Insertion de flexible Neural sondes utilisant renforts rigides attachés avec Biodissolvable adhésif

Résumé

L'insertion de sondes de micro-électrodes neurales flexibles est activée par la fixation des sondes de renforts rigides avec du polyéthylène glycol (PEG). Un processus d'assemblage unique assure uniforme et l'attachement reproductible. Après insertion dans un tissu, le PEG se dissout et le raidisseur est extrait. Une méthode d'essai in vitro évalue la technique en gel d'agarose.

Résumé

réseaux de microélectrodes pour les appareils d'interface de neurones qui sont faits de polymère mince film biocompatible sont censés avoir prolongé la durée de vie fonctionnelle parce que le matériau flexible peut réduire la réponse des tissus négatifs causés par des micromouvements. Cependant, leur flexibilité les empêche d'être inséré avec précision dans le tissu neural. Cet article montre une méthode pour fixer temporairement une sonde de micro-électrodes souples à l'aide d'un contrefort rigide biodissolvable polyéthylène glycol (PEG) pour faciliter précise, l'insertion chirurgicale de la sonde. Une conception de raidisseur unique permet une distribution uniforme de l'adhésif PEG sur la longueur de la sonde. Liaison flip-chip, un outil couramment utilisé en microélectronique emballage, permet un alignement précis et reproductible et fixation de la sonde sur le contrefort. La sonde et raidisseur sont implantés chirurgicalement ensemble, puis le PEG est autorisé à dissoudre afin que le raidisseur peut être extrait en laissant la sondeen place. Enfin, une méthode d'essai in vitro est utilisé pour évaluer l'extraction du raidisseur dans un modèle sur gel d'agarose du tissu cérébral. Cette approche de l'implantation s'est avéré particulièrement avantageux pour les sondes plus flexibles (> 3 mm). Il fournit également un procédé réalisable pour implanter des sondes double face flexibles. À ce jour, la technique a été utilisée pour obtenir diverses données in vivo d'enregistrement à partir du cortex de rat.

Introduction

réseaux de microélectrodes sont un outil essentiel en neurosciences ainsi que des applications cliniques émergents tels que les prothèses. En particulier, des sondes de pénétration de micro-électrodes permettent une stimulation et l'enregistrement de l'activité neuronale par contact étroit avec les cellules dans le cerveau, la moelle épinière et les nerfs périphériques. Un défi majeur pour les sondes de neurones implantés est la stabilité et la longévité des fonctions de stimulation et d'enregistrement. Modélisation et études expérimentales de l'interaction entre les sondes de micro-électrodes et le tissu neural ont suggéré que l'un des mécanismes de dégradation est micro-déchirure du tissu nerveux en raison d'un léger mouvement relatif entre la sonde et le tissu ^3.1. Une solution consiste à fabriquer des sondes flexibles qui correspondent de plus près les propriétés de rigidité en vrac de tissu neural afin de minimiser les micromouvements relative. En tant que tel, biocompatibles minces polymères tels que le polyimide et le parylène a été adopté en tant que substrats pour la microélectronique favorablestrode sondes ^4-8.

Un compromis de sondes souples est qu'ils sont difficiles à insérer dans le tissu neural. Les chercheurs ont pris diverses approches pour faciliter l'insertion de sondes souples tout en conservant les propriétés mécaniques souhaitables. Une classe de conceptions modifie la géométrie de la sonde de polymère pour augmenter la rigidité dans certaines sections ou des axes tout en maintenant le respect dans d'autres régions. Ceci a été accompli en incorporant des nervures ou des couches d'autres matériaux ^9,10. Une autre approche intègre un canal 3-D dans la conception de la sonde de polymère qui est rempli d'un matériau biodégradable ^11. Cette sonde peut être rigidifiée temporairement, et après l'insertion du matériau dans les dissout et s'évacue par canal. Cependant, de tels procédés qui modifient en permanence la géométrie du dispositif final implanté peuvent compromettre certaines des caractéristiques souhaitables de la sonde flexible.

Une méthode qui fait not modifier la géométrie de la sonde finale consiste à encapsuler le dispositif de polymère avec un matériau biodégradable pour rigidifier temporairement le dispositif ^12-14. Toutefois, des matières biodégradables typiques ont des modules de Young des ordres de grandeur plus petite que celle du silicium et seraient par conséquent nécessiter plus grande épaisseur pour obtenir la même rigidité. Revêtement suffisamment la sonde peut entraîner une pointe plus arrondie ou brutale, faisant insertion plus difficile. En outre, puisque les revêtements solubles sont exposés, il existe un risque de les dissoudre immédiatement au contact, ou encore à proximité, avec le tissu.

