Summary
Insättning av flexibla neurala mikroelektrodsonder är aktiverad genom att fästa sönder för att styva förstyvningar med polyetylenglykol (PEG). En unik monteringsprocess säkerställer jämn och repeterbar fastsättning. Efter införing in i vävnad, upplöser PEG och förstyvningen extraheras. En in vitro-testmetod utvärderar tekniken i agarosgel.
Abstract
Mikroelektrod arrayer för neurala gränssnitt enheter som är gjorda av biokompatibla tunnfilmspolymer förväntas ha förlängd funktionell livslängd eftersom det flexibla materialet kan minimera negativ vävnadssvar som orsakas av mikrorörelser. Men deras flexibilitet hindrar dem från att noggrant in i nervvävnad. Denna artikel visar en metod för att temporärt fästa en flexibel mikroelektrod-sond till en styv förstyvningen med hjälp biodissolvable polyetylenglykol (PEG) för att underlätta exakt kirurgisk införing av sonden. En unik förstyvning design tillåter enhetlig fördelning av PEG adhesiv längs längden av sonden. Flip-chip bonding, ett gemensamt verktyg som används i mikroelektronik förpackningar, möjliggör noggrann och repeterbar uppriktning och fastsättning av sonden till förstyvning. Sonden och förstyvningen kirurgiskt implanteras tillsammans, då PEG är tillåten för att lösa upp så att förstyvningen kan utvinnas som lämnar sondenpå plats. Slutligen har ett in vitro-test metod som används för att utvärdera förstyvning extraktion i en agarosgel modell av hjärnvävnad. Detta sätt att inplantera har visat sig vara särskilt fördelaktigt för längre flexibla prober (> 3 mm). Det ger också en möjlig metod för att implantera dubbelsidiga flexibla sonder. Hittills har tekniken använts för att erhålla olika in vivo-inspelningsdata från råtta cortex.
Introduction
Mikroelektrod arrayer är ett viktigt verktyg inom neurovetenskap samt nya kliniska applikationer såsom protetik. Framför allt genomträngande mikroelektrodsonder möjliggör stimulering och registrering av nervcellsaktivitet genom nära kontakt med celler i hjärnan, ryggmärgen och perifera nerver. En stor utmaning för implanterade neurala sonder är stabilitet och livslängd av stimulering och inspelningsfunktioner. Modellering och experimentella studier av interaktionen mellan mikroelektrod sonder och nervvävnad har föreslagit att en mekanism för nedbrytning är mikro riva av nervvävnad på grund av svag relativ rörelse mellan proben och vävnads 1-3. En lösning är att tillverka flexibla sonder som matchar närmare bulkstyvheten av nervvävnad i syfte att minimera relativ mikrorörelse. Som sådan har biokompatibla tunnfilmspolymerer, såsom polyimid och parylen antagits som gynnsamma substrat för microelectrode sonder 4-8.
En avvägning av flexibla prober är att de är svåra att sätta in i nervvävnad. Forskare har tagit olika metoder för att underlätta införandet av flexibla prober samtidigt som de önskvärda mekaniska egenskaperna. En klass av konstruktioner modifierar polymersondgeometrin för att öka styvheten i vissa delar eller axlar med bibehållen överensstämmelse i andra delar. Detta har åstadkommits genom införlivande av ribbor eller skikt av andra material 9,10. Ett annat sätt integrerar en 3-D-kanal i polymersonden design som fylls med biologiskt nedbrytbart material 11. Denna prob kan tillfälligt förstyvade, och efter införande av materialet i kanal upplöses och rinner igenom. Emellertid kan metoder som dessa som permanent modifiera geometrin hos den slutliga implanterade anordningen äventyra några av de önskvärda egenskaperna för den flexibla sonden.
En metod som gör not förändra den slutliga sondgeometrin är att kapsla in polymerenhet med biologiskt nedbrytbart material för att tillfälligt stelna enheten 12-14. Men typiska biologiskt nedbrytbara material har Youngs modulstorleksordningar mindre än för kisel och skulle följaktligen kräva större tjocklek för att uppnå samma styvhet. Adekvat belägga proben kan resultera i en mer rundad eller trubbig spets, vilket gör insättningen svårare. Dessutom, eftersom lösliga beläggningar är utsatta, finns det en risk att de kan lösa upp omedelbart vid kontakt, eller till och med nära varandra, med vävnaden.
