Summary
Esnek sinir mikroelektrodlu prob yerleştirilmesi polietilen glikol (PEG) ile sert katılaştmcılarla sondalar takılarak etkindir. Benzersiz bir montaj işlemi üniforma ve tekrarlanabilir eki sağlar. Doku içine yerleştirilmesinden sonra, PEG çözdüğü ve takviye ekstre edilmiştir. Bir in vitro test yöntemi, agaroz jel tekniği değerlendirir.
Abstract
Esnek malzeme mikro-neden olduğu olumsuz doku yanıtı en aza indirir, çünkü biyo-uyumlu bir ince film polimerden yapılmış nöral arabirim cihazları için Mikroelektrod diziler fonksiyonel kullanım süresi uzatılabilir olması bekleniyor. Ancak, esneklik doğru sinir doku içine sokulan engeller. Bu makalede, geçici olarak, sondanın kesin, cerrahi sokulmasını kolaylaştırmak için biodissolvable polietilen glikol (PEG) kullanılarak sert bir takviyenin esnek bir mikroelektrot sonda takmak için bir yöntemi gösterir. Benzersiz bir takviye tasarım probun uzunluğu boyunca PEG yapışkan maddenin eşit olarak dağılımı için izin verir. Flip-çip bağlama, mikro paket olarak kullanılan bir araç, takviyenin doğru ve tekrarlanabilir hizalama ve prob takılmasını sağlar. Sonda ve takviye cerrahi sonra PEG takviye prob bırakarak elde edilebilir, böylece çözmek için bırakılır, birlikte implanteyerinde. Son olarak, bir in vitro test yöntemi, beyin dokusu, bir agaroz jel modelinde takviye çıkarma değerlendirmek için kullanılır. İmplantasyondan Bu yaklaşım (> 3 mm) daha esnek bir prob için özellikle avantajlı olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca çift taraflı esnek problar implant uygulanabilir bir yöntem sağlar. Bugüne kadar, tekniğin sıçan korteks çeşitli in vivo kayıt verileri elde etmek için kullanılmıştır.
Introduction
Mikroelektrod diziler bir nörobilim önemli bir araç yanı sıra protez gibi gelişen klinik uygulamalardır. Özellikle, delici mikro elektrot sondalar, beyin, omurilik, ve periferal sinirlerde hücreleri ile yakın temas yoluyla nöronal aktivitenin uyarılmasını ve kayıt sağlar. Implante nöral problar için büyük bir meydan okuma uyarım ve kayıt fonksiyonları istikrar ve uzun ömürlü. Mikroelektrot prob ve nöral doku arasındaki etkileşimin modellenmesi ve deneysel çalışmalar bozulması için, bir mekanizma nedeniyle sistemi ve doku 1-3 arasında küçük nispi hareketi sinir dokusunun mikro yırtılma olduğunu ileri sürmüşlerdir. Bir çözelti, daha yakın nispi mikro-en aza indirmek için nöral doku toplu sertlik özelliklerine uygun problar, esnek imal etmektir. Bu nedenle, böyle bir polimid ve Parylene gibi biyo-uyumlu polimerler, ince film Mikroelektronikler için uygun alt-tabakalar olarak kabul edilmiştirtrode 4-8 inceledi.
Esnek probların bir değiş tokuş nöral doku içine eklemek zor olmasıdır. Araştırmacılar, arzu edilen mekanik özellikleri korurken esnek bir prob sokulmasını kolaylaştırmak için çeşitli yaklaşımlar geliştirmişlerdir. Tasarımlar bir sınıfı diğer bölgelerinde uyumu muhafaza ederken, belirli bir bölüm veya eksende sertliğini arttırmak için polimer prob geometri değiştirir. Bu kaburgalar ya da başka malzemeler 9,10 katmanları dahil edilmesi ile başarılmıştır. Diğer bir yaklaşım, biyolojik olarak parçalanabilir malzeme 11 ile doldurulur polimer Sonda tasarımı bir 3-D kanal bütünleştirir. Bu prob geçici kasıldı edilebilir ve kanal bitip kanalizasyon dışarı yerleştirilmesi malzeme sonra. Bununla birlikte, sürekli olarak son implante edilmiş cihazın geometrisini değiştirmek gibi, bu gibi yöntemler, esnek probun arzu edilen bazı özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilir.