Une autre classe de méthodes utilise des matériaux de substrat roman de sondes qui permettent de réduire la rigidité après avoir été implanté dans le tissu. Ces matières comprennent des polymères à mémoire de forme ¹⁵ et un nanocomposite mécaniquement adaptatif ^16. Ces matériaux sont capables de diminuer de façon significative dans le module élastique après l'insertion, et peuvent donner lieu à des sondes qui CTMA plus étroitementh les propriétés mécaniques du tissu neural. Cependant, la gamme possible de rigidité est encore limitée, de sorte qu'ils peuvent ne pas être en mesure de fournir très élevé, équivalent de la rigidité de fils de silicium ou de tungstène. Ainsi, dans le cas de sondes flexibles qui sont très longues (par exemple,> 3 mm) ou qui ont une raideur très faible, un procédé de fixation temporaire d'un raidisseur plus rigide peut encore être nécessaire.

Encore un autre procédé prometteur rapporté consiste à revêtir une navette de raidissement avec une monocouche d'auto-assemblage permanent (SAM) pour personnaliser l'interaction de surface entre la navette et la sonde flexible ^17. Une fois sec, la sonde adhère à la navette enduit électrostatique. Après l'insertion, l'eau migre sur la surface hydrophile, la séparation de la sonde à partir de la navette de sorte que la navette peut être extrait. extraction de navette à une réduction de déplacement de la sonde a été démontrée (85 um). Cependant, avec seulement des interactions électrostatiques de maintien de la sonde à til navette, il existe un risque de glissement sonde par rapport à la navette avant et pendant l'insertion.

Nous avons mis au point un procédé dans lequel la sonde flexible est fixé à un renfort avec un matériau adhésif temporaire biodissolvable qui tient solidement la sonde pendant l'insertion. Les sondes utilisées étaient faites de polyimide, qui a un module d'élasticité de l'ordre de 4.2 GPa. Le raidisseur est fabriqué à partir de silicium, avec un module d'élasticité de 200 GPa ~. Lorsqu'il est fixé, la raideur du silicium domine, ce qui facilite l'insertion. Une fois inséré dans le tissu, la matière adhésive se dissout et le raidisseur est extrait à restaurer la sonde à sa souplesse initiale. Nous avons choisi le polyéthylène glycol (PEG) comme le matériau adhésif biodissolvable. PEG a été utilisé dans des applications telles que les sondes implantées neuronaux, l'ingénierie tissulaire, et l'administration de médicaments ^11,18,19. Certains éléments de preuve ont suggéré que le PEG peut atténuer la réponse neuro-inflammatoire dans le cerveautissus ^18,20. Par rapport à d'autres matériaux possibles, y compris le saccharose,-co lactique-glycolique de l'acide poly (PLGA), et l'alcool polyvinylique (PVA), le PEG a un temps de dissolution dans les liquides biologiques qui est d'une dimension appropriée pour de nombreuses chirurgies d'implants (de l'ordre de dizaines de minutes, en fonction de la masse moléculaire). En outre, il est solide à température ambiante et liquide à des températures allant de 50 à 65 ° C. Cette propriété rend particulièrement adapté à notre processus d'assemblage de précision. En outre, similaire à la SAM décrite dans ^17, le PEG dissous est hydrophile, ce qui facilite l'extraction du raidisseur. Cette approche avantageuse est activé par une nouvelle conception de raidisseur et processus d'assemblage méthodique qui assurent la couverture de colle uniforme et un alignement précis et reproductible. En plus du procédé d'assemblage, on présente le procédé de mise en oeuvre du raidisseur amovible au cours de la chirurgie, ainsi que d'un procédé in vitro pour évaluer l'extraction de la stiffener.

Le protocole présenté ici suppose que l'utilisateur possède une sonde de micro-électrodes de polymère flexible. La partie du protocole relatif de la fabrication de l'armature et de l'assemblage de cette sonde à un raidisseur suppose l'accès à des outils communs trouvés dans une installation de microfabrication. Le protocole relatif à l'insertion et l'extraction serait probablement effectué dans un laboratoire orienté vers les neurosciences.

Protocole

Une. Assemblée de la sonde de raidisseur

Cette section du protocole décrit la fabrication d'un raidisseur de silicium, et le montage d'une sonde de polymère en couche mince sur le raidisseur. Figure 1 illustre une sonde typique des neurones de polymère en même temps que le raidisseur proposé. Les détails de la conception du raidisseur sont présentés dans la figure 2. L'originalité de cette conception est le faible "mèche" canal le long de sa longueur qui est utilisé pour distribuer la colle liquide lors de l'assemblage. La partie la plus large du raidisseur est une patte de manipulation lors de l'assemblage et de l'insertion chirurgicale. Un réservoir de l'onglet se connecte au canal. Le composant est fabriqué à partir de silicium en utilisant des procédés standards de microfabrication.