En annan klass av metoder använder ny sond substratmaterial som minskar i stelhet efter att implanteras i vävnad. Sådana material innefattar formminnespolymerer 15 och en mekaniskt adaptiv nanokomposit 16. Dessa material har möjlighet att minska i elasticitetsmodul avsevärt efter insättning, och kan resultera i sönder som närmare Match de mekaniska egenskaperna hos nervvävnad. Dock är det möjligt utbud av stelhet fortfarande begränsad, så de kanske inte kan ge mycket hög styvhet motsvarande kisel eller volframtrådar. Således i fallet med flexibla prober som är mycket lång (t.ex.> 3 mm) eller som har extremt låg styvhet, ett förfarande för att temporärt fästa ett styvare förstyvningen kan fortfarande behövas.
Ännu en lovande metod som rapporteras är att belägga en hårdnande shuttle med en permanent självorganiserande monolager (SAM) för att anpassa ytan samspelet mellan skytteln och den flexibla sonden 17. När det är torrt, vidhäftar sonden till belagda shuttle elektrostatiskt. Efter införing migrerar vatten på den hydrofila ytan, separera sonden från skytteln, så att skytteln kan extraheras. Shuttle extraktion med minskad sondförskjutning visades (85 mikrometer). Emellertid, med endast elektrostatiska interaktioner som håller sonden till than shuttle, det finns en viss risk för att sonden glider i förhållande till skytteln innan och under införandet.
Vi har utvecklat en metod, i vilken den flexibla sonden är ansluten till en förstyvning med ett tillfälligt biodissolvable adhesivt material som säkert håller sonden under införandet. De sönder som användes var gjorda av polyimid, som har en elasticitetsmodul i storleksordningen 2 till 4 GPa. Förstyvningen tillverkades av kisel, med en elasticitetsmodul av ca 200 GPa. När bundna, styvheten hos kisel dominerar, vilket underlättar införandet. Väl införd i vävnaden, löser det adhesiva materialet och förstyvningen extraheras för att återställa sonden till sitt ursprungliga flexibilitet. Vi valde polyetylenglykol (PEG) som den biodissolvable adhesiva materialet. PEG har använts i implanterade applikationer såsom neurala sonder, vävnadsteknik, och drug delivery 11,18,19. Vissa rön tyder på att PEG kan dämpa neuroinflammatoriska svar i hjärnanvävnad 18,20. Jämfört med andra möjliga material, inklusive sackaros, poly-mjölk-sam-glykolsyra (PLGA) och polyvinylalkohol (PVA), har PEG en upplösningstid i biologiska vätskor som är en lämplig skala för många implantat operationer (av storleksordningen tiotals minuter, beroende på molekylvikten). Dessutom är det fasta vid rumstemperatur och flytande vid temperaturer som sträcker sig från 50 till 65 ° C. Denna egenskap gör den särskilt lämplig för vår precisionsmonteringsprocessen. Dessutom liknar den SAM beskrivs i 17, är den lösta PEG hydrofil, vilket underlättar extraktion av förstyvningen. Denna fördelaktiga tillvägagångssätt möjliggörs av en ny förstyvning design och metodisk monteringen som enhetlig klister täckning och korrekta och repeterbara inriktning. Förutom monteringsprocessen, presenterar vi den metod för att genomföra den borttagbara förstyvningen under kirurgi, såväl som en in vitro-förfarande för att utvärdera extraktion av stiffener.
Protokollet presenteras här förutsätter att användaren besitter ett flexibelt polymermikroelektrod sond. Den del av protokollet som rör tillverkningen av förstyvning och montering av denna sond till en förstyvning förutsätter tillgång till gemensamma verktyg som finns i en mikrofabrikation anläggning. Protokollet till monterings-och demonterings skulle sannolikt ske i ett neurovetenskap inriktat laboratorium.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montering av sond till Förstyvning
Denna del av protokollet beskriver tillverkningen av en kisel förstyvning, och montering av ett tunnfilmspolymer sond till förstyvningen. Figur 1 visar en typisk polymer neural sond tillsammans med den föreslagna förstyvningen. Detaljerna i förstyvningens konstruktion visas i figur 2. Det nya särdrag hos denna konstruktion är det grunda "wicking"-kanal som löper längs dess längd, som används för att distribuera flytande lim under monteringen. Den bredare delen av förstyvningen är en flik för hantering under montering och kirurgisk införing. En reservoar på fliken ansluter till kanalen. Komponenten är tillverkat av kisel med användning av standardmikrotillverkningsprocesser.
