en virtud de contrato 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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