वर्तमान प्रोटोकॉल गैस जमाव और जलीय समाधान प्रतिक्रियाओं के माध्यम से सतह संशोधन के लिए उपचार के दौरान सिलिकॉन प्लानर इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड को संभालने के लिए उपकरणों का वर्णन करता है। पूरी प्रक्रिया में उपकरणों को संभालने के लिए उपयोग किए जाने वाले घटकों की असेंबली को विस्तार से समझाया गया है।
इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड महान चिकित्सीय क्षमता रखते हैं। लेकिन उन्हें मामूली आरोपण अवधि के बाद महत्वपूर्ण प्रदर्शन में कमी के साथ चुनौती दी जाती है। मनाया गिरावट के लिए एक पर्याप्त योगदानकर्ता प्रत्यारोपण और बाद में न्यूरोइंफ्लेमेटरी प्रतिक्रिया के लिए समीपस्थ तंत्रिका ऊतक को नुकसान है। डिवाइस दीर्घायु में सुधार के प्रयासों में ऊतक प्रतिक्रिया में सुधार के लिए डिवाइस की सतह पर रासायनिक संशोधन या कोटिंग अनुप्रयोग शामिल हैं। इस तरह के सतह उपचार का विकास आमतौर पर गैर-कार्यात्मक “डमी” जांच का उपयोग करके पूरा किया जाता है जिसमें इच्छित अनुप्रयोग के लिए आवश्यक विद्युत घटकों की कमी होती है। कार्यात्मक उपकरणों के अनुवाद के लिए इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों की नाजुकता को देखते हुए अतिरिक्त विचार की आवश्यकता होती है। हैंडलिंग टूल इकट्ठे उपकरणों के लिए सतह के उपचार की सुविधा प्रदान करते हैं, खासकर संशोधनों के लिए जिन्हें लंबे प्रक्रियात्मक समय की आवश्यकता होती है। यहां वर्णित हैंडलिंग टूल का उपयोग गैस-चरण जमाव और जलीय घोल एक्सपोजर के माध्यम से लागू सतह उपचार के लिए किया जाता है। कोटिंग की विशेषता एलिप्सोमेट्री और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके की जाती है। कार्यात्मक उपकरणों पर कोटिंग प्रक्रिया से पहले और बाद में विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी रिकॉर्डिंग की तुलना ने संशोधन के बाद डिवाइस अखंडता की पुष्टि की। वर्णित उपकरणों को वैकल्पिक इलेक्ट्रोड उपकरणों और उपचार विधियों के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है जो रासायनिक संगतता बनाए रखते हैं।
न्यूरोप्रोस्थेटिक उपकरणों का उद्देश्य रोगी आबादी की एक विस्तृत श्रृंखला में बिगड़ा हुआ या अनुपस्थित संवेदी और मोटर क्षमताओं को बहाल करना है, जिसमें रीढ़ की हड्डी की चोट, एमियोट्रोफिक लेटरल स्केलेरोसिस (एएलएस), सेरेब्रल पाल्सी और विच्छेदन 1,2,3 शामिल हैं। इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड (आईएमई) कॉर्टिकल न्यूरॉन्स और न्यूरोप्रोस्थेटिक्स को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के बीच एक संचार मार्ग स्थापित कर सकते हैं। इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड का एक अलग लाभ उच्च स्थानिक और लौकिक रिज़ॉल्यूशन पर तंत्रिका संकेतों को रिकॉर्ड करने की उनकी क्षमता है, जिसे बाद के सिग्नल प्रोसेसिंग और मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफेस 4,5 के नियंत्रण के लिए पसंद किया जाता है। दुर्भाग्य से, इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड का प्रदर्शन नाटकीय रूप से आरोपण 2,6,7,8 के बाद महीनों के भीतर एक वर्ष तक कम हो जाता है। सिग्नल की गुणवत्ता और स्थिरता का नुकसान प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है।
मनाया प्रदर्शन गिरावट के लिए एक महत्वपूर्ण योगदानकर्ता आरोपण से जुड़े ऊतक क्षति और पुरानी न्यूरोइन्फ्लेमेशन 9,10,11 के लिए जैविक प्रतिक्रिया है। आईएमई का आरोपण मस्तिष्क के ऊतकों को नुकसान पहुंचाता है, जिसके परिणामस्वरूप सिग्नलिंग अणुओं की रिहाई होती है जो प्रतिक्रियावादी सेलुलर रक्षा प्रक्रियाओं के कैस्केड शुरू करते हैं। क्रोनिक इंटरफेसिंग विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया को बढ़ाती है, जिससे निरंतर न्यूरोइंफ्लेमेशन होता है जो डिवाइस के समीपस्थ ऊतक को नुकसान पहुंचाता है; अक्सर सिग्नल गुणवत्ता12,13,14,15 की रिकॉर्डिंग की गिरावट में योगदान देने वाले न्यूरोइंफ्लेमेशन, स्कारिंग और स्थानीय न्यूरोडीजेनेरेशन के लक्षणों के रूप में मान्यता प्राप्त है। प्रशिक्षित सक्रिय माइक्रोग्लिया और मैक्रोफेज के साथ एस्ट्रोसाइट्स के घने समूह को शामिल करते हुए, इलेक्ट्रोड को समाहित करने वाला निशान कम सामग्री परिवहन और भड़काऊ कारकों के स्थानीय संचय के साथ एक प्रतिकूल स्थानीय वातावरण बनाता है 16,15,16,17,18।
कई अध्ययनों ने इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड या प्रतिक्रिया को कम करने के दृष्टिकोण के लिए मस्तिष्क की प्रतिक्रिया का वर्णन किया है7. ऊतक प्रतिक्रिया में सुधार करने में अनुसंधान और विकास में रणनीतियों की एक श्रृंखला शामिल है, जिसमें समग्र संरचना, सतह टोपोलॉजी, सामग्री और कोटिंग्स अनुप्रयोग में संशोधन शामिल हैं। इन प्रयासों का उद्देश्य आरोपण घटना से निरंतर क्षति को कम करना, डिवाइस और समीपस्थ कोशिकाओं के बीच अधिक अनुकूल इंटरफ़ेस पेश करना, या उपकरणों को प्रत्यारोपित करने के बाद ऊतक तनाव को कम करनाहै 7. विशेष रूप से पुरानी जैविक प्रतिक्रिया को लक्षित करने वाले तरीकों ने कई बायोएक्टिव कोटिंग्स का नेतृत्व किया है जिनका उद्देश्य आरोपण स्थल को स्थिर करना और रासायनिक रूप से सेल स्वास्थ्य को बढ़ावा देना है। उदाहरणों में पॉली (एथिलीन डाइऑक्सीथियोफीन) (पीईडीओटी) 19,20, कार्बन नैनोट्यूब 21, हाइड्रोगेल22, और विशिष्ट सेलुलर प्रक्रियाओं कोलक्षित करने के लिए बायोएक्टिव अणुओं और दवाओं के अलावा23,24,25 जैसे प्रवाहकीय पॉलिमर शामिल हैं। हमारे शोध समूह, विशेष रूप से, प्रत्यारोपित माइक्रोइलेक्ट्रोड के लिए भड़काऊ प्रतिक्रिया में कमी को बढ़ावा देने के लिए कई तंत्रों का पता लगाया है, जिसमें डिवाइस प्रत्यारोपण26 से जुड़े आघात को कम करना, डिवाइस / ऊतक कठोरता बेमेल को कम करना 27,28,29,30,31,32,33, नसबंदी का अनुकूलन करना शामिल है, लेकिन सीमित नहीं है क्षति 28,36,37,38,39,40,41,42 को कम करना, वैकल्पिक इलेक्ट्रोड सामग्री 43 की खोज करना, और प्राकृतिक बाह्य मैट्रिक्स 44,45,46 के नैनो-आर्किटेक्चर की नकल करना . हाल की रुचि माइक्रोइलेक्ट्रोड ऊतक इंटरफ़ेस पर न्यूरोइंफ्लेमेटरी प्रतिक्रिया को कम करने के लिए बायोमिमेटिक सतह कोटिंग्स का विकास है39.
इंटरफ़ेस का संशोधन सिग्नल रिकॉर्डिंग के लिए आवश्यक घाव और समीपस्थ ऊतक को सीधे लक्षित करने का अनूठा लाभ प्रदान करता है। एक सतह उपचार जो प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को बढ़ाए बिना उपचार को बढ़ावा देता है, गुणवत्ता रिकॉर्डिंग के जीवनकाल को लाभ पहुंचा सकता है और इंट्राकोर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड की चिकित्सीय और अनुसंधान क्षमता को महसूस करने में सीमाओं को हटा सकता है। प्रस्तुत कार्य माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों के लिए सतह उपचार को लागू करने के तरीकों का विवरण देता है जिन्हें उपकरणों की नाजुकता को समायोजित करते समय विस्तारित प्रतिक्रिया समय की आवश्यकता होती है। प्रस्तुत तकनीक का उद्देश्य कार्यात्मक उपकरणों में सतह संशोधन विधियों को साझा करना है जहां डिवाइस को उपचार अनुप्रयोग में संभाला नहीं जा सकता है। उपकरण गैर-कार्यात्मक डमी जांच और कार्यात्मक सिलिकॉन प्लानर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों को संभालने के लिए प्रस्तुत किए जाते हैं।
इलेक्ट्रोड सतह को संशोधित करने के लिए प्रस्तुत दृष्टिकोण गैर-कार्यात्मक डमी जांच या गैस-चरण जमाव और जलीय समाधानों के साथ प्रतिक्रिया के लिए कार्यात्मक सिलिकॉन प्लानर इलेक्ट्रोड सरणियों के सुरक्षित निलंबन की अनुमति देता है। इन नाजुक उपकरणों (चित्रा 1 और चित्रा 2) को संभालने के लिए कई 3 डी मुद्रित टुकड़ों का उपयोग किया जाता है। एक उदाहरण एक ऐसी प्रक्रिया का प्रदान किया जाता है जो सतह संशोधन के लिए गैस और समाधान चरण चरणों दोनों का उपयोग करता है जिसमें एमएन (तृतीय) टेट्राकिस (4-बेंजोइक एसिड) पोर्फिरिन (एमएनटीबीएपी) का स्थिरीकरण शामिल है। एमएनटीबीएपी एक सिंथेटिक मेटालोपोर्फिरिन है जिसमें सूजन47,48 की मध्यस्थता के साथ एंटीऑक्सिडेंट गुण होते हैं। कार्यात्मक सिलिकॉन प्लानर इलेक्ट्रोड सरणियों पर प्रदान किया गया उदाहरण गैर-कार्यात्मक उपकरणों40 के लिए पहले से रिपोर्ट किए गए प्रोटोकॉल के लिए एक अद्यतन को मान्य करता है। मुनिफ एट अल से एक गैस चरण जमाव तकनीक का अनुकूलन कार्यात्मक इलेक्ट्रोड49 के साथ प्रोटोकॉल की संगतता का समर्थन करता है। गैस-चरण जमाव का उपयोग सक्रिय एमएनटीबीएपी को स्थिर करने के लिए कार्बोडिमाइड क्रॉसलिंकर रसायन विज्ञान से जुड़ी जलीय प्रतिक्रिया की तैयारी में सतह को कार्यात्मक बनाने के लिए किया जाता है। यहां विकसित हैंडलिंग पद्धति को एक मंच के रूप में प्रदान किया जाता है जिसे अन्य कोटिंग्स और इसी तरह के उपकरणों को समायोजित करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।
प्रोटोकॉल गैर-कार्यात्मक डमी जांच का उपयोग करके दृष्टिकोण को दर्शाता है जिसमें कार्यात्मक सिलिकॉन प्लानर इलेक्ट्रोड सरणियों के समान आयामों के साथ एक सिलिकॉन टांग और 3 डी मुद्रित टैब शामिल है। डिवाइस के कनेक्टर पैकेजिंग को प्रदान किए गए निर्देश में गैर-कार्यात्मक डमी जांच के 3 डी मुद्रित टैब के अनुरूप माना जाता है।
चित्रा 1: वैक्यूम डिसिकेटर में गैस-चरण जमाव के दौरान कार्यात्मक उपकरणों को संभालने के लिए 3 डी मुद्रित टुकड़े( ए) संरचना के आधार में 1 सेमी x 1 सेमी नमूना सिलिकॉन वर्गों (शीर्ष तीर) के लिए धारक और डिसिकेटर प्लेट (नीचे तीर) को सुरक्षित करने के लिए छेद शामिल हैं। (बी) प्लेट का उपयोग उपकरणों के निलंबन को सुरक्षित करने के लिए किया जाता है। यहां से, इस आंकड़े में प्रत्येक टुकड़े को टुकड़ा 1 ए या 1 बी के रूप में संदर्भित किया जाएगा। स्केल बार = 1 सेमी कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: जलीय घोल में होने वाली सतह की प्रतिक्रिया के लिए कार्यात्मक उपकरणों को संभालने के लिए 3 डी मुद्रित टुकड़े। (ए) गाइड टुकड़ा संस्कृति प्लेट के ढक्कन से चिपकाया जाना चाहिए। (बी) बेंचटॉप टुकड़े कोडांतरण करते समय टुकड़ों (सी) और (डी) को स्थिर करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। (सी) और (डी) एक साथ अच्छी तरह से प्लेट में प्लेसमेंट के लिए उपकरणों के निलंबन को सुरक्षित करते हैं, और (ई) अच्छी तरह से प्लेट ढक्कन के टुकड़ों (सी) और (डी) को सुरक्षित करते हैं। यहां से, इस आंकड़े के प्रत्येक पैनल में अलग-अलग टुकड़ों को इस आंकड़े के पैनल नंबर के अनुरूप टुकड़ा संख्या के रूप में संदर्भित किया जाएगा। स्केल बार = 1 सेमी कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
वर्णित प्रोटोकॉल सिलिकॉन प्लानर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों की सतह के उपचार के लिए डिज़ाइन किया गया था। 3 डी मुद्रित उपकरण कम प्रोफ़ाइल कनेक्टर50 के साथ मिशिगन शैली के माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणि?…
The authors have nothing to disclose.
इस अध्ययन को संयुक्त राज्य अमेरिका (यूएस) डिपार्टमेंट ऑफ वेटरन्स अफेयर्स रिहैबिलिटेशन रिसर्च एंड डेवलपमेंट सर्विस से मेरिट रिव्यू अवार्ड आईआरएक्स002611 (कैपडोना) और रिसर्च करियर साइंटिस्ट अवार्ड आईके 6 आरएक्स003077 (कैपडोना) द्वारा भाग में समर्थित किया गया था। इसके अतिरिक्त, इस काम को नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ, नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूरोलॉजिकल डिसऑर्डर एंड स्ट्रोक आर01एनएस110823 (कैपडोना / पैनक्राज़ियो), और नेशनल साइंस फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फेलोशिप प्रोग्राम (क्रेब्स) द्वारा भी समर्थित किया गया था।
1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC) | Sigma-Aldrich | 165344-1G | Solid, stored desiccated at -20 °C |
15 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-70C | |
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties | Cole-Parmer | EW-06830-66 | Length 4 inches |
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Sigma-Aldrich | 4432-31-9 | Solid |
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) | Sigma-Aldrich | 440140-100ML | Liquid, container with Sure/Seal |
50 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213-103 | |
Aluminum weighing dishes | Fisher Scientific | 08-732-102 | Diameter 66 mm |
Bel-Art Vacuum Desiccator | Fisher Scientific | 08-594-15B | |
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates | Millipore Sigma | CLS3527-100EA | 24-well plate, polystyrene |
Cyanoacrylate Adhesive | LocTite | N/A | |
Digital Microscope | Keyence | VHX-S750E | |
Disco DAD3350 Dicing Saw | Disco | DAD3350 | Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples |
Double-Sided Polyimide Tape | Kapton Tape | PPTDE-1/4 | ¼” x 36 yds. |
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound | Masterbond | EP21LVMed | Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity |
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine | Epilog | N/A | CO2 laser |
Foam tape | XFasten | N/A | 1/8" Thick |
Gamry Interface 1010E Potentiostat | Gamry | 992-00129 | |
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps | Fisher Scientific | 12-000-131 | |
Lab tape | Fisher Scientific | 15-901-10L | |
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP) | EMD Millipore | 475870-25MG | Solid, stored at -20 °C |
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC) | Sigma-Aldrich | 56485-250MG | Solid, stored desiccated at 4°C |
Platinum clad niobium mesh anode | Technic | N/A | Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension |
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel | NeuroNexus | A1x16-3mm-100-177-CM16LP | Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm |
Silicon Wafer | University Wafer | 1575 | Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade |
Silver/silver Chloride reference electrode | Gamry Instruments | 930-00015 | |
Solidworks | N/A | ||
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws | McMaster Carr | 96877A629 | #8-32, 1 1/2", fully threaded |
Type I deionized water | ChemWorld | CW-DI1-20 | |
Ultimaker 3 3D printer | Ultimaker | N/A | |
Ultimaker Cura | Ultimaker | N/A | 3D printing software |
Ultimaker NFC ABS Filament | Dynamism, Inc. | 1621 | 2.85 mm |
Ultimaker NFC PLA Filament | Dynamism, Inc. | 1609 | 2.85 mm |
Vacuum Gauge Vacuum Gauge | Measureman Direct | N/A | Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0 |
Wing nuts | Everbilt | 934917 | #8-32, zinc plated |