Einfügen von Flexible Neural Sonden mit starren Versteifungen Biodissolvable mit Klebstoff befestigt

Zusammenfassung

Einführen des flexiblen neuralen Mikrosonden durch Anbringen Sonden starre Versteifungen mit Polyethylenglykol (PEG) aktiviert. Eine einzigartige Montageprozess gewährleistet eine einheitliche und wiederholbare Anhang. Nach dem Einführen in das Gewebe löst sich das PEG und das Versteifungselement herausgezogen. Ein in vitro-Testverfahren beurteilt die Technik in Agarosegel.

Zusammenfassung

Mikroelektroden-Arrays für neuronale Interface-Geräte, die von biokompatiblen Dünnschicht-Polymer hergestellt werden, werden erwartet, um funktionelle Lebensdauer verlängert haben, weil das flexible Material kann negative Gewebereaktion durch Mikrobewegungen zu minimieren. , Jedoch verhindert, dass sie ihre Flexibilität aus, die genau in das Nervengewebe eingesetzt. Dieser Artikel beschreibt eine Methode, um vorübergehend befestigen ein flexibles Mikrosonde an einem starren Versteifung mit biodissolvable Polyethylenglykol (PEG), um präzise, ​​chirurgische Einführen der Sonde zu erleichtern. Eine einzigartige Versteifungs Design ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der PEG-Klebstoff entlang der Länge der Sonde. Flip-Chip-Bonden, ein übliches Werkzeug in der Mikroelektronik Verpackung, ermöglicht eine genaue und wiederholbare Ausrichtung und Befestigung der Sonde an der Versteifung. Die Sonde und Versteifung werden chirurgisch implantiert zusammen, dann ist die PEG wird sich auflösen, so dass die Versteifung extrahiert werden, so dass die Sondean Ort und Stelle. Schließlich wird ein in vitro-Testverfahren verwendet werden, um Versteifungs Extraktion in einem Agarosegel Modell des Hirngewebes zu beurteilen. Für mehr flexible Sonden besonders vorteilhaft hat sich dieser Ansatz der Implantation nachgewiesen (> 3 mm). Es stellt auch eine praktikable Methode, um zweiseitige flexible Sonden implantieren. Bisher wurde die Technik verwendet, um verschiedene In-vivo-Aufnahme von Daten aus der Rattenhirnrinde zu erhalten.

Einleitung

Mikroelektroden-Arrays sind ein unverzichtbares Werkzeug in den Neurowissenschaften sowie neue klinische Anwendungen wie Prothetik. Insbesondere, durchdringenden Mikroelektrodensonden ermöglichen Stimulation und Ableitung neuronaler Aktivität durch den engen Kontakt mit den Zellen im Gehirn, Rückenmark und peripheren Nerven. Eine große Herausforderung für implantierten neuronalen Sonden ist die Stabilität und Langlebigkeit der Stimulation und Aufnahme-Funktionen. Modellierung und experimentelle Untersuchungen über die Wechselwirkung zwischen Mikrosonden und Nervengewebe haben vorgeschlagen, dass ein Mechanismus zum Abbau Mikroreißen von Nervengewebe aufgrund einer geringfügigen Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Gewebe ^1-3. Eine Lösung ist die flexible Sonden, die stärker die Großsteifigkeitseigenschaften von Nervengewebe, um eine relative Mikrobewegung zu minimieren entsprechen herzustellen. Als solche haben biokompatiblen Dünnschicht Polymere, wie Polyimid, Parylene und als Substrate für günstige Mikroelektronik übernommentrode Sonden ^4-8.

Ein Kompromiss von flexiblen Sonden ist, dass sie schwer in das neuronale Gewebe einzufügen sind. Forscher haben verschiedene Ansätze verfolgt, um die Einführung von flexiblen Sonden ermöglichen, unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften wünschenswert. Eine Klasse von Designs modifiziert die Polymersondengeometrie, um die Steifigkeit in bestimmten Abschnitten oder Achsen zu erhöhen, während in anderen Teilen der Einhaltung. Dies wurde durch den Einbau von Rippen oder Schichten aus anderen Materialien ^9,10 erreicht. Ein weiterer Ansatz integriert ein 3-D-Kanal in die Polymersondenkonstruktion, die mit biologisch abbaubaren Material ¹¹ gefüllt ist. Diese Sonde kann vorübergehend versteift werden, und nach dem Einführen des Materials in den Kanal löst und abfließt. Jedoch solche Verfahren, die die Geometrie des endgültigen implantierten Vorrichtung permanent ändern können einige der wünschenswerten Eigenschaften der flexiblen Sonde beeinträchtigen.

Eine Methode, die funktioniert not den endgültigen Sondengeometrie zu verändern ist, um die Polymervorrichtung mit biologisch abbaubarem Material, die Vorrichtung ^12-14 vorübergehend versteifen kapseln. Jedoch haben typische biologisch abbaubaren Materialien Elastizitätsmodule um Größenordnungen kleiner als die von Silizium und würde folglich erfordern größere Dicke, um die gleiche Steifigkeit zu erreichen. Ausreichend Beschichtung kann die Sonde in einer abgerundeten oder stumpfen Spitze führen, was Einsetzen schwieriger. Da lösliche Beschichtungen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr, dass sie unmittelbar nach dem Kontakt Auflösen oder auch nahe, mit dem Gewebe.

Eine weitere Klasse von Methoden verwendet neuartige Sonde Substratmaterialien, die nach der Implantation in das Gewebe in der Steifigkeit zu reduzieren. Solche Materialien umfassen Formgedächtnispolymere ¹⁵ und eine mechanisch adaptive ^{Nanokomposit-16.} Diese Materialien sind in der Lage, E-Modul deutlich nach dem Einsetzen zu verringern, und können Sonden, die enger matC führenh die mechanischen Eigenschaften des Nervengewebes. Allerdings ist die erzielbare Reichweite der Steifigkeit noch begrenzt, so dass sie nicht in der Lage, sehr hohe Steifigkeit entspricht Silizium-oder Wolframdrähten bereitzustellen. So ist in dem Fall von flexiblen Sonden, die sehr lange (z. B.> 3 mm), oder dass eine extrem geringe Steifigkeit sind, kann ein Verfahren zum zeitweiligen Anbringen eines starren Versteifungs noch erforderlich.

Noch ein weiteres vielversprechendes Verfahren berichtet, ist die Beschichtung ein Versteifungs Shuttle mit einem Permanentselbstorganisierende Monoschicht (SAM), die Oberflächenwechselwirkung zwischen dem Shuttle und der flexiblen Sonde ¹⁷ anpassen. Wenn es trocken ist, hält sich die Sonde auf die elektrostatisch beschichtet Shuttle. Nach dem Einführen wandert Wasser auf der hydrophilen Oberfläche, Abtrennen der Sonde von der Shuttle, so dass der Shuttle extrahiert werden. Shuttle-Extraktion mit reduziertem Hubraum Sonde nachgewiesen (85 um). Doch mit nur elektrostatische Wechselwirkungen Halten der Sonde zu ter-Shuttle, besteht das Risiko von Sonden Schlupf relativ zum Shuttle vor und während der Einführung.

Wir haben ein Verfahren, bei dem die flexible Sonde mit einer Versteifung mit einem temporären biodissolvable Klebematerial, das sicher hält die Sonde während des Einführens angebracht entwickelt. Die verwendeten Sonden waren aus Polyimid, das ein Elastizitätsmodul in der Größenordnung von 2-4 GPa aufweist. Die Versteifung aus Silizium hergestellt ist, mit einem Elastizitätsmodul von ca. 200 GPa. Wenn angebracht, die Steifigkeit des Silizium dominiert, das Einführen. Sobald sie in das Gewebe eingeführt wird, löst das Haftmaterial und das Verstärkungs extrahiert wird, um die Sonde in die Ausgangs Flexibilität wiederherzustellen. Wir wählten Polyethylenglykol (PEG) als biodissolvable Klebstoff. PEG wurde in implantierten Anwendungen wie neuronale Sonden, Tissue Engineering und Drug-Delivery ^11,18,19 verwendet. Einige Beweise hat vorgeschlagen, dass PEG kann neuroinflammatorischen Antwort in Gehirn dämpfenGewebe ^18,20. Im Vergleich zu anderen möglichen Materialien, einschließlich Saccharose, Polymilchsäure-co-Glykolsäure (PLGA) und Polyvinylalkohol (PVA), PEG hat eine Auflösungszeit in biologischen Flüssigkeiten, der aus einem geeigneten Maßstab für viele Implantat Operationen ist (in der Größenordnung von zehn Minuten, je nach Molekulargewicht). Darüber hinaus ist es bei Raumtemperatur fest und flüssig bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 65 ° C. Diese Eigenschaft macht sie besonders geeignet für unsere Präzisionsmontageprozesses. In ¹⁷ außerdem ähnlich dem SAM beschrieben, ist die hydrophile PEG gelöst, Erleichterung der Extraktion des Versteifungs. Diese vorteilhafte Ansatz wird durch ein neuartiges Design und methodische Versteifung Montageprozess die eine gleichmäßige Klebeabdeckung und genaue und wiederholbare Ausrichtung zu gewährleisten aktiviert. Zusätzlich zu den Montageprozess, präsentieren wir die Methode der Durchführung des entfernbaren Versteifungs während der Operation sowie ein in vitro-Verfahren zur Extraktion der STI auswertenffener.

Die hier vorgestellte Protokoll geht davon aus, dass der Benutzer eine flexible Polymermikrosonde besitzt. Der Teil des Protokolls über die Herstellung der Versteifung und Montage dieser Sonde zu einer Versteifung nimmt Zugriff auf gemeinsame Werkzeuge in einer Mikroanlage gefunden. Das Protokoll über die Steck-und Zieh würde wahrscheinlich in einem Neuroorientierten Labor durchgeführt werden.

Protokoll

1. Versammlung der Sonde an Stiffener

Dieser Abschnitt des Protokoll beschreibt die Herstellung eines Silizium Aussteifung und die Anordnung eines Dünnfilm-Polymer Sonde mit der Versteifung. Fig. 1 zeigt eine typische Polymer neuronalen Sonde zusammen mit der vorgeschlagenen Versteifungselement. Die Einzelheiten des Versteifungs Design sind in Abbildung 2 dargestellt. Das neue Merkmal dieser Konstruktion ist der flache "Wicking"-Kanal entlang seiner Länge, die verwendet wird, um Flüssigkleber bei der Montage zu verteilen läuft. Der breitere Abschnitt der Versteifung ist ein Register für die Handhabung bei der Montage und chirurgischen Insertion. Ein Reservoir auf der Registerkarte Verbindung mit dem Kanal. Die Komponente aus Silizium unter Verwendung von Standardmikrofabrikationsverfahren hergestellt.

1. Die Siliziumversteifungs mit Dochtkanal aus einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer mit einer Vorrichtung Schichtdicke gleich der gewünschten Dicke der Versteifung (hergestellt 3A). Eine angemessene Auswahl von Versteifungs Dicke von 20 bis 100 um. Es wird empfohlen, dass die Breite des Versteifungs werden 20-30 &mgr; m kleiner ist als die Breite Sonde, die ein Überlaufen des Klebstoffs von der Bindungsgrenzfläche zu der Spitze der Sonde zu verhindern hilft. Die erste Dochtwirkungskanäle trocken geätzt unter Verwendung des Standard-Bosch-Verfahren (Fig. 3B). Als nächstes wird die Versteifungsgeometrie eine längere ätzen, die auf der vergrabenen Oxidschicht (3C) stoppt definiert. Schließlich werden die Versteifungen durch Nass-Ätzen der vergrabenen Oxidschicht in 49% Fluorwasserstoffsäure (3D) freigegeben. Nach gründlichem Spülen der Versteifungen, genießen sie in VE-Wasser für 15 min.
2. Platzieren eines Pellets aus Polyethylenglykol (PEG) mit einem Molekulargewicht von 10.000 g / mol in den Vorratsbehälter (4). Wärme die Versteifung auf 65 ° C, so daß das PEG schmilzt und leitet in den Kanal durch Kapillarwirkung. Dann Abkühlen auf Raumtemperatur verfestigt.
3. Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung der Flip-Chip-Bonder einrichten. Legen Sie die Versteifung umgedreht auf die Basisstufe des Flip Chip Bonder, dann holen die Versteifung mit dem Werkzeugkopf. Legen Sie die Sonde nach oben auf der Basisstufe. Mit der Flip-Chip-Bonder, richten Sie die Versteifung und die Sonde und senken Sie dann die Versteifung und legen Sie es auf die Sonde.
4. Die Basisstufe des Flip-Chip-Bonder sollte ein Heizelement, um Wärme auf das Substrat anzuwenden. Nach dem Platzieren des Versteifungs erhitzen Anordnung wieder auf 65 ° C Eine Minute nach der PEG erneut zu schmelzen und zu beginnen, in der Schnittstelle zwischen der Sonde und der Versteifung zu füllen. Kühle zu verfestigen.
5. Drehen Sie die Baugruppe über und prüfen von der Spitze. Erwärmen als nötig ist, damit das PEG an die Schnittstelle zwischen der Sonde und dem Versteifungselement vollständig ausfüllt. Dies kann visuell bewertet werden, da die Sonde transparent. Da die Montage der Heizung sitzt Top-(probe-) Seite nach oben, manuell platzieren 1-3 Extra-Pellets von festen PEG auf die Registerkarte, so dass sie über die Sonde zu schmelzen, die Bereitstellung zusätzlicher Verstärkung in diesem Bereich (Abbildung 6). Schließlich erlauben die Montage auf so cool, dass die PEG erstarrt. An diesem Punkt ist die Montage bereit für chirurgische Insertion.

2. Ein-und Ausbau

1. Einbau des Probe-Versteifungsanordnung an einem Mikromanipulator, wie in 7A durch Kleben der Rückseite der Versteifung auf den Mikromanipulator Arm an der Laschenbereich dargestellt. Dies kann mit doppelseitigem Klebeband oder Zement getan werden, aber darauf achten, dass die Sonde mit Klebstoff zu kontaktieren. Vorübergehend sichern das Anschlussende der Sonde an den Mikromanipulator mit einem kleinen Stück Klebemasse, so dass sie leicht mit geringer Kraft entfernt werden.
2. Positionieren Sie die Sondenanordnung über dem Ziel und führen Sie die Sonde mit der gewünschten Eintragsgeschwindigkeit. Insertion Geschwindigkeiten von 0,13 bis 0,5 mm / sec wurden verwendet, bei der Entwicklung dieses Protokoll.
3. Ziehen Sie sofort den Stecker des Sonde aus dem Mikromanipulator sanft und Ruhe es auf einem nahe gelegenen Oberfläche, wie einer zweiten Manipulatorarmes (Abbildung 7B). Dies muss geschehen, bevor das PEG zu lösen beginnt, um zu vermeiden Verschieben der Sonde.
4. Nehmen Sie sich Zeit für PEG, sich aufzulösen. Diese Zeitdauer wird auf PEG-Molekulargewicht und der Kontaktbereich zwischen der Sonde und der Versteifung ab. Beispielsweise mit PEG-Molekulargewicht von 10.000 g / mol, eine Mikrosonde etwa 6 mm und einem passenden Versteifung, die 306 &mgr; m breit ist, 15 min wurde festgestellt, daß eine ausreichende Menge an Zeit. Abschnitt 3 des Protokolls zeigt ein Verfahren, um die gewünschte Auflösungszeit zu prüfen. Während dieser Zeit gelten Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) mit Hilfe einer Pipette auf der Lasche und Einfügemarke jede PEG, die über dem Ziel (7C) ist, aufzulösen.
5. Mit einem motorisierten Mikropositionierer beginnen Extraktion der Versteifung, indem eine Verschiebung des100 &mgr; m bei einer Geschwindigkeit von 5 mm / sec. Diese anfängliche schnelle Bewegung hilft, um statische Reibung zu überwinden und zu minimieren Sonde Verschiebung. Dann füllen Sie das Versteifung Extraktion mit einer langsameren Geschwindigkeit von ca. 0,1 mm / Sekunde (7D).
6. Im Fall einer tatsächlichen Operation, mit üblichen Verfahren weiterhin Gel, Silikon und / oder Zahnacryl an der Insertionsstelle Anwendung zur Sicherung und zum Schutz der Sonde, wie in ²¹ gezeigt.

3. Agarose-Gel-Test

Dieser Abschnitt des Protokoll beschreibt eine Einrichtung und Verfahren, um die Extraktion der Versteifung in einem 0,6% Agarose-Gel, das die Groß mechanische Eigenschaften, pH-Wert und Salzgehalt des Hirngewebes ^17,22 annähert zu untersuchen. Da das Gel ist durch kurze Wege fast transparent ist, kann Versteifung Trennung und Sonde Verschiebung beobachtet werden.

1. Eine Lösung aus 0,6% Agarose in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS). Mischen Sie in einem eleviert Temperatur, um die Agarose-Pulver vollständig aufzulösen. Füllen Sie die Lösung in eine flache Acryl-Box; Gel sollte 3/4- 1 in tief sein. Lassen Sie das Gel bei Raumtemperatur für eine Stunde eingestellt.
2. Sicherzustellen, dass die ausgehärtete Gel wird mit PBS gesättigt, so daß sie nicht austrocknen, und das Gel erwärmt auf 37 ° C.
3. Einrichten des Mikromanipulators Schachtel Agarosegel und mikroskopische Kamerasystem, wie in Fig. 8 gezeigt.
4. Legen Sie ein Glas Referenzbezugsmarkierung in den Strafraum von Gel, indem sie zwischen dem Gel und der Seite der Box (Abbildung 8). Verwenden Sie einen Zahnstocher, um die Funktionen auf der Referenzbezugs um das Blickfeld der Digital-Mikroskop-Platz.
5. Montieren Sie die Sondenanordnung auf die Mikromanipulator, wie in Schritt 2.1 beschrieben.
6. Positionieren Sie die Sondenanordnung über das Gel ca. 1 mm hinter dem Verweis Bezugs.
7. Führen Sie die Sonde in das Gel, mit der Kamera, um sie zu einer gewünschten Tiefe in das Blickfeld zu führen.
8. Unmittelbar bewegen Sie den Stecker des Sonde auf einem nahe gelegenen Oberfläche ruhen.
9. Nehmen Sie alle erforderlichen Anpassungen an das Kamerabild auf der Sonde (die Referenzbezugsmerkmale können etwas unscharf) konzentrieren. Machen Sie einen Schnappschuss der Sonde Lage.
10. PEG ermöglichen, sich aufzulösen (das Zeit kann variieren, und in der Tat kann ein Parameter, der getestet werden kann). Bewerben PBS in der Nähe der Registerkarte PEG aufzulösen, die über dem Gel ist.
11. Videoaufnahme zu starten, falls gewünscht, und beginnt die Extraktion des Versteifungs wie in Schritt 2.5 beschrieben. Wenn Extraktion abgeschlossen ist, eine endgültige Momentaufnahme der Sonde Lage.
12. Verwenden Sie Bildverarbeitungs-Tools, um die Bilder vor und nach der Extraktion Versteifung vergleichen. Verwenden Sie die Funktionen auf der Referenzbezugs, die in das Blickfeld zu registrieren sichtbar sind (ausgerichtet) der Bilder. Kalibrieren der Waage der Grundlage der Größe des bekannten Merkmalen auf dem Testbild. Messen Sie den Abstand der Sonde Verschiebung.

Ergebnisse

Diese Insertion Technik wurde in Verbindung mit LLNL Dünnschicht-Polyimid-Sonden, die ISO 10993 Biokompatibilität Normen bestanden haben und für chronische Implantation bestimmt ist. Ein typisches Dünnschicht-Polyimid-Sonde ist in Fig. 1 zusammen mit einem Silizium-Versteifung, die etwa 10 mm lang in der schmalen Region ist dargestellt. Diese Versteifung eines Dochtkanals entlang seiner Länge verläuft, wie in Fig. 2 gezeigt. Fig. 3 zeigt die mimcrofabrication Verf...

Diskussion

Die hier beschriebene Methode bietet eine gut kontrollierten Prozess zu Dünnfilm-Polymersonden separate Versteifungen mit einem biodissolvable Klebstoff befestigen. Auch dargestellt ist die empfohlene chirurgischen Prozedur, um diese abnehmbar Steifen und ein Verfahren, das Verfahren in vitro für eine bestimmte Sondenversteifungs Konfiguration validieren implementieren. Da kann die Versteifung beliebig starr gemacht werden kann, kann das Verfahren Einführen relativ lange Sonden (> 3 mm) zu erleichtern. So...

Materialien

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