N yapar Bir yöntemNihai sonda geometrisini değiştirmek ot geçici cihazı 12-14 sertleştirmek için biyolojik malzeme ile polimer cihaz kapsüllemek olmaktadır. Bununla birlikte, tipik biyolojik olarak bozunabilir malzeme silisyum daha küçük büyüklükte Young modülleri emir ve bunun sonucunda aynı sertliği elde etmek için daha büyük bir kalınlık gerektirir. Yeterli prob yerleştirme daha zor hale daha yuvarlak veya künt ucu neden olabilir kaplama. Erir kaplamalar maruz beri Ayrıca, doku ile temas halinde hemen çözülmesi bunların risk, hatta yakınlığı vardır.
Yöntemlerin bir başka sınıfı, doku içine implante edildikten sonra sertlikteki düşüren yeni prob substratı malzemeler kullanmaktadır. Bu tür malzemeler, şekil belleği olan polimerler 15 ve bir mekanik uyarlanabilir nanokompozit 16 içerir. Bu maddeler yerleştirildikten sonra önemli ölçüde esneme modülü olarak azaltmak mümkün, ve daha yakından hizmeti t prob ile sonuçlanabilirnöral doku h mekanik özellikleri. Ancak, sertlik ulaşılabilir aralığı hala sınırlı, bu yüzden silikon veya tungsten teller çok yüksek sertlik eşdeğer sağlamak mümkün olmayabilir. Bu nedenle, son derece düşük bir sertliğe sahip çok uzun (örneğin,> 3 mm) veya esnek olan sondaların durumunda, geçici olarak daha sert bir sertleştirici tutturulmasına yönelik bir yöntem yine de gerekebilir.
Rapor Yine başka umut verici bir yöntem kat mekik ve esnek sonda 17 arasındaki yüzey etkileşimi özelleştirmek için kalıcı bir öz-montaj tek tabaka (SAM) ile bir sertleşme servis edilir. Kuru, prob elektrostatik kaplı mekik yapışır. Yerleştirilmesinden sonra, su servis elde edilebilir, böylece transfer gelen prob ayıran, hidrofilik yüzey üzerine hareket eder. Azaltılmış prob deplasman Servisi ekstraksiyon (85 mikron) saptandı. Ancak, elektrostatik etkileşimler t için sonda tutano mekik, yerleştirilmesinden önce ve sırasında mekik göre sonda kayma bazı riski vardır.
Bu esnek prob güvenli bir sokma esnasında probun tutan bir geçici biodissolvable yapışkan bir madde ile bir katılaştırıcı ile bağlı olduğu bir yöntem geliştirdik. Kullanılan sondalar 2-4 GPa sırasına elastik modülüne sahip polimid, yapılmıştır. Takviye ~ 200 GPa arasında bir elastik modül ile, silikondan imal edilmiştir. Bağlı olduğunda, silikon sertliği sokulmasını kolaylaştırmak, hakimdir. Sonra doku içine yerleştirilen, yapışkan malzeme çözdüğü ve takviye başlangıç esnekliği için sonda geri ekstre edilmiştir. Biz biodissolvable yapışkan malzeme olarak polietilen glikol (PEG) seçilir. PEG gibi sinir probları, doku mühendisliği ve ilaç dağıtım 11,18,19 olarak implante uygulamalarda kullanılmaktadır. Bazı kanıtlar PEG beyinde nöroenflamatuar yanıtı zayıflatabilir önerdidoku 18,20. Sukroz, poli laktik-ko-glikolik asit (PLGA) ve polivinil alkol (PVA) de dahil olmak üzere diğer muhtemel malzemeler ile karşılaştırıldığında, PEG sırasına (çok sayıda implant ameliyatları için uygun bir ölçek olan biyolojik sıvılar içinde bir erime süresi vardır molekül ağırlığına bağlı olarak on dakika). Buna ek olarak, değişen sıcaklıklarda, oda sıcaklığında sıvı ve katı olan 50-65 ° C arasında Bu özellik, bizim hassas montaj işlemi için özellikle uygun hale getirir. Ayrıca, SAM benzer 17 'de açıklanan çözünmüş PEG takviyenin çıkarılmasını kolaylaştıran, hidrofiliktir. Bu avantajlı yaklaşım üniforma kaplanmasını ve doğru ve tekrarlanabilir uyum sağlamak yeni bir takviye tasarım ve metodik montaj sürecinde etkindir. Montaj işlemi için ek olarak, ameliyat esnasında çıkarılabilir takviyesi uygulanması yöntemini, hem de sti çıkarılması değerlendirmek için bir in vitro prosedür mevcutffener.
Bu tarifnamede sunulan protokol, kullanıcı, esnek bir polimer mikroelektrot probu sahip olduğunu varsayar. Bir takviyenin bu sonda takviyenin ve montaj imalat ilişkin protokolünün parçası mikroimalat tesiste bulunan ortak araçlarına erişim varsayar. Ekleme ve çıkarma ile ilgili protokol, olası bir nörolojik odaklı laboratuarda gerçekleştirilecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Sertleştirici için Probe Meclisi
Protokolün bu kısmı takviyenin bir silikon takviyenin imalat ve bir ince film polimer probunun düzeneğini tarif etmektedir. 1 önerilen katılaştıncı ile birlikte tipik bir polimer sinir probu Şekil göstermektedir. Sertleştirici tasarım detayları, Şekil 2 'de gösterilmiştir. Bu tasarım özelliği, yeni bir kanal montaj sırasında sıvı yapıştırıcı dağıtmak için kullanılan kendi uzunluğu boyunca uzanan "fitilleme" sığdır. Takviyenin daha geniş kısmı montaj ve cerrahi yerleştirme sırasında kullanımı için bir sekme olduğunu. Sekmesinde bir rezervuar kanala bağlanır. Bileşen, standart işlemler kullanılarak mikroimalat silikondan imal edilir.
- Bir emme kanalı ile silikon takviye takviyenin arzu edilen kalınlığına eşit bir cihaz tabaka kalınlığı olan bir silikon üzerinde yalıtkan (SOI) levhanın (imal edilmiştir
- Rezervuara molekül ağırlığı 10000 g / mol olan polietilen glikol ile bir pelet (PEG) (Şekil 4) yerleştirin. PEG erir ve kılcal hareket ile kanalın içine ilerler, böylece 65 ° C'ye kadar sertleştirici ısıtın. Daha sonra katılaşmaya oda sıcaklığına soğumaya. Şekil 5 flip çip yapıştırıcının şematik kurmak gösterir. Sonra aracı kafa ile sertleştirici pick up, baş aşağı çevirmek çip yapıştırıcının taban sahnede sertleştirici yerleştirin. Baş aşağı taban sahnede probu yerleştirin. Flip çip birleştirme düzeni kullanılarak, sertleştirici ve prob hizalamak ve daha sonra sertleştirici alt ve bir prob üzerine yerleştirin.
- Kapak çip birleştirme düzeninin taban aşaması alt-tabakaya ısı uygulamak için bir ısıtma elemanı olmalıdır. Sertleştirici yerleştirildikten sonra, 65 ° C'de bir kez daha ısı düzeneğini PEG için, bir dakika yeniden ergitme ve prob ve takviyenin arasındaki ara doldurmak için başlamak için izin verin. Katılaşmaya soğutun.
- Üzerinde derleme çevirin ve üst inceleyin. PEG tamamen sonda ile takviyenin arasındaki arayüzü doldurmak için izin vermek için gerektiği kadar tekrar ısıtın. Prob şeffaf olduğu için, bu görsel olarak değerlendirilebilir. Montaj üst-(prob-) kadar yan ısıtıcı üzerinde oturuyor gibi, elle 1-3 e yerleştirmeksekme üzerine katı PEG Xtra topakları bu bölgede ek takviye (Şekil 6) temin prob üzerinde erime böylece. Son olarak, montaj PEG katılaşır ve böylece soğumaya bırakın. Bu noktada, montaj cerrahi sokulması için hazır hale gelir.
2. Ekleme ve Çıkarma
- Sekme bölgede mikromanipülatör koluna takviyenin arkasını yapıştırılmasıyla Şekil 7A'da gösterildiği gibi bir mikromanipülatör prob takviye düzeneği monte edin. Bu çift taraflı bant veya çimento ile yapılabilir, ancak yapıştırıcı ile prob temas etmemesine özen olabilir. Geçici kolayca düşük kuvvet ile kaldırılabilir şekilde yapıştırıcı macun küçük bir parça ile micromanipulator prob konektör ucunu sabitleyin.
- Hedef üzerinde prob aksamını yerleştirin ve istenen yerleştirme hızı ile prob takın. Bu protokol geliştirilirken 0,13-0,5 mm / sn Ekleme hızı kullanıldı. '/ Li>
- Hemen yavaşça mikromanipülatör ikinci probun bağlayıcı ucunu kaldırmak ve bu ikinci bir manipülatör kolunun (Şekil 7B) gibi, bir at yüzeye dinlenme. PEG probu yer değiştirmesi önlemek için çözünmesi başlamadan önce bu yapılmalıdır.
- PEG çözmek için zaman tanıyın. Bu zaman miktarı, PEG molekül ağırlığı ve prob ve takviyenin arasındaki temas alanına bağlıdır. Örneğin 10,000 gr / mol, bir mikroelektrot prob yaklaşık 6 mm çapında ve 306 mm olan bir uygun sertleştirici PEG molekül ağırlığına sahip, 15 dakika bir zaman yeterli miktarda olduğu bulunmuştur. Protokolün 3. Bölüm gereken erime süresini test etmek için bir yöntem sunar. Bu süre boyunca, hedef (Şekil 7C) üzerinde herhangi bir PEG çözünmesi sekme ve ekleme noktası etrafında bir damlalık ile fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) uygulanır.
- Bir motorlu micropositioner kullanarak, bir yer değiştirme uygulayarak takviyenin çıkarma başlar5 mm / sn 'lik bir hızda 100 um. Bu ilk hızlı hareket herhangi bir statik sürtünmeden ve prob deplasman en aza indirmek için yardımcı olur. Sonra, yaklaşık 0.1 mm / saniye (Şekil 7D) daha yavaş bir hızda sertleştirici ayıklanmasını tamamlamak.
- Gerçek bir cerrahi durumunda, 21 'de gösterildiği gibi, sonda güvenli ve korumak için ekleme yerinde jel, silikon ve / veya dental akrilik uygulamak için, normal işlemleri ile devam etmektedir.
3. Agaroz jel testi
Protokolün bu kısmı kütle mekanik özellikleri, pH, ve beyin dokusu 17,22 arasında tuzluluk yaklaşan bir% 0.6 agaroz jeli içinde takviyenin çıkarma incelemek için kurmak ve prosedür açıklanmaktadır. Jel kısa mesafeler üzerinden neredeyse şeffaf olduğundan, takviye ayırma ve prob deplasman görülebilir.
- Fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) içinde% 0.6 agaroz içinde bir çözeltisi hazırlandı. Bir ELE karıştırıntamamen agaroz tozu eritmek için sıcaklık sokulur. Sığ bir akrilik kutuya çözüm dökün, jel derin 3/4- 1 olmalıdır. Bir saat boyunca oda sıcaklığında ayarlanmış jel izin verin.
- Dışarı kuru kalmaması sertleştirilmiş jel PBS ile doymuş olduğundan emin olun, ve 37 ° C jel ısı
- Şekil 8'de gösterildiği gibi agaroz jel mikromanipülatör, kutusu ve mikroskobik kamera sistemi kurun.
- Jel ve kutunun yan tarafında (şekil 8) arasında kaydırarak jel kutuya, bir cam referans referans yerleştirin. Dijital mikroskop görüş alanında referans miyar komponenti ile ilgili özellikleri kare için bir diş kullan.
- Adım 2.1 'de tarif edildiği gibi mikromanipülatör sonda düzeneğini monte edin.
- Yaklaşık 1 mm referans miyar komponenti arkasında jeli üzerinde sonda düzeneğini.
- Görüş alanında istenen bir derinliğe için rehberlik kamerayı kullanarak, jel içine sonda yerleştirin. '/ Li>
- Hemen yakındaki bir yüzey üzerinde dinlenmek için prob konektör ucunu hareket ettirin.
- Prob (referans fiducial özellikleri biraz odak dışında olabilir) odaklanmak için kamera görüntüsüne herhangi gerekli ayarlamaları yapın. Prob konumu bir fotoğrafını çekin.
- PEG (bu zaman değişebilir, ve aslında, test edilecek olan bir parametre olabilir) çözünmeye bırakılır. Jel üzerinde olduğunu PEG çözünmesi sekmesini yakınındaki PBS uygulayın.
- Eğer istenirse video yakalama başlatın ve aşama 2.5 de tarif edildiği gibi takviyenin çıkarılması başlar. Ayıklama tamamlandığında, prob konumu son bir fotoğrafını çeker.
- Sertleştirici ekstraksiyon öncesi ve sonrası görüntüleri karşılaştırmak için görüntü işleme araçlarını kullanın. Görüntüleri (align) kaydetmek için görüş alanında görünür referans miyar komponenti üzerinde özelliklerini kullanın. Prob üzerinde bilinen özelliklerinden boyutuna göre görüntü ölçeğini kalibre edin. Prob yerinden mesafeyi ölçün.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu ekleme tekniği ISO 10993 biyouyumluluk standartlarını geçti ve kronik implantasyon için amaçlanan LLNL ince film poliimid probları ile bağlantılı olarak kullanılmıştır. Tipik bir ince-film poliimid prob dar bölgede uzun, yaklaşık 10 mm olan bir silikon sertleştirici ile birlikte, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, bu takviye, kendi uzunluğu boyunca uzanan bir emme kanalı bulunur. 3 silikon dışında bu takviyesi oluşturmak için kullanılan mimcrofabrication işlemi göstermektedir Şekil. 4 uzantının hazne içine yerleştirilmiş bir katı PEG'in bir pelet göstermektedir, flip çip birleştirici sistemi üzerinde kamera ile görüldüğü gibi. Bu flip çip birleştirme düzeninin taban aşamasında yerleşik ısıtıcı kullanılarak ısıtıldı sonra, PEG eritilir ve kanala fitil başladı. Kamera görüntüsü PEG tamamen hangi kanal doluncaya kadar bize esneklik sürecini izlemek için izinh molekül ağırlığı 10000 g / mol arasında, PEG ile yaklaşık bir saat sürdü. PEG sonra yeniden katılaşmış ve Şekil 5'te gösterildiği gibi, prob ve takviye flip çip birleştirme düzeninin içinde oluşturulmuştur. Şekil 9A, tamamen arayüzü doldurma hizalanmış ve PEG ile, bağlı sonra, bir prob ve sertleştirici üstten bir görünümünü göstermektedir. Şekil 9B PEG, çünkü bir parçacığın mevcut olmayan bir hava kabarcığının bir örneğini göstermektedir. Derlemesinde son adım taşıma sırasında ekstra takviye için, prob kablo parçası üzerinde sekme bölgesine PEG eklemektir. Bu alan, hedef içine eklenir olmaz çünkü Şekil 6 'da gösterildiği gibi, bu, burada PEG daha büyük bir hacme sahip kabul edilebilir. Şekil 10'da gösterildiği gibi bu montaj yöntemi, çok şaft cihazlar da dahil olmak üzere, takviye için problar, çeşitli şekiller bağlamak için kullanılmıştır.
In vitro deney, agaroz jel Qualitativ için kullanılmıştırely örneğin PEG molekül ağırlığı, PEG çözünmesi için izin verilen zaman ve takviye geometrisi gibi farklı parametrelerini değerlendirmek. PEG ve sertleştirici geometri her kombinasyonu ile, zaman bir miktar çözünmesi için izin verildi. Gerçek zamanlı prob değiştirmesini gözlemleyerek süre sonra, çıkarma denendi. Prob gözle görülür takviyenin göreli ayrılması veya kayma olmadan önemli ölçüde (> 200 mikron) sürükledi ise, biz PEG tam çözülmüş değildi sonucuna varmıştır. Tablo 1 kez değişen ve bir sertleştirici ile molekül ağırlığı değişen PEG çözülme bazı temsilcisi gözlemler verir uzun ve 306 mm genişliğinde 6 mm. Daha sonraki testleri Bir başka gözlem takviye (örneğin 220 mikron) daha dar olduğunda, PEG (5 dakika kadar küçük) daha kısa sürede çözülür oldu. Yapışkan temas alanı azalmış ve bunun sonucu olarak, eritmek için PEG daha küçük bir hacmi vardı çünkü bu muhtemeldir. PEG etkiler görünmedi Parametrelerçözünme ya da prob değiştirme takviye (kalınlık 20 um test edildi um ila 100 arasında değişen) kalınlığı ve emme kanallarının sayısı (1 genel 3).
In vitro test, aynı zamanda, belirli bir prob / katılaştıncı / yapışkan yapılandırma için ortalama sonda yer değiştirme miktarını belirlemek için kullanılmıştır. Bu örnekte, test prob takviye düzeneği, agaroz jeli sokulur, burada, konektör ucu bir yakın yüzeyine taşınır, Şekil 7'de gösterilen ekleme / çıkarma dizisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir, PEG çözünmesi için bırakılır, ve Son olarak takviye yerinde bırakarak prob ekstre edilir. Şekil 8 'de kurulmuş deney mikromanipülatör koluna bağlı ve jel üzerine yerleştirilmiş prob takviye takımını göstermektedir. Referans referans dijital mikroskop görüş alanında akrilik kutu karşı yerleştirilen altın noktaların bir dizi küçük bir cam çip oldu.