1. Le raidisseur de silicium avec un canal à effet de mèche a été fabriqué à partir d'un (SOI) plaquette de silicium-sur-isolant avec une épaisseur de couche de dispositif correspondant à l'épaisseur souhaitée du raidisseur ( Figure 3A). Une fourchette raisonnable de l'épaisseur du raidisseur est 20-100 um. Il est recommandé que la largeur de l'armature soit de 20 à 30 um inférieure à la largeur de la sonde, ce qui aide à empêcher le débordement de la colle à partir de l'interface de liaison à la pointe de la sonde. D'abord, les canaux sont de mèche sec gravé en utilisant le procédé Bosch standard (figure 3B). Ensuite, la géométrie du raidisseur est définie par une gravure qui s'arrête plus longtemps sur la couche d'oxyde enterrée (Figure 3C). Enfin, les raidisseurs sont libérés par la couche gravure humide d'oxyde enterrée dans 49% d'acide fluorhydrique (figure 3D). Après rinçage à fond les raidisseurs, faites-les tremper dans de l'eau déminéralisée pendant 15 min.
2. Placer une pastille de polyéthylène glycol (PEG) de masse moléculaire 10 000 g / mol dans le réservoir (figure 4). Chauffer le raidisseur à 65 ° C de sorte que le PEG fondu et évacue dans le canal par une action capillaire. Puis refroidir à température ambiante pour se solidifier.
3. La figure 5 représente une vue schématique du flip chip colle mis en place. Placez le raidisseur à l'envers sur la scène de base de la colle de flip chip, puis ramasser le raidisseur avec la tête d'outil. Placer la sonde à l'envers sur l'étage de base. Utilisation de la colle de flip chip, aligner le raidisseur et la sonde puis abaissez le raidisseur et le placer sur la sonde.
4. L'étape de base du dispositif de liaison flip chip doit avoir un élément chauffant pour appliquer de la chaleur au substrat. Après mise en place du raidisseur, chauffer l'ensemble une fois de plus à 65 ° C. Laisser une minute pour que le PEG de refonte et de commencer à remplir dans l'interface entre la sonde et raidisseur. Refroidir à se solidifier.
5. Retourner l'ensemble et inspecter par le haut. Réchauffer comme nécessaire pour permettre la PEG à remplir complètement l'interface entre la sonde et le raidisseur. Ceci peut être évalué visuellement depuis la sonde est transparente. Lorsque l'ensemble est assis sur le chauffe-dessus (sonde) vers le haut, placer manuellement 1-3 epastilles xtra de PEG solide sur la languette afin qu'ils se fondent sur ​​la sonde, en fournissant un renforcement supplémentaire dans cette région (figure 6). Enfin, permettre à l'ensemble de refroidir de façon que le PEG se solidifie. À ce stade, l'ensemble est prêt pour l'insertion chirurgicale.

2. Insertion et Extraction

1. Monter l'ensemble sonde-raidisseur à un micromanipulateur, comme illustré sur la figure 7A en faisant adhérer l'arrière du raidisseur sur le bras de micromanipulateur à la zone d'onglet. Cela peut être fait avec du ruban adhésif double-face ou de ciment, mais prenez soin de ne pas communiquer avec la sonde avec de l'adhésif. Fixer temporairement l'extrémité du connecteur de la sonde à l'micromanipulateur avec un petit morceau de mastic adhésif de telle sorte qu'il peut être facilement enlevé avec une faible force.
2. Placez l'ensemble sonde sur la cible et insérer la sonde à la vitesse d'insertion souhaité. vitesse d'insertion de de 0,13 à 0,5 mm / s ont été utilisés lors de l'élaboration de ce protocole.
3. Enlever immédiatement l'extrémité du connecteur de la sonde de la micromanipulateur doucement et posez-le sur une surface à proximité, comme un second bras de manutention (figure 7B). Ceci doit être fait avant le PEG commence à se dissoudre pour éviter le déplacement de la sonde.
4. Prévoyez du temps pour PEG à dissoudre. Ce laps de temps dépend de la masse moléculaire du PEG et de la zone de contact entre la sonde et le raidisseur. Par exemple, avec du PEG de poids moléculaire de 10 000 g / mol, une sonde de micro-électrodes de 6 mm environ et un raidisseur d'appariement qui est 306 um de large, 15 min a été trouvée être une quantité suffisante de temps. Section 3 du protocole présente une méthