Yöntem makalesi

Silikon Planar İntrakkortikal Mikroelektrotların Yüzey İşlemi için Araçlar

1.7K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/63500

⸱

8 Haziran 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University, 2Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Bioengineering, The University of Texas at Dallas

Bu makalede

Özet

Mevcut protokol, gaz biriktirme ve sulu çözelti reaksiyonları yoluyla yüzey modifikasyonu işlemleri sırasında silikon düzlemsel intrakortikal mikroelektrotların işlenmesi için kullanılan araçları açıklamaktadır. Prosedür boyunca cihazları işlemek için kullanılan bileşenlerin montajı ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

Özet

İntrakortikal mikroelektrotlar büyük terapötik potansiyele sahiptir. Ancak mütevazı implantasyon sürelerinden sonra önemli performans düşüşü ile karşı karşıya kalmaktadırlar. Gözlenen düşüşe önemli bir katkıda bulunan, implantın proksimalindeki nöral dokuya verilen hasar ve ardından nöroinflamatuar yanıttır. Cihazın ömrünü uzatma çabaları, doku tepkisini iyileştirmek için cihaz yüzeyine kimyasal modifikasyonlar veya kaplama uygulamalarını içerir. Bu tür yüzey işlemlerinin geliştirilmesi tipik olarak, amaçlanan uygulama için gerekli olan elektriksel bileşenlerden yoksun fonksiyonel olmayan "kukla" problar kullanılarak tamamlanır. İşlevsel cihazlara çeviri, intrakortikal mikroelektrot dizilerinin kırılganlığı göz önüne alındığında ek dikkat gerektirir. Taşıma aletleri, özellikle uzun prosedürel süreler gerektiren modifikasyonlar için, monte edilmiş cihazlara yüzey işlemlerini büyük ölçüde kolaylaştırır. Burada açıklanan taşıma aletleri, gaz fazı biriktirme ve sulu çözeltiye maruz kalma yoluyla uygulanan yüzey işlemleri için kullanılır. Kaplamanın karakterizasyonu elipsometri ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi kullanılarak gerçekleştirilir. İşlevsel cihazlarda kaplama prosedüründen önce ve sonra elektriksel empedans spektroskopisi kayıtlarının karşılaştırılması, modifikasyonu takiben cihaz bütünlüğünü doğruladı. Açıklanan araçlar, kimyasal uyumluluğu koruyan alternatif elektrot cihazları ve arıtma yöntemleri için kolayca uyarlanabilir.

Giriş

Nöroprotez cihazları, omurilik yaralanması, Amyotrofik Lateral Skleroz (ALS), serebral palsi ve amputasyonları olanlar da dahil olmak üzere çok çeşitli hasta popülasyonlarında bozulmuş veya bulunmayan duyusal ve motor yetenekleri geri kazanmayı amaçlamaktadır 1,2,3. İntrakortikal mikroelektrotlar (IME'ler), kortikal nöronlar ile nöroprotezleri kontrol etmek için kullanılan cihazlar arasında bir iletişim yolu oluşturabilir. İntrakortikal mikroelektrotların belirgin bir avantajı, nöral sinyalleri yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlükte kaydetme yetenekleridir, bu da sonraki sinyal işleme ve beyin-bilgisayar arayüzlerinin kontrolü için tercih edilir 4,5. Ne yazık ki, intrakortikal mikroelektrotların performansı, implantasyondan sonraki aylar ila bir yıl içinde önemli ölçüde azalır 2,6,7,8. Sinyal kalitesi ve kararlılığının kaybı, teknolojinin uygulanmasını olumsuz yönde etkiler.

Gözlenen performans düşüşüne önemli bir katkıda bulunan, implantasyonla ilişkili doku hasarına ve kronik nöroinflamasyona verilen biyotik yanıttır 9,10,11. IME'lerin implantasyonu beyin dokusuna zarar verir ve reaksiyoner hücresel savunma süreçlerinin kaskadlarını başlatan sinyal moleküllerinin salınmasına neden olur. Kronik arayüz, yabancı cisim tepkisini şiddetlendirir ve cihaza proksimal dokuya zarar veren sürekli nöroinflamasyona yol açar; genellikle nöroinflamasyon, skarlaşma ve lokal nörodejenerasyon semptomları olarak kabul edilir ve sinyal kalitesinin kaydının azalmasına katkıda bulunur12,13,14,15. Sürüklenmiş aktif mikroglia ve makrofajlara sahip yoğun bir astrosit kümelenmesinden oluşan elektrodu kapsülleyen skar, azaltılmış malzeme taşınması ve enflamatuar faktörlerin lokal birikimi ile elverişsiz bir yerel ortam yaratır16,15,16,17,18.

Birçok çalışma, beynin intrakortikal mikroelektrotlara tepkisini veya yanıtı hafifletmek için yaklaşımları tanımlamıştır7. Doku tepkisini iyileştirmeye yönelik araştırma ve geliştirme, genel yapı, yüzey topolojisi, malzemeler ve kaplamalar uygulamasında değişiklikler de dahil olmak üzere bir dizi strateji içermektedir. Bu çabalar, implantasyon olayından kaynaklanan hasarı en aza indirmeyi, cihaz ile proksimal hücreler arasında daha elverişli bir arayüz oluşturmayı veya cihazlar implante edildikten sonra doku gerginliğini azaltmayı amaçlamaktadır7. Özellikle kronik biyolojik yanıtı hedef alan yöntemler, implantasyon bölgesini stabilize etmeyi ve kimyasal olarak hücre sağlığını geliştirmeyi amaçlayan çeşitli biyoaktif kaplamalara yol açmıştır. Örnekler arasında poli (etilen dioksitiyofen) (PEDOT) 19,20, karbon nanotüpler 21, hidrojeller22 gibi iletkenpolimerler ve spesifik hücresel süreçleri hedeflemek için biyoaktif moleküllerin ve ilaçların eklenmesi23,24,25 sayılabilir. Özellikle araştırma grubumuz, implante mikroelektrotlara verilen enflamatuar yanıtın azaltılmasını teşvik etmek için, cihaz implantasyonu 26 ile ilişkili travmayı en aza indirmek, cihaz / doku sertliği uyumsuzluğunu en aza indirmek 27,28,29,30,31,32,33, sterilizasyonu optimize etmek dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere birçok mekanizmayı araştırmıştır. prosedürler34,35, oksidatif stresi / hasarı azaltmak 28,36,37,38,39,40,41,42, alternatif elektrot malzemelerini keşfetmek 43 ve doğal hücre dışı matrisin nano-mimarisini taklit etmek 44,45,46 . Son zamanlarda ilgi çekici olan, mikroelektrot doku arayüzündeki nöroinflamatuar yanıtı doğrudan hafifletmek için biyomimetik yüzey kaplamalarının geliştirilmesidir39.

Arayüzün modifikasyonu, sinyal kaydı için gerekli olan yarayı ve proksimal dokuyu doğrudan hedeflemenin benzersiz yararını sunar. İmmün yanıtı şiddetlendirmeden iyileşmeyi destekleyen bir yüzey işlemi, kaliteli kayıt ömrüne fayda sağlayabilir ve intrakortikal mikroelektrotların terapötik ve araştırma potansiyelini gerçekleştirmedeki sınırlamaları ortadan kaldırabilir. Sunulan çalışma, cihazların kırılganlığını barındırırken uzun reaksiyon süreleri gerektiren mikroelektrot dizilerine yüzey işlemleri uygulamak için yöntemleri detaylandırmaktadır. Sunulan teknik, yüzey modifikasyon yöntemlerini, cihazın tedavi uygulaması boyunca kullanılamadığı fonksiyonel cihazlarla paylaşmayı amaçlamaktadır. Araçlar, işlevsel olmayan kukla probları ve fonksiyonel silikon düzlemsel mikroelektrot dizilerini işlemek için sunulmuştur.

Elektrot yüzeyini değiştirmek için sunulan yaklaşım, gaz fazı birikimi ve sulu çözeltilerle reaksiyon için fonksiyonel olmayan kukla probların veya fonksiyonel silikon düzlemsel elektrot dizilerinin güvenli bir şekilde askıya alınmasına izin verir. Bu kırılgan cihazları işlemek için birkaç 3D baskılı parça kullanılır (Şekil 1 ve Şekil 2). Mn (III) tetrakis (4-benzoik asit) porfirinin (MnTBAP) immobilizasyonunu içeren antioksidatif bir kaplama ile yüzey modifikasyonu için hem gaz hem de çözelti fazı adımlarını kullanan bir prosedüre bir örnek verilmiştir. MnTBAP, inflamasyon aracılığı47,48 gösterilmiş antioksidan özelliklere sahip sentetik bir metalloporfirindir. İşlevsel silikon düzlemsel elektrot dizileri hakkında sağlanan örnek, işlevsel olmayan cihazlar40 için daha önce bildirilen bir protokole yapılan bir güncellemeyi doğrulamaktadır. Munief ve ark.'nın bir gaz fazı biriktirme tekniğinin uyarlanması, protokolün fonksiyonel elektrotlarla uyumluluğunu destekler49. Gaz fazı birikimi, aktif MnTBAP'yi hareketsiz hale getirmek için karbodiimid çapraz bağlayıcı kimyasını içeren sulu reaksiyona hazırlık olarak yüzeyi amin işlevselleştirmek için kullanılır. Burada geliştirilen taşıma metodolojisi, diğer kaplamalara ve benzeri cihazlara uyum sağlamak için değiştirilebilen bir platform olarak sağlanmaktadır.

Protokol, fonksiyonel silikon düzlemsel elektrot dizilerine benzer boyutlara sahip bir silikon sap ve 3D baskılı sekmeden oluşan işlevsel olmayan kukla probları kullanarak yaklaşımı göstermektedir. Cihazın konektör ambalajı, verilen talimatta işlevsel olmayan kukla probun 3D baskılı sekmesine benzer olarak kabul edilir.

figure-introduction-1
Şekil 1: Bir vakum kurutucusunda gaz fazı biriktirme sırasında fonksiyonel cihazların taşınması için 3D baskılı parçalar. (A) Yapının tabanı, 1 cm x 1 cm numune silikon kareleri (üst ok) için tutucular ve kurutucu plakaya (alt ok) sabitlemek için delikler içerir. (B) Plaka, cihazların süspansiyonunu sabitlemek için kullanılır. Bundan sonra, bu şekildeki her parça parça 1A veya 1B parçası olarak anılacaktır. Ölçek çubuğu = 1 cm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-introduction-2
Şekil 2: Sulu çözeltide meydana gelen yüzey reaksiyonu için fonksiyonel cihazların taşınması için 3D baskılı parçalar. (A) Kültür plakasının kapağına yapıştırılacak kılavuz parça. (B) Montaj sırasında (C) ve (D) parçalarını stabilize etmek için kullanılan tezgah üstü parçalar. (C) ve (D) birlikte kuyu plakasına yerleştirilmek üzere cihazların süspansiyonunu sabitler ve (E) ayrıca (C) ve (D) parçalarını kuyu plakası kapağına sabitler. Bundan sonra, bu şeklin her panelindeki ayrı ayrı parçalar, bu şeklin panel numarasına karşılık gelen parça numaraları olarak anılacaktır. Ölçek çubuğu = 1 cm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

3D baskı için tüm kodlama dosyaları Ek Kodlama Dosyaları 1-16'da sağlanmaktadır. Temsili sonuçlarda sağlanan analiz, ticari olarak edinilen fonksiyonel silikon düzlemsel elektrot dizileri kullanılarak tanımlanmıştır (bkz.

1. Vakumlu kurutucuda gaz fazı biriktirme için taşıma tertibatı

NOT: Gaz fazı biriktirme sırasında cihazların taşınması ve tutulması için monte edilmiş aparatlar Şekil 3'te gösterilmiştir. Adım 1.1-1.8, cihazların biriktirilmek üzere aparata yerleştirilmesi için gereken prosedürü açıklar (Şekil 4A).

figure-protocol-1
Şekil 3: Gaz fazı biriktirme sırasında fonksiyonel cihazların taşınması için 3D baskılı parçaların montajı. Montaj, kaplanacak numuneler olmadan resmedilmiştir. Vidalar ve kanat somunları, 1A ve 2B parçalarını birbirine sabitlemek için kullanılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-2
Şekil 4: Kaplanacak numunelerin montajı ve yerleştirilmesi görüntüsü. Bu şema, bir vakum kurutucusu içinde sabitlenmiş gaz fazı biriktirme sırasında fonksiyonel cihazların kullanımını açıklar. (A) Parça 1A'ya yerleştirilen çift taraflı poliimid bant ve 1B üzerine yerleştirilmiş köpük bant. (B) Bant üzerine sabitlenmiş cihazlar. (C) 1B ila 1A parçalarını sabitlemek için vidalar ve kanat somunları kullanılır ve düzenek, fermuarlı kablo bağları (kırmızı oklar) kullanılarak kurutucu tepsisine tutturulur. (D) 1 cm x 1 cm silikon kare numuneler ilgili tutuculara yerleştirilir. (E) Alüminyum tartım kabı ve basınç göstergesi, kurutucuya gösterilen yönde yerleştirilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

  1. Yüzey işlemi için, cihazların substrat malzemesinden 1 cm x 1 cm kare numuneler alın.
    1. Silikon numuneleri için (bu protokol için seçilmiştir), silikon gofreti bir gofret doğrama makinesi kullanarak 1 cm x 1 cm kareler halinde kesin (bkz.
  2. 1A (Şekil 1A, Ek Kodlama Dosyası 1, Ek Kodlama Dosyası 2) ve 1B (Şekil 1B, Ek Kodlama Dosyası 3, Ek Kodlama Dosyası 4) parçalarını yazdırın veya edinin.
  3. Çift taraflı poliimid bandı parça 1A'ya takın ve parça 1B'ye tek taraflı yapıştırıcı ile 1/8 "kalınlığında köpük şerit takın.
  4. Cihazın konektör ambalajını parça 1A'daki banda yapıştırın.
    NOT: Konektörün bant üzerindeki ideal yönü, Şekil 4B'de gösterildiği gibi sapı kenar üzerinde asılı bırakacaktır.
  5. Parça 1A ve parça 1B'yi birlikte sabitleyin (Şekil 4C). Delikleri hizalayın ve paslanmaz çelik vidalar ve kanat somunları kullanarak sabitleyin (bkz.
  6. Fermuarlı bağlar kullanarak, Şekil 4C'de gösterildiği gibi parça 1A'nın altındaki delikleri kullanarak tertibatı vakum kurutucu tepsisine sabitleyin.
  7. Mümkünse, kare malzeme örneklerini çerçevenin altındaki yarıklara yerleştirin (Şekil 4D). Burada örnek olarak 1 cm x 1 cm kare silikon gofret doğranmış örnekler kullanılmıştır.
    NOT: Tam malzemenin, cihaza bağlı olarak değişecek olan işlenmiş cihazın substratıyla eşleşmesi gerekecektir.
  8. Çözeltiyi, güvenli tertibatın karşısındaki vakum kurutucusu içinde uygun bir kaba yerleştirerek ve güvenli tertibata uygun olarak gaz fazı biriktirmeyi tamamlayın.
    NOT: Alüminyum tartım tabakları, burada örnek olarak (3-Aminopropil) trietoksisilan (APTES) birikimi için kap olarak kullanılmıştır.
    1. Tam basıncı kaydetmek için kurutucunun içine bir vakum göstergesi yerleştirin (bkz. Kurutucu kapağının portunu güvenli tertibatın yanına ve çözeltiye uygun olarak konumlandırın (Şekil 4E).
      NOT: Bu gaz fazı biriktirme yöntemiyle ilgili daha fazla ayrıntı, daha önce yayınlanmış bir Referans49'da açıklanmıştır.

2. Sulu çözelti yoluyla yüzey reaksiyonu için taşıma tertibatı

NOT: Sulu faz biriktirme ve yüzey işlemi sırasında cihazların taşınması ve tutulması için bileşenler ve monte edilmiş aparatlar Şekil 5-7'de gösterilmiştir. Aşağıdaki adımlar, cihazları biriktirme ve tedavi için aparata yerleştirmek için gereken prosedürü detaylandıracaktır.

figure-protocol-3
Şekil 5: Sulu çözeltide meydana gelen yüzey reaksiyonu için fonksiyonel cihazların taşınması için 3D baskılı parçaların montajı . (A) Kültür plakasının kapağına yapıştırılacak kılavuz parça. (B) Masaüstü parça, montaj sırasında (C) ve (D) parçalarını stabilize etmek için kullanılmıştır. (C) ve (D) birlikte, kuyu plakasına yerleştirilmek üzere cihazların süspansiyonunu güvence altına alır. (E) (C) ve (D) parçalarını kuyu plakası kapağına daha fazla sabitler. Çift taraflı poliimid bant (C)'nin alt kısmına yerleştirildi ve köpük bant (D) nin alt kısmına yerleştirildi (her ikisi de kırmızı kutulu). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-4
Şekil 6: 6 kılavuzlu hücre kültürü plaka kapağı (parça 2A). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-5
Şekil 7: Çözelti reaksiyonu için probların emniyete alınması ve yüklenmesi için sıra. Parçaların rengi, görüntüdeki netlik için bu şekilde değiştirildi. Bunlar Şekil 5 ve Şekil 6 ile aynı parçalardır. (A) Parça 2C, parça 2B'ye yerleştirilir ve cihaz, 2C'nin bantlanmış kısmına sabitlenir. (B) Parça 2D, cihaz sapını askıya alan bir montaj oluşturmak için parça 2C'ye sığar. (C) 2C, 2D ve cihazın montajı, kılavuz kullanılarak kuyu plakasının kapağına dikkatlice yerleştirilir. (D) Parça 2E, kapağı daha da sabitlemek için montajın üstüne oturur. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

  1. Cihazın elektrot dizisini çözelti içinde askıya almak için kuyu plakası için bir kapak oluşturun (Şekil 6). Bu protokol, 24 delikli bir plakanın kullanımını açıklar.
    1. Dikdörtgen delikleri 19 mm x 10,5 mm boyutlarında, bir lazer kesici kullanarak veya bir kutu kesici ile manuel olarak kuyu plakasının kapağına kesin. Delik sayısını tedavi için istenen cihaz sayısıyla eşleştirin.
      NOT: Montaj kolaylığı için, kuyu plakası başına altı cihazın işlenmesi veya en azından bitişik olmayan kuyucukların üzerine delikler yerleştirilmesi önerilir (Şekil 6).
    2. Uygun sayıda kılavuzu yazdırın veya edinin (parça 2A (Şekil 2A), Ek Kodlama Dosyası 5, Ek Kodlama Dosyası 6).
    3. Kılavuzları kapağa sabitlemek için siyanoakrilat yapıştırıcı kullanın. Kılavuzların dikdörtgen deliğinin Şekil 6'da gösterildiği gibi tıkanmadığından emin olmak için yapıştırma sırasında kılavuzlardaki ve kapaklardaki dikdörtgen delikleri hizalayın.
  2. Kuyu plakasını, işlemin gerçekleşeceği yerlerde istediğiniz çözelti ile doldurun. Örneğin, çözelti MES tamponunda EDC ve Sulfo-NHS'den (bkz. Malzeme Tablosu) oluşur.
    NOT: Çözeltinin hacmi, elektrot cihazının boyutlarına bağlı olacaktır. Michigan tarzı mikroelektrot dizileri için (bkz. Malzeme Tablosu) 8,6 mm'lik düşük profilli konektörlere ve 3 mm'lik şaft uzunluğuna sahip ~9 mm boşluk50'dir. 2 mL'lik çözeltinin kullanılması, cihazın sapının tamamen suya batırılmasını sağlarken, cihazın geri kalanını reaksiyon çözeltisinden uzak tutacaktır.
    1. Yüzey işlemini doğrulamak için substrat numuneleri kullanılıyorsa, kare malzeme numunelerini plakanın bir kuyucuğuna yerleştirin ve reaksiyon çözeltisine batırın.
  3. Cihazları bir kuyu kapağında güvenli bir şekilde askıya alın (bkz. Malzeme Tablosu). Sıralama Şekil 7'de gösterilmiştir.
    1. Bant parçası 2B (Şekil 2B, Ek Kodlama Dosyası 7, Ek Kodlama Dosyası 8) bir tezgaha (Şekil 7A).
    2. Parça 2C'nin tabanını örtmek için çift taraflı poliimid bant yerleştirin (Şekil 2C, Ek Kodlama Dosyası 9, Ek Kodlama Dosyası 10).
    3. Parça 2D'nin tabanını örtmek için tek taraflı yapıştırıcılı 1/8" köpük bant yerleştirin (Şekil 2D, Ek Kodlama Dosyası 11, Ek Kodlama Dosyası 12).
    4. Parça 2C'yi parça 2B'nin oluğuna yerleştirin (Şekil 7A).
    5. Cihazın konektör ambalajını, cihaz sapının uzunluğu askıya alınacak şekilde yönlendirilmiş bandın üzerine yapıştırın (Şekil 7B).
    6. Cihazı parça 2D'yi ( Şekil 7'de turuncu renkle gösterilmiştir) parça 2C'ye kaydırarak sabitleyin. Bu tertibat, cihazı takım parçaları arasında etkili bir şekilde sabitler (Şekil 7B).
    7. Montajın kenarlarını tutarak, parça 2A'dan çıkarmak için dikkatlice kaldırın.
    8. 2C ve 2D parçaları üzerindeki dışa bakan yarım daireleri, parça 2A'daki ilgili kılavuzlarla hizalayarak tertibatı kapağa takın ( Şekil 7C'de yeşil renkle gösterilmiştir).
    9. Kılavuzların üzerine parça 2E'ye (Şekil 2E) basarak güvenli montaj yerleşimi (Şekil 7D, Ek Kodlama Dosyası 13, Ek Kodlama Dosyası 14'te yeşil renkle gösterilmiştir).
    10. Çözeltinin sürekli karıştırılmasından fayda sağlayan reaksiyonlar için, kuyu plakasını çalkalayın. Monte edilmiş kuyu plakasını bir çalkalayıcı tablasına aktarın ve 100 rpm'nin altındaki hızlarda çalıştırın.
  4. Birden fazla çözelti bazlı reaksiyon veya yıkama adımı isteniyorsa, kapağı uygun kuyucuklara dağıtılan istenen çözelti (ler) ile dikkatlice yeni bir kuyu plakasına aktarın.
    NOT: Adım 2.4 isteğe bağlıdır.
  5. Cihazları kuyu plakasından çıkarın.
    1. Bir tezgah üstüne bant parçası 2B.
    2. 2E parçasını kapaktan çıkarın.
    3. Cihazı tutan tertibatı kuyu plakasından dikkatlice çıkarın.
    4. Düzeneği, parça 2C tezgaha ve parça 2D'ye bakacak şekilde yukarı bakacak şekilde yönlendirin. Cihazın sapının tezgaha paralel olması gerekir. Montajın 2C parçasını, montajı bir araya getirirken daha önce tamamlandığı gibi (adım 2.3.4) parça 2B'ye yerleştirin.
    5. 2D parçasını 2C parçasından dikkatlice ayırarak ayırın. Bu görev için stabilite sağlamak için tezgaha parça 2C'nin tırnaklarına hafif bir basınç uygulayın.
      NOT: Bu kullanımı kolaylaştırmak için 2C'nin tırnakları 2B'ninkinden daha uzundur.
    6. Banddan çıkarmak ve cihazı istenen saklama kabına aktarmak üzere cihazın konektör ambalajını tutmak için forseps kullanın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Taşıma bileşenlerinin kullanımını göstermek için, bir oksidan mediatörün immobilizasyonunu aktif silikona uyarlamak için açıklanan metodoloji uygulanmıştır. Bu kimyanın oksidatif stresi azaltmak için IME'lere uygulanması, Potter-Baker ve ark. tarafından tasarlanmış ve fonksiyonel olmayan silikon kukla problar40 üzerinde gösterilmiştir. Bu yüzey işlemi, antioksidan MnTBAP'ı, amin fonksiyonelleştirmesi yoluyla UV / ozon ile aktive edilmiş silikon yüzeyine ve ardından karbodiimid çapraz bağlama kimya...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Tanımlanan protokol, silikon düzlemsel mikroelektrot dizilerinin yüzey işlemi için tasarlanmıştır. 3D baskılı araçlar, düşük profilli konektörlere sahip Michigan tarzı mikroelektrot dizileri için özelleştirilmiştir50. İşlevsel olmayan problar, biyouyumlu bir yapıştırıcı kullanılarak 3D baskılı tırnaklara bir silikon prob yapıştırılarak monte edildi. 3D baskılı sekmeler, kullanılan ticari olarak temin edilebilen cihazlara dahil edilen konektörlere benzer boyutlarda tasarlanmıştır. 3B yazdırılan sek...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

İçerikler, ABD Gazi İşleri Bakanlığı, Ulusal Sağlık Enstitüleri veya ABD Hükümeti'nin görüşlerini temsil etmemektedir.

Teşekkürler

Bu çalışma kısmen Amerika Birleşik Devletleri (ABD) Gazi İşleri Bakanlığı Rehabilitasyon Araştırma ve Geliştirme Servisi'nden Merit Review Award IRX002611 (Capadona) ve Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) tarafından desteklenmiştir. Ek olarak, bu çalışma kısmen Ulusal Sağlık Enstitüsü, Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü R01NS110823 (Capadona / Pancrazio) ve Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Burs Programı (Krebs) tarafından da desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1- [3- (Dimetilamino) propil] -3-etilkarbodiimid metiyodür (EDC)Sigma-Aldrich165344-1GKatı, -20 ° C'de kurutulur; C
15 mL Konik Santrifüj TüpleriFisher Scientific14-959-70C
18 Pound Katı Naylon Kablo / Fermuar BağlarıCole-ParmerEW-06830-66Uzunluk 4 inç
2- (N-Morfolino) etansülfonik asit (MES)Sigma-Aldrich4432-31-9Katı
3-aminopropiltrietoksisilan (APTES)Sigma-Aldrich440140-100MLSıvı, Kesin / Mühür
50 mL Konik Santrifüj TüpleriFisher Scientific14-959-49A
Alüminyum folyoFisher Scientific01-213-103
Alüminyum tartı kaplarıFisher Scientific08-732-102Çap 66 mm
Bel-Art Vakumlu KurutucuFisher Scientific08-594-15B
Corning Costar TC ile İşlenmiş Çoklu Kuyu PlakalarıMillipore SigmaCLS3527-100EA24 oyuklu plaka, polistiren
Siyanoakrilat YapıştırıcıLocTiteN/A
Dijital MikroskopKeyenceVHX-S750E
Disko DAD3350 Dicing SawDiskoDAD3350Silikon gofreti 1 cm x 1 cm numunelere kesmek için kullanılır
Çift Taraflı Poliimid BantKapton BantPPTDE-1/4¼ ” x 36 YDS.
EP21LVMed – düşük viskoziteli, iki bileşenli epoksi bileşiğiMasterbondEP21LVMed, USP Sınıf VI sertifikasını karşılar, sitotoksisite için ISO 10993-5'i geçer
Epilog Fusion Pro 48 Lazer MakinesiEpilogN/ACO2 lazer
Köpük bantXFastenN/A1/8" Kalın
Gamry Arayüzü 1010E PotansiyostatGamry992-00129
Yüksek hassasiyetli 45 & derece kavisli konik çok ince uçlu cımbız / forsepsFisher Scientific12-000-131
Laboratuvar bandıFisher Scientific15-901-10L
Mn (III) tetrakis (4-benzoik asit) porfirin (MnTBAP)EMD Millipore475870-25MGKatı, -20 ° C'de saklanır; C
N-Hidroksisülfosüksinimid sodyum tuzu, & ge; % 98 (HPLC)Sigma-Aldrich56485-250MGKatı, 4 ° C'de kurutulur; C
Platin kaplı niyobyum örgü anotTeknikN / A125 & mu ile kaplı; ” bir tarafta platin, (1) 1" ile titanyum çerçeveli x 6 inç Bir adet 6" ortalanmış titanyum kayış boyut
Silikon Düzlemsel Mikroelektrot Dizisi, 16 KanalNeuroNexusA1x16-3mm-100-177-CM16LPElektrot saha malzemesi iridyum, sap kalınlığı 15 μ m
Silikon GofretÜniversitesi Gofret1575Çap 100 mm, p-tipi, bor katkılı, 100 yönelimli, direnç 0.01-0.02 Ohm-cm, kalınlık 525 um, tek tarafı cilalı, birinci sınıf
Gümüş/gümüş Klorür referans elektroduGamry Instruments930-00015
Solidworks/A
Paslanmaz Çelik Phillips Düz Başlı VidalarMcMaster Carr96877A629#8-32, 1 1/2", tam dişli
Tip I deiyonize suChemWorldCW-DI1-20
Ultimaker 3 3D yazıcıUltimaker  N/A
Ultimaker CuraUltimakerN/A3D baskı yazılımı
Ultimaker NFC ABS FilamentDynamism, Inc.16212.85 mm
Ultimaker NFC PLA FilamentDinamizm, Inc.16092.85 mm
Vakum Ölçer Vakum ÖlçerDoğrudanYokGliserin Dolgulu, 2-1 / 2" Arama Boyutu, ¼ ” NPT, -30 inç Hg /-100kpa-0
Kelebek somunlarEverbilt934917# 8-32, çinko kaplama
N

Kaynaklar

  1. Donoghue, J. Bridging the brain to the world: A perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  2. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 398 (10081), 1821-1830 (2017).
  3. Ereifej, E. S., et al. Neural engineering: the process, applications, and its role in the future of medicine. Journal of Neural Engineering. 16 (6), 063002(2019).
  4. Nicolas-Alonso, L. F., Gomez-Gil, J. Brain computer interfaces, a review. Sensors (Basel). 12 (2), 1211-1279 (2012).
  5. Leuthardt, E. C., Schalk, G., Moran, D., Ojemann, J. G. The emerging world of motor neuroprosthetics: a neurosurgical perspective. Neurosurgery. 59 (1), 1-14 (2006).
  6. Barrese, J. C., et al. Failure mode analysis of silicon-based intracortical microelectrode arrays in non-human primates. Journal of Neural Engineering. 10 (6), 066014(2013).
  7. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001(2015).
  8. Prasad, A., et al. Comprehensive characterization and failure modes of tungsten microwire arrays in chronic neural implants. Journal of Neural Engineering. 9 (5), 056015(2012).
  9. Hermann, J. K., Capadona, J. R. Understanding the role of innate immunity in the response to intracortical microelectrodes. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 46 (4), 341-367 (2018).
  10. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 35 (28), 8049-8064 (2014).
  11. Sawyer, A. J., et al. The effect of inflammatory cell-derived MCP-1 loss on neuronal survival during chronic neuroinflammation. Biomaterials. 35 (25), 6698-6706 (2014).
  12. Prasad, A., Sanchez, J. C. Quantifying long-term microelectrode array functionality using chronic in vivo impedance testing. Journal of Neural Engineering. 9 (2), 026028(2012).
  13. Salatino, J. W., Ludwig, K. A., Kozai, T. D. Y., Purcell, E. K. Glial responses to implanted electrodes in the brain. Nature Biomedical Engineering. 1 (11), 862-877 (2017).
  14. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003(2009).
  15. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  16. Carnicer-Lombarte, A., Chen, S. T., Malliaras, G. G., Barone, D. G. Foreign body reaction to implanted biomaterials and its impact in nerve neuroprosthetics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9, 622524(2021).
  17. Roitbak, T., Sykova, E. Diffusion barriers evoked in the rat cortex by reactive astrogliosis. Glia. 28 (1), 40-48 (1999).
  18. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
  19. Cui, X., Martin, D. C. Electrochemical deposition and characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on neural microelectrode arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 89 (1), 92-102 (2003).
  20. Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film. Journal of Neural Engineering. 3 (1), 59-70 (2006).
  21. Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F., Gross, G. W. Carbon nanotube coating improves neuronal recordings. Nature Nanotechnology. 3 (7), 434-439 (2008).
  22. Kim, D. -H., Wiler, J. A., Anderson, D. J., Kipke, D. R., Martin, D. C. Conducting polymers on hydrogel-coated neural electrode provide sensitive neural recordings in auditory cortex. Acta Biomaterialia. 6 (1), 57-62 (2010).
  23. He, W., McConnell, G. C., Bellamkonda, R. V. Nanoscale laminin coating modulates cortical scarring response around implanted silicon microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 3 (4), 316-326 (2006).
  24. Azemi, E., Lagenaur, C. F., Cui, X. T. The surface immobilization of the neural adhesion molecule L1 on neural probes and its effect on neuronal density and gliosis at the probe/tissue interface. Biomaterials. 32 (3), 681-692 (2011).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106 (3), 309-318 (2005).
  26. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 034001(2018).
  27. Bedell, H. W., et al. Understanding the effects of both CD14-meditated innate immunity and device/tissue mechanical mismatch in the neuroinflammatory response to intracortical microelectrodes. Frontiers in Neuroscience. 12, 772(2018).
  28. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  29. Sridharan, A., Nguyen, J. K., Capadona, J. R., Muthuswamy, J. Compliant intracortical implants reduce strains and strain rates in brain tissue in vivo. Journal of Neural Engineering. 12 (3), 036002(2015).
  30. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014(2014).
  31. Harris, J. P., et al. In vivo deployment of mechanically adaptive nanocomposites for intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046010(2011).
  32. Shoffstall, A. J., et al. Characterization of the neuroinflammatory response to Thiol-ene/Acrylate shape memory polymer coated intracortical microelectrodes. Micromachines. 10, 486(2018).
  33. Simon, D. M., et al. Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 105 (1), 159-168 (2017).
  34. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry. B. 2 (17), 2517-2529 (2014).
  35. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 160331(2017).
  36. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 6 (9), 1-12 (2018).
  37. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34 (29), 7001-7015 (2013).
  38. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2209-2222 (2014).
  39. Potter-Baker, K. A., Capadona, J. R. Reducing the "stress": Antioxidative therapeutic and material approaches may prevent intracortical microelectrode failure. ACS Macro Letters. 4 (3), 275-279 (2015).
  40. Potter-Baker, K. A., et al. Development of superoxide dismutase mimetic surfaces to reduce accumulation of reactive oxygen species for neural interfacing applications. Journal of Materials Chemistry B. 2 (16), 2248-2258 (2014).
  41. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily antioxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046002(2015).
  42. Kim, Y., et al. Ventricular delivery of resveratrol improves microelectrode recording performance and reduces oxidative stress. Micromachines. 12, 1446(2021).
  43. Deku, F., et al. Amorphous silicon carbide ultramicroelectrode arrays for neural stimulation and recording. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016007(2018).
  44. Ereifej, E. S., et al. The neuroinflammatory response to nanopatterning parallel grooves into the surface structure of intracortical microelectrodes. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1704420(2018).
  45. Kim, Y., et al. Nano-architectural approaches for improved intracortical interface technologies. Frontiers in Neuroscience. 12, 456(2018).
  46. Mahajan, S., et al. Towards standardization of electrophysiology and computational tissue strain in rodent intracortical microelectrode models. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 416(2020).
  47. Suresh, M. V., et al. The protective role of MnTBAP in oxidant-mediated injury and inflammation in a rat model of lung contusion. Surgery. 154 (5), 980-990 (2013).
  48. Liu, D., Shan, Y., Valluru, L., Bao, F. Mn (III) tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin scavenges reactive species, reduces oxidative stress, and improves functional recovery after experimental spinal cord injury in rats: comparison with methylprednisolone. BMC Neuroscience. 14 (1), 23(2013).
  49. Munief, W. M., et al. Silane deposition via gas-phase evaporation and high-resolution surface characterization of the ultrathin siloxane coatings. Langmuir. 34 (35), 10217-10229 (2018).
  50. Hoogerwerf, A. C., Wise, K. D. A three-dimensional microelectrode array for chronic neural recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 41 (12), 1136-1146 (1994).
  51. Staros, J. V., Wright, R. W., Swingle, D. M. Enhancement by N-hydroxysulfosuccinimide of water-soluble carbodiimide-mediated coupling reactions. Analalytical Biochemistry. 156 (1), 220-222 (1986).
  52. Yuan, X., Wolf, N., Mayer, D., Offenhausser, A., Wordenweber, R. Vapor-phase deposition and electronic characterization of 3-Aminopropyltriethoxysilane self-assembled monolayers on silicon dioxide. Langmuir. 35 (25), 8183-8190 (2019).
  53. Montgomery, D. C. Design and Analysis of Experiments. Eighth edition. , John Wiley & Sons, Inc. (2013).
  54. Shoffstall, A. J., Capadona, J. R. Bio-inspired materials and systems for neural interfacing. Current Opinions in Biomedical Engineering. 6, 110-119 (2018).
  55. Skousen, J. L., Tresco, P. A. Neuroprosthetics. Theory and Practice 2nd Edition. , 259-299 (2017).
  56. Michelson, N. J., et al. multi-modal analysis uncovers complex relationship at the brain tissue-implant neural interface: new emphasis on the biological interface. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 033001(2018).
  57. Hofmann, U. G., Capadona, J. R. Editorial: Bridging the gap in neuroelectronic interfaces. Frontiers in Neuroscience. 14, 457(2020).
  58. Usoro, J., Sturgill, B., Musselman, K., Capadona, J. R., Pancrazio, J. J. On the definition of 'chronic' for intracortical microelectrode array applications. Micromachines. 12 (8), 972(2021).
  59. Thompson, C. H., Saxena, A., Heelan, N., Salatino, J., Purcell, E. K. Spatiotemporal patterns of gene expression around implanted silicon electrode arrays. Journal of Neural Engineering. 18 (4), 1741(2021).
  60. Golabchi, A., Woeppel, K. M., Li, X., Lagenaur, C. F., Cui, X. T. Neuroadhesive protein coating improves the chronic performance of neuroelectronics in mouse brain. Biosensors and Bioelectronics. 155, 112096(2020).
  61. Zheng, X. S., et al. A superoxide scavenging coating for improving tissue response to neural implants. Acta Biomaterialia. 99, 72-83 (2019).
  62. Lee, H. C., et al. Foreign body response to intracortical microelectrodes is not altered with dip-coating of Polyethylene Glycol (PEG). Frontiers in Neuroscience. 11, 513(2017).
  63. Boehler, C., et al. Actively controlled release of Dexamethasone from neural microelectrodes in a chronic in vivo study. Biomaterials. 129, 176-187 (2017).
  64. Hess, A. E., et al. Development of a stimuli-responsive polymer nanocomposite toward biologically optimized, MEMS-based neural probes. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (5), 054009(2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Gaz Faz BiriktirmeSulu zelti MaruziyetiCihaz Tutma Ara larElektriksel Empedans SpektroskopisiX I n Fotoelektron SpektroskopisiElipsometri AnaliziAmin Fonksiyonelle tirmeKarbodimid apraz Ba lanma

İlgili makaleler