- Kisel förstyvningen med en transporterande kanal var tillverkad av ett kisel-på-isolator (SOI) wafer med en anordning skikttjocklek som är lika med den önskade tjockleken hos förstyvningen (
- Placera en pellet av polyetylenglykol (PEG) med molekylvikt 10000 g / mol in i reservoaren (Figur 4). Värm förstyvningen till 65 ° C, så att PEG smälter och transporterar in i kanalen genom kapillärverkan. Kyl sedan till rumstemperatur för att stelna. Figur 5 visar en schematisk bild av flip-chip-bondningsmaskinen upplägg. Placera förstyvningen upp och ner på botten skede av flip chip bonder, sedan plocka upp förstyvning med verktygshuvudet. Placera proben upp och ned på basen skede. Med hjälp av flip chip Bonder, rikta in förstyvning och sonden och sänk sedan förstyvning och placera den på sonden.
- Basen skede av flip-chip-bondningsmaskinen bör ha ett uppvärmningselement för att tillföra värme till substratet. Efter att ha placerat förstyvningen, upphetta aggregatet återigen till 65 ° C. Låt en minut för PEG att Omsmältningsugnar och börjar fylla i gränssnittet mellan sonden och förstyvning. Cool stelna.
- Vänd tätningen och inspektera uppifrån. Värm vid behov för att tillåta PEG att fullständigt fylla gränssnittet mellan sonden och förstyvningen. Detta kan visuellt utvärderas eftersom sonden är genomskinlig. Eftersom aggregatet sitter på värmaren top-(prob-) sida upp, placera 1-3 e manuelltXtra pelletar av fast PEG har laddats in i fliken, så att de smälter över sonden, vilket ger ytterligare förstärkning i denna region (figur 6). Slutligen, låt enheten svalna så att PEG stelnar. Vid denna punkt, är den församling klar för kirurgisk insättning.
2. Monterings-och demonterings
- Montera sond förstyvningen aggregatet till en mikromanipulator, såsom illustreras i Figur 7A genom att vidhäfta baksidan av förstyvningen till mikromanipulator armen vid fliken regionen. Detta kan göras med dubbelhäftande tejp eller cement, men se till att inte komma i kontakt med sonden med lim. Tillfälligt fästa kontakten änden av sonden till mikromanipulator med en liten bit av lim kitt så att den lätt kan tas bort med låg kraft.
- Placera sondenheten över målet och för in sonden med önskad insättningshastighet. Inserhastigheter på 0,13 till 0,5 mm / sek användes vid utvecklingen av detta protokoll. </ Li>
- Ta genast ur kontakten änden av sonden från mikromanipulator försiktigt och vila den på en närliggande yta, till exempel en andra manipulatorarm (Figur 7B). Detta måste ske innan PEG börjar lösas upp för att undvika förskjutning av sonden.
- Tillåt tid för PEG att lösa upp. Denna tid kommer att bero på PEG-molekylvikten och kontaktarean mellan sonden och förstyvningen. Till exempel, med PEG-molekylvikt av 10000 g / mol, en mikroelektrodsonden ungefär 6 mm och en matchande förstyvning som är 306 ^ m bred, 15 min har befunnits vara en tillräcklig mängd tid. § 3 i protokollet presenterar en metod för att testa krävs upplösningstiden. Under denna tid, applicera fosfatbuffrad saltlösning (PBS) med användning av en pipett runt fliken och insättningspunkten för att lösa upp någon PEG som är över målet (Figur 7C).
- Med hjälp av en motordriven micropositioner börjar utvinning av förstyvningen genom att applicera en förskjutning av100 | im vid en hastighet av 5 mm / sek. Denna initiala fast motion hjälper till att övervinna eventuell statisk friktion och minimera sond förskjutning. Därefter slutför förstyvningen extraktion med en lägre hastighet om cirka 0,1 mm / sekund (Figur 7D).
- I fallet med en verklig operation, fortsätta med normala förfaranden för att tillämpa gel, silikon, och / eller dentala akryl vid insättningsstället för att säkra och skydda sonden, som visats i 21.
3. Agarosgel Test
Denna del av protokollet beskriver en uppsättning upp och förfarande för att undersöka utvinningen av förstyvning i en 0,6% agarosgel som approximerar bulk mekaniska egenskaper, pH och salthalt i hjärnvävnad 17,22. Eftersom gelen är nästan genomskinlig genom korta avstånd, kan observeras förstyvning separation och sondförskjutning.
- Bered en lösning av 0,6% agaros i fosfatbuffrad saltlösning (PBS). Blanda i en eleverad temperatur för att fullständigt lösa agarosen pulver. Häll lösningen i en ytlig akryl box, gel bör vara 3/4- 1 i djup. Låt gelén inställd vid rumstemperatur under en timme.
- Se till att den härdade gelén är mättad med PBS, så att den inte torkar ut, och upphetta gelén till 37 ° C.
- Ställ upp mikromanipulator, kartong med agarosgel, och mikroskopisk kamerasystemet som visas i figur 8.
- Sätt i en glasreferens fiducial i boxen gel genom att skjuta mellan gel och den sidan av lådan (Figur 8). Använd en tand pick att kvadrera funktionerna hos referens fiducial till synfältet för den digitala mikroskop.
- Montera sondenheten till mikromanipulator som beskrivs i steg 2,1.
- Placera sondanordningen över gelén omkring 1 mm bakom referens fiducial.
- In sonden i gelén, med hjälp av kameran för att styra den till ett önskat djup i synfältet. </ Li>
- Omedelbart flytta kontakten änden av sonden för att vila på en närliggande yta.
- Gör alla nödvändiga justeringar av kamerabilden för att fokusera på sonden (referensreferens funktioner kan vara något oskarp). Ta en ögonblicksbild av sonden platsen.
- Tillåt PEG för att lösa upp (denna tid kan variera, och i själva verket kan vara en parameter som skall provas). Tillsätt PBS nära fliken för att lösa upp PEG som är ovanför gelén.
- Starta videoinspelning om så önskas, och påbörja utvinning av förstyvning som beskrivs i steg 2,5. När extraktionen är klar, ta en sista bild av sondens läge.
- Använd bildbehandling verktyg för att jämföra bilder före och efter förstyvning extraktion. Använd funktionerna på referens fiducial som syns i synfältet för att registrera (justera) bilderna. Kalibrera skala av denna bild baseras på storleken av kända funktionerna hos sonden. Mät avståndet av sondförskjutning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denna införingsteknik användes tillsammans med LLNL tunnfilms polyimid sonder, som har passerat ISO 10993 biokompatibilitet standarder och är avsedda för kronisk implantation. Ett typiskt tunn-films polyimid prob illustreras i figur 1 tillsammans med en kisel förstyvning som är ungefär 10 mm lång i den smala regionen. Denna förstyvning har en transporterande kanal som löper längs dess längd, såsom visas i figur 2. Figur 3 illustrerar mimcrofabrication process som används för att skapa denna förstyvning av kisel. Figur 4 visar en pellet av fast PEG som placerades i reservoaren i fliken, sett genom kameran på flip chip bonder systemet. När det värmdes med hjälp av värmaren inbyggd i botten skede av flip chip Bonder, smält PEG och började sugas in i kanalen. Kameravyn tillät oss att övervaka fuktspridande process tills PEG helt fylld kanalen, which tog ungefär en timme med PEG med molekylvikten 10000 g / mol. PEG därefter återstelnas och sonden och förstyvningen sattes upp i flip-chipbondningsmaskinen som visas i figur 5. Figur 9A visar en vy ovanifrån av en sond och förstyvning efter att vara i linje och fäst, med PEG helt fylls gränssnittet. Figur 9B visar ett exempel på en luftbubbla där PEG är inte närvarande på grund av en partikel. Det sista steget i monteringen är att tillsätta PEG till det flikområde över kabeln del av sonden, för extra förstärkning vid hanteringen. Eftersom detta område inte kommer att sättas in i målet, är det acceptabelt att ha en större volym PEG här, såsom visas i fig. 6. Detta monteringssätt har använts för att fästa olika former av sönder till förstyvningar, inklusive multiskaft anordningar, såsom i visas i fig 10.
In vitro-agarosgel testet har använts för att Qualitatively utvärdera olika parametrar såsom PEG molekylvikt, tidsfrist för PEG att lösa upp, och förstyvning geometri. För varje kombination av PEG och förstyvning geometri, var en viss tid tillåts för upplösning. Därefter extraktion försökte med iakttagande sondförskjutning i realtid. Om sonden släpades signifikant (> 200 ^ m) utan synligt separation eller glidande i förhållande till förstyvningen, drog vi slutsatsen att PEG inte fullständigt löstes upp. Tabell 1 ger några representativa observationer av PEG upplösning med varierande tider och varierande molekylvikt med en förstyvning som är 6 mm lång och 306 mikrometer bred. En annan iakttagelse i efterföljande tester var att när förstyvningen är smalare (t ex 220 ^ m), fram PEG upplöstes på kortare tid (så lite som 5 min.) Detta beror troligtvis på att den adhesiva kontaktarea minskade och som ett resultat, fanns det en mindre volym av PEG för att upplösas. Parametrar som inte verkar påverka PEGupplösning eller sondförskjutning var förstyvning tjocklek (tjocklek från 20 nm till 100 nm testades) och antalet veke kanaler (1 vs 3).
Den in vitro-test har också använts för att kvantifiera genomsnittlig sond förskjutning för en given sond / förstärkningen / adhesiv-konfiguration. I detta exempel utfördes testet utfördes med användning av införingen / extraktion sekvensen illustrerad i fig 7, varvid den sond förstyvningen aggregatet införes i agarosgel, är anslutningsänden förflyttas till en närliggande yta, är PEG fick upplösas, och den förstyvning slutligen utvinns lämnar sonden på plats. Den experimentella inrättas i figur 8 visar sonden-förstyvningen aggregat fäst vid mikromanipulator armen och placerad över gelén. Referens fiducial var en liten glaschip med en array med guld prickar placerade mot den akrylrutan i synfältet för den digitala mikroskop.
Figur 11 visar ögonblicksbilder före och efter extraktion av en förstyvning av en sondenhet som testades i agarosgel. Ljusguld funktioner i bilderna är från referens fiducial och användes som referensfunktioner för att anpassa bilderna till varandra. Den kända delningen mellan elektroderna (200 pm) användes för att kalibrera bildelementstorlek, eftersom detta mått är mindre känslig för variationer i tillverkningsprocessen. Netto sond förskjutning på grund förstyvning extraktion uppskattades vara 28 ± 9 | im (medelvärde ± standardfel, n = 5).
Till dags dato har det föreslagna förfarandet utvidgats till faktisk ett imal kirurgi vid flera tillfällen för att implantera en sond i en råtta cortex. Efter montering, var sonden och 50-im tjock förstyvning steriliseras tillsammans i EtOH vid rumstemperatur. Insättningen och extraktion genomfördes med en mikromanipulator ansluten till en stereotaktisk ram. Sonden-förstyvning aggregatet insattes vid 0,13 mm / sek approximativt 4 mm in i cortex hos en råtta. Efter 15 min tillsattes förstyvningen extraherades och lämnar sonden på plats. Efter återhämtning från kirurgi, neurala inspelningar, som visas i figur 12, med framgång erhållits från vaken djuret påvisa bärkraften av denna metod i verkliga operationer 23. Denna implantation teknik har också använts för att erhålla in vivo-inspelningar med dubbelsidiga arrayer som har elektroder på både framsidan och baksidan, såsom visas i fig 13.
pload/50609/50609fig1.jpg "/>
Figur 1. Schematisk bild av en typisk neural sond och den föreslagna förstyvningen. En typisk tunnfilmspolymer proben har en eller flera elektroder på sondens ände. Metall spår körs från elektroderna utmed längden av kabeldelen och slutar på en dyna som är kopplad till ett elektriskt kontaktdon. Förstyvningen längd (i detta fall ungefär 10 mm) beror på införingsdjupet av sonden, och ett större fliken på förstyvningen möjliggör hantering. (Bild med tillstånd Diana George)
Figur 2. Förstyvning designdetaljer. En veke kanal utnyttjar kapillärverkan för att fördela en flytande lim som har deponerats i behållaren. Behållaren är på ett bredare flikområde som underlättar hantering. (Bild med tillstånd Diana George)
Figur 3. Fabrication sekvens för kisel förstyvning. Kisel förstyvningen är tillverkad på en kisel-på-isolator (SOI) wafer (A). Först veke kanaler torr etsas med hjälp av standard Bosch-processen (B). Därefter förstyvningen geometrin som definieras av en längre etch som stoppar på det begravda oxidskiktet (C). Slutligen är de förstyvningar frigörs genom våt-etsning av det begravda oxidskiktet i 49% fluorvätesyra (D).
Figur 4. Polyetylenglykol i förstyvningen reservoaren. En flaga av polyetylenglykol placerades i reservoaren i förstyvningen. När uppvärmd, kommer den att smälta, fylla behållaren, och flödein i den transporterande kanal.
Figur 5. Schematisk bild av flip-chip-bondning. Förstyvningen hålls med kanalen ned av ett vakuum på verktygshuvudet i flip-chip-Bonder. Den neurala sonden ligger på grundstadiet sidan nedåt.
Figur 6. Polyetylenglykol på fliken förstyvning. Extra polyetylenglykol är generöst appliceras på fliken för förstyvning som förstärkning. Kabeln parti av en polyimid-prob är synlig på toppen av förstyvningen.
Figur 7. Schematisk bild av iSertion och extraktion sekvens. A) Sonden-förstyvning enhet sätts in i vävnaden med hjälp av mikromanipulator. B) Kontakten slut flyttas till en närliggande yta. C) PBS är gäller att lösa upp PEG på fliken för förstyvning. D) Förstyvningen utvinns, lämnar sonden i målet.
Figur 8. In vitro-test inrättas. Den inrättades för att testa sond insättning och förstyvning utvinning i 0,6% agarosgel i fosfatbuffrad saltlösning. Sonden-förstyvning aggregatet är fäst vid mikromanipulator armen och placerad över gelmålet nära referens fiducial. En digital mikroskop används för att observera sonden och förstyvning i agarosgelen.
Figur 9. Probe följas förstyvning. A) Top bild av en sond fäst till en förstyvning med god inriktning och fullständiga bindemedelstäckning. B) Ett exempel på en lucka i den vidhäftande täckningen på grund av en partikel.
Figur 10. Exempel på en multi-skaft sond. Det föreslagna monteringsprocessen användes för att fästa denna fyra-skaft sond till en matchande kisel förstyvning.
Figur 11. Exempel på förstärknings extraktions resultat. Ögonblicksbilder från före (överst) och efter (nederst) förstyvning extraktion med ett tunnfilms polyimid prob i agarosgel. Ljus guld prickar är påreferens fiducial och används som referens funktioner för att jämföra bilderna och mäter sonden deplacement. Den beräknade förskjutningen av sonden är 28 ± 9 | im (medelvärde ± standardfel, n = 5).
Figur 12. Exempel på fysiologiska inspelningar. Dessa enstaka neuron spikar erhölls från en flexibel mikroelektrod sond implanteras med en avtagbar förstyvning som beskrivs i detta protokoll.
Figur 13. LFP inspelningar från en dubbelsidig sond. Insättning med en avtagbar förstyvning aktiverad testning av en flexibel matris som hade elektroder på både fram-och baksidorna. Dessa LFP inspelningar visat comparable elektrodprestanda på båda sidor efter implantation.
| PEG upplöstes efter: | |||||
| Problängd (mm) | Förstyvning bredd (im) | PEG-molekylvikt (g / mol) | 10 minuter | 15 minuter | 30 minuter |
| 6 | 306 | 6000 | ja | ja | |
| 10000 | ja | ||||
| 20000 | nej | ja | |||
Tabell 1. PEG upplösningstid på 0,6% agarosgel. Iakttagelser om upplösning av PEG med olika molekylvikteranvänds för att fästa en flexibel sond till en kisel förstyvning, efter varierande tidsperioder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den metod som beskrivs här ger en väl kontrollerad process för att fästa tunnfilmspolymer prober för att separata förstyvningar med en biodissolvable adhesiv. Presenteras också är den rekommenderade kirurgiskt ingrepp för att genomföra dessa flytt förstyvningar och en teknik för att validera det förfarande in vitro för en viss sond-förstyvning konfiguration. Eftersom förstyvningen kan göras godtyckligt styva, kan metoden att underlätta införande av relativt långa prober (> 3 mm). Som sådan är den insättningsmetod förväntas vara en möjliggörande teknik för applikationer i djup hjärnstimulering (DBS), ryggmärgsstimulering, och perifera nerv gränssnitt.
Romanen förstyvning med en fuktspridande kanal och flip-chip-baserade monteringen är lämpliga för olika material och probkonfigurationer. Geometriskt betyder förstyvningen inte matcha sonden fotavtryck och kunde, till exempel, vara smalare än sonden. Tjockleken på sti ffener kan också variera. Medan vi har beskrivit en förstyvning gjorda av kisel, med annat material, kan det vara möjligt att åstadkomma mer önskvärda mekaniska egenskaper för vissa tillämpningar. Monteringsprocessen är även lämplig för andra typer av flytande lim. PEG är särskilt lätt att arbeta med på grund av sin förmåga att vara stelnat och smältas om flera gånger. I fråga om andra flytande lim som inte har denna egenskap, kan monteringssekvensen behöva ändras. Det är möjligt att använda en annan molekylvikt för PEG. En högre molekylvikt kommer att ta längre tid att lösa upp, vilket kan vara önskvärt under kirurgin. Kontaktytan mellan sonden och förstyvningen kommer också att påverka den tid som behövs för att lösa upp limmet efter sondens införing. Det rekommenderas att konfigurationen sonden-förstyvning med den valda molekylvikt testas in vitro som beskrivs i avsnitt 3 för att karakterisera den tid som krävs för att lösa upp limmet.
_content "> Vi fann att exakt kontrollera utvinning hastigheten är kritisk för extrahering förstyvningen med minimal sonden deplacement. Specifikt hjälper en initial snabb rörelse för att övervinna statisk friktion och separera förstyvningen från sonden. Efter detta återstoden av extraktion kan kompletteras med en lägre hastighet med försumbar extra sondförskjutning, som observerats i agarosgelen testet. Många neurovetenskap laboratorierna använder kopf stereotaktiska system, och det finns en motoriserad mircopositioner modul från KOPF (t.ex. modell 2662) som kan läggas till dessa system. Vi valde en Newport motoriserade ställdon eftersom det hade liknande dynamiska prestanda, men var billigare och hade mer flexibel hastighetskontroll. (Det var nödvändigt att tillverka ett enkelt fäste för att fästa ställdonet till vårt micropositioner systemet.) Det KOPF Systemet kan tillämpa två utvinning hastigheter som liknar det protokoll som vi utvecklat. Dock är den maximala hastigheten på KOPF ställdon 4 mm / sek, medanvi använt 5 mm / sek för den initiala förskjutningen med hjälp av Newport ställdon.Under in vitro-och in vivo-test, var införing av sonden-förstyvningen aggregatet utförs antingen med en manuellt driven mikromanipulator eller en motordriven mikromanipulator, med hastigheter mellan 0,13 till 0,5 mm / sek. Ingen skada eller delaminering av proben observerades. Högre insättningshastigheter har inte utvärderats för att bestämma risken för skador på sond-förstyvningen montering.
Ändringar av insättning / extraktionsmetod pågår för att göra processen mer robust. I synnerhet är ett mycket känsligt steg flyttar kontakten änden av sonden bort av mikromanipulator på en närliggande yta. Det finns en risk i detta steg för att störa sonden innan den har säkrats. Det är också möjligt att böja i kabeln kan orsaka stress på det insatta partiet av sonden, vilket leder till oavsiktlig förskjutning av sondenefter förstyvning extraktion. För närvarande är dessa risker minskas genom användning av en sond med en kabel som är minst 2,5 cm lång. Emellertid är det önskvärt att insättnings / extraktion processen vara mindre beroende på sonddesign. Ändringar av mikromanipulator verktyget slut eller tillägg av mellanstationer fixturer som tillfälligt kan stödja kontakten kommer sannolikt att ge mer tillförlitlig extraktion av förstyvning.
Det finns flera öppna frågor som kan leda till framtida studier som sträcker sig från denna metod. För det första, medan 0,6% agarosgel förutsatt de mest kända i hjärnvävnad vitro surrogat och tillät bildanalys av sondförskjutning, det är inte exakt replikera hjärnvävnad. Studier behövs för att undersöka läge och förskjutningen av sonden in vivo. För det andra behövs långsiktiga implantation och histologiska tester för att kvantifiera fördelarna med den flexibla sonden med en löstagbar förstyvning. Sådana studier skulle kunna undersöka teorinatt sond efterlevnad minskar mikrorörelser och förlänger elektrodprestanda. Slutligen skulle det vara fördelaktigt att mer exakt karakterisera nedbrytningshastigheten av PEG. Detta skulle kunna bidra till bättre stämning i upplösningstider för vissa kirurgiska behov. Sådana mätningar kan också kvantifiera hur länge den lösta PEG förblir mellan sonden och förstyvning, vilket är viktigt eftersom den hydrofila naturen hos PEG underlättar extraktion av förstyvningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av NIH NIDCD Y1-DC-8002-01. Detta arbete utfördes under ledning av US Department of Energy av Lawrence Livermore National Laboratory i kontrakt 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
- Polikov, V., Tresco, P., Reichert, W. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148, 1-18 (2005).
- Lee, Y. T., Hitchcock, R. W., Bridge, M. J., Tresco, P. A. Chronic response of adult rat brain tissue to implants anchored to the skull. Biomaterials. 25 (12), 2229-2237 (2004).
- Subbaroyan, J., Martic, D. C., Kipke, D. R. A finite-element model of the mechanical effects of implantable microelectrodes in the cerebral cortex. Journal of Neural Engineering. 2, 103-113 (2005).
- Lacour Sun, Y., S,, et al. Assessment of the biocompatibility of photosensitive polyimide for implantable medical device use. Journal of Biomedical Materials Research A. 90 (3), 648-655 (2009).
- Kipke, D. R., Pellinen, D. S., Vetter, R. J. Advanced neural implants using thin-film polymers. IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 4, 173-176 (2002).
- Mercanzini, A., Cheung, K., et al. Demonstration of cortical recording using novel flexible polymer neural probes. Sensors and Actuators A. 143, 90-96 (2008).
- Stieglitz, T. Flexible biomedical microdevices with double-sided electrode arrangements for neural applications. Sensor and Actuators A. 90, 203-211 (2001).
- Tooker, A., Tolosa, V., Shah, K. G., Sheth, H., Felix, S., Delima, T., Pannu, S. Polymer neural interface with dual-sided electrodes for neural stimulation and recording. Proceedings of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. , 5999-6002 (2012).
- Parylene microprobes with engineered stiffness and shape for improved insertion. Egert, D., Peterson, R. L., Najafi, K. Proceedings of Transducers '11, Beijing, China, , (2011).
- Lee, K. -K., He, J., et al. Polyimide-based intracortical neural implant with improved structural stiffness. Journal of Micromechanics and Microengineering. 14, 32-37 (2004).
- Takeuchi, S., Ziegler, D., et al. Parylene flexible neural probes integrated with microfluidic channels. Lab On A Chip. 5, 519-523 (2005).
- Improving mechanical stiffness of coated benzocyclobutene (bcb) based neural implant. Singh, A., Zhu, H., He, J. Proceeding of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, , 4298-4301 (2004).
- Lewitus, D., Smith, K. L., et al. Ultrafast resorbing polymers for use as carriers for cortical neural probes. Acta Biomaterialia. 7, 2483-2491 (2011).
- An ultra-compliant, scalable neural probe with molded biodissolvable delivery vehicle. Gilgunn, P. J., Khilwani, R., et al. Proceedings of the 2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), , 56-59 (2012).
- Ware, T., Simon, D., et al. Fabrication of responsive, softening neural interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
- Harris, J. P., Capadona, J. R., et al. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8, 1-13 (2011).
- Kozai, T. D. Y., Kipke, D. R. Insertion shuttle with carboxyl terminated self-assembled monolayer coatings for implanting flexible polymer neural probes in the brain. Journal of Neuroscience Methods. 184 (2), 199-205 (2009).
- Bjugstad, K. B., Lampe, D. S., Kern, D. S., Mahoney, M. Biocompatibility of poly(ethylene glycol)-based hydrogels in the brain: An analysis of the glial response across space and time. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 95 (1), 79-91 (2010).
- Greenwalk, R. B., Choe, Y. H., McGuire, J., Conover, C. D. Effective drug delivery by pegylated drug conjugates. Advanced Drug Delivery Reviews. 55 (2), 217-250 (2003).
- Effects of adsorbed proteins and an antifouling agent on the impedance of silicon-based neural microelectrodes. Sommakia, S. S., Rickus, J. L., Otto, K. J. Proceedings of the 31st Annual IEEE EMBC International Conference, , 7139-7142 (2009).
- Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Richner, T., Brodnick, S. K., Williams, J. C., Kipke, D. R. Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals. J. Vis. Exp. (60), e3565 (2012).
- Chen, Z. -J., Gillies, G. T., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Removable silicon insertion stiffeners for neural probes using polyethylene glycol as a biodissolvable adhesive. Felix, S., Shah, K. G., George, D., Tolosa, V., Tooker, A., Sheth, H., Delima, T., Pannu, S. Proceedings of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, , 871-874 (2012).