11 agaroz jelde test edilmiştir, bir sonda düzeneği bir sertleştirici ekstraksiyonu önce ve sonra anlık göstermektedir. Görüntülerde ışık altın özellikleri referans miyar komponenti vardır ve birbirlerine görüntüleri hizalamak için referans özellikler olarak kullanılmıştır. Bu boyut İmalat işleminde varyasyonlara daha az hassas olduğu, elektrotların (200 um) arasında bilinen zift, piksel boyutunu ayarlamak için kullanıldı. Nedeniyle takviye çıkarımı net prob değiştirme 28 ± 9 mikron olarak tahmin edilmiştir (ortalama ± standart hata, n = 5).
Bugüne kadar, önerilen yöntemin gerçek Bir uzatıldı Bir sıçan korteks soruşturma implant için defalarca ameliyat olmuş bölgeler. Montajdan sonra, prob ve 50 mikron kalınlığında takviye Oda sıcaklığında EtOH içerisinde birlikte sterilize edilmiştir. Çıkarma ve yerleştirme bir stereotaksik çerçeveye bağlı bir mikromanipülatör ile yapıldı. Prob-takviye düzeneği, bir sıçan korteks içine 0.13 mm / saniye, yaklaşık 4 mm sokulmuştur. 15 dakika sonra, takviye yerinde prob bırakarak ekstre edilmiştir. Ameliyat sonrası iyileşme sonrasında sinir kayıtları, şekil 12'de gösterildiği gibi, başarılı bir şekilde gerçek ameliyatları 23 bu yöntemin canlılığını gösteren uyanık hayvandan elde edilmiştir. Şekil 13'te gösterildiği gibi, bu teknik aynı zamanda implantasyon, ön ve arka taraflarında elektrotlar sahip çift taraflı dizilerle in vivo kayıtları elde etmek için kullanılmıştır.
pload/50609/50609fig1.jpg "/>
Şekil 1. Tipik bir sinir sistemi ve önerilen takviyenin şematik. Tipik bir ince-film polimer Sonda, sondanın monte ucunda bir veya daha fazla elektrotlar vardır. Metal izleri kablo bölümünün uzunluğu boyunca elektrotlar çalıştırmak ve bir elektrik konnektörü de bağlı olduğu bir ped üzerinde sona erer. Takviye uzunluğu (bu durumda yaklaşık 10 mm) prob ekleme derinliğine bağlıdır ve sertleştirici daha geniş bir sekme kullanım sağlar. (Izniyle Diana George)
Şekil 2. Sertleştirici tasarım detayları. Bir emme kanalı rezervuar içine tevdi edilmiş olan bir sıvı yapıştırıcı dağıtmak için kılcal eylemi patlatır. Rezervuar kullanımı kolaylaştıran daha geniş bir sekme bölgesine verildi. (Izniyle Diana George)
Silikon takviyenin Şekil 3. İmalatı dizisi. Silikon sertleştirici bir silikon üzerinde yalıtkan (SOI) gofret (A) imal edilir. Üretim emme kanalları olan standart Bosch işlem (B) kullanılarak kuru kazınmış. Daha sonra, takviye geometrisi durur daha uzun bir yakarak kazıma ile tanımlanır gömülü oksit tabakası (C). Son olarak, sertleştiriciler% 49 hidroflorik asit (D) 'de ıslak aşındırma gömülü oksit tabakası tarafından serbest bırakılır.
Şekil 4. Takviye haznesinde polietilen glikol. Takviyenin rezervuar yerleştirilen bir polietilen glikol pul. Bir kez ısıtmalı, bu eritmek haznesine ve akacakfitilleme kanala.
Şekil 5,. Flip-chip yapıştırma şematik. Takviyesi flip-chip yapıştırıcının alet kafasına bir vakum kanalı aşağı düzenlenmektedir. Nöral prob yüz aşağı taban sahnede yatıyor.
Şekil 6,. Sertleştirici sekmesinde polietilen glikol. Ekstra polietilen glikol cömertçe takviye olarak takviyenin sekmesinde uygulanır. Bir polimid prob kablo bölümü takviyenin üstünde görülebilir.
Şekil 7. In şematikyerleştirilmesine ve ekstraksiyon dizisi. A) prob takviye düzeneği mikromanipülatör. B) bağlantı ucu, bir yakın yüzeyine taşınır kullanarak doku içine sokulur. C) PBS bırakarak. D) takviye özütlendi takviyenin sekmesine PEG çözmek için geçerli olduğu hedef prob.
Şekil 8,. In vitro test kurmak. Fosfat tamponlu tuzlu su içinde% 0.6 agaroz jeli içinde test prob yerleştirilmesi ve çıkarılması için takviye ayarlayın. Prob-takviye düzeneği mikromanipülatör koluna bağlı ve referans miyar komponenti yakın jel hedefin üzerinde konumlandırılmıştır. Dijital bir mikroskop agaroz jeli içinde sonda ve sertleştirici gözlemlemek için kullanılır.
Şekil 9,. Soruşturma takviyenin yapıştırılır. Nedeniyle bir parçacığa iyi uyum ve tam yapışkan kapsama. B), yapışkan içerisinde bir boşluk bir örneği olan bir sertleştirici bağlı bir prob A) üstten görünümü.
Şekil 10. Bir çok sap prob örneği. Önerilen montaj işlemi, uygun silikon takviyenin bu dört şaft prob bağlamak için kullanıldı.
Şekil 11. Önce (üst) ve agaroz jel ince film poliimid prob ile (alt) takviye ekstraksiyon sonra ikinci takviye çıkarma sonuçları. Anlık örneği. Işık altın noktalar vardırreferans fiducial ve görüntüleri karşılaştırmak ve sonda yer değiştirmesini ölçmek için referans özellikler olarak kullanılmaktadır. Probun tahmini yer değiştirme 28 ± 9 mikron (ortalama ± standart hata, n = 5) 'dir.
Şekil 12. Fizyolojik kayıt örneği. Bunlar, tek nöron ani Bu protokolde tarif edildiği gibi çıkarılabilir bir sertleştirici implante esnek bir mikroelektrot sonda elde edilmiştir.
Şekil 13. Çift taraflı bir prob, ön ve arka yüzeyleri hem de elektrotlar sahip esnek bir dizi sökülebilir bir sertleştirici etkin test ile. Yerleştirilmesi ikinci LFP kayıtları. Bu LFP kayıtlar c gösterdiİmplantasyondan sonra her iki tarafta omparable elektrot performansı.
| PEG çözünmüş sonra: | |||||
| Sonda uzunluğu (mm) | Takviyesi genişliği (um) | PEG molekül ağırlığı (g / mol) | 10 dakika | 15 dakika | 30 dakika |
| 6 | 306 | 6.000 | evet | evet | |
| 10.000 | evet | ||||
| 20.000 | hayır | evet | |||
Tablo 1. Farklı moleküler ağırlıkların PEG çözünmesi üzerine,% 0.6 agaroz jeli içinde PEG çözünme süresi. Gözlemlerzaman değişen miktarlarda sonra, bir silikon sertleştirici için esnek bir sonda takmak için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada tarif edilen metot, bir biodissolvable yapıştırıcı ile ayrı bir takviye için ince film polimer probları takmak için, iyi kontrol edilen bir işlem sağlar. Ayrıca, bu gibi çıkarılabilir bir takviye ve belirli bir prob-sertleştirici konfigürasyon için in vitro prosedür doğrulamak için bir tekniği uygulamak için önerilen cerrahi prosedür sunulmuştur. Isteğe bağlı olarak sert bir takviye yapılabilir için, bu yöntem nispeten uzun sondalar (> 3 mm) yerleştirilmesini kolaylaştırabilir. Bu durumda, sokma yöntemi derin beyin uyarımı (DBS), omurilik uyarılması ve periferik sinir arabirimleri uygulamalar için bir teknolojidir olması beklenmektedir.
Bir emme kanalı ve flip-çip tabanlı montaj işlemi ile yeni takviye çeşitli malzeme ve prob yapılandırmaları için uygundur. Geometrik olarak, takviye prob ayak izi aynı olmak zorunda değildir ve örneğin, probun daha dar olabilir. Sti kalınlığı ffener de değişebilir. Diğer malzeme ile, silikon yapılmış sıkma parçası ve tarif edilmiş olmakla beraber, bazı uygulamalar için daha çok arzu edilen mekanik özellikleri elde etmek mümkün olabilir. Montaj işlemi, aynı zamanda, sıvı yapıştırıcı madde diğer türleri için uygundur. PEG için birden çok kez katılaştırıldı ve yeniden eritilmek üzere kabiliyetini çalışmak özellikle kolaydır. Bu özelliğe sahip olmayan diğer sıvı yapıştırıcı durumunda, montaj şekli modifiye edilmesi gerekebilir. Bu, PEG için farklı bir molekül ağırlığına kullanmak mümkündür. Daha yüksek molekül ağırlığı, ameliyat sırasında arzu edilir olabilir ki, çözünmesi için daha uzun sürer. Prob ve takviyenin arasındaki temas alanı da prob yerleştirilmesi sonra yapışkan çözünmesi için gereken zaman etkileyecektir. Bu yapışkan çözünmesi için gereken süreyi karakterize etmek için, Bölüm 3'te tarif edildiği gibi, seçilen moleküler ağırlığa sahip prob-sertleştirici konfigürasyon, in vitro olarak test edilmesi önerilir.
_content "> Bu tam ekstraksiyon hızının kontrol minimal sonda yer değiştirme ile sertleştirici ayıklamak için önemli olduğu bulunmuştur. Spesifik olarak, bir ilk hızlı hareket statik sürtünmenin üstesinden gelmek ve bu sonra. prob ekstraksiyon kalan sertleştirici ayırmak için yardımcı olur Birçok nörobilim laboratuvarları KOPF steryotaksik sistemleri kullanırlar. agaroz jel testinde görüldüğü gibi, önemsiz ek prob değiştirme ile daha yavaş bir hızda tamamlanan ve bu sistemlere eklenebilir KOPF (örneğin Model 2662) bir motorlu mircopositioner modülü var olmak. benzer dinamik bir performans vardı, ama daha az pahalı ve daha esnek hız kontrolü vardı çünkü biz Newport motorlu aktüatörünü seçti. (Bu bizim micropositioner sistemine aktüatörünü eklemek için basit bir ayraç imal etmek gerekli idi.) KOPF sistemi iki çıkarma uygulayabilirsiniz biz geliştirdik protokole benzer hızlar. Ancak, KOPF aktüatör maksimum hızı 4 mm / sn, whileBiz Newport aktüatör kullanarak ilk yer değiştirme boyunca 5 mm / saniye kullanılmıştır.In vitro ve in vivo test sırasında prob-sertleştirici düzeneğinin sokma 0,13-0,5 mm / saniye arasında değişen hızı olan, manuel olarak hareket mikromanipülatör ya da motorlu bir mikromanipülatör ile de gerçekleştirilmiştir. Resim hasar ya da prob delaminasyon gözlemlendi. Yükseköğretim ekleme hızları prob-sertleştirici aksamına hasar riskini belirlemek için değerlendirilmemiştir.
Ekleme / çıkarma prosedürüne Değişiklikler süreci daha güçlü hale getirmek için çalışmalar devam etmektedir. Özellikle, çok hassas bir adım at yüzeyi üzerine mikromanipülatör kapalı prob bağlayıcı ucunu hareket ediyor. Bunun altına alınmıştır önce sondayı rahatsız edici bu adımda bir risk vardır. Bu kablo viraj probun istenmeyen yer değiştirmesine yol açan, sondanın takılı kısmı üzerinde strese neden olabilir da mümkündürtakviye ekstre sonra. Şu anda, bu riskler en az 2.5 cm uzunluğunda bir kablo ile bir sonda kullanılarak hafifletilebilir edilir. Bununla birlikte, bu ekleme / çıkarma işlemi Sonda tasarımı daha az bağımlı olması arzu edilir. Mikromanipülatör alet ucuna ya da geçici olarak konektörü destekleyebilir armatürleri evreleme ilavesinden değişiklikler muhtemelen takviyenin daha güvenilir çıkarma sağlayacaktır.
Bu yöntemle uzanan gelecek çalışmalara yol açabilecek çeşitli açık sorular vardır. % 0.6 agaroz jel sonda deplasman iyi vitro beyin dokusu vekil bilinen ve izin görüntüleme analizi verilen süre Birincisi, tam olarak beyin dokusu çoğaltma değil. Çalışmalar konumu ve in vivo probun incelenmesi yer değiştirmesi için gereklidir. İkinci olarak, uzun süreli implantasyon ve histolojik testler çıkarılabilir bir sertleştirici ile esnek prob yararları ölçmek için gereklidir. Bu tür çalışmalar teorisini araştırmak olabilirprob uyum MicroMotion azaltır ve elektrot performans uzanır. Son olarak, daha doğru PEG degradasyon oranı karakterize etmek için yararlı olacaktır. Bu özel cerrahi ihtiyaçlar için çözünme kez daha ayar yardımcı olabilir. Bu ölçümler, ayrıca PEG hidrofilik doğa takviyenin çıkarma kolaylaştırdığı çözülmüş PEG önemli olan prob ve takviyenin arasında ne kadar süre ölçmek olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar herhangi bir maddi çıkarları var.
Acknowledgments
Bu çalışma NIH NIDCD Y1-DC-8002-01 tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma Sözleşme DE-AC52-07NA27344 altında Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı tarafından ABD Enerji Bakanlığı'nın himayesinde gerçekleştirildi.
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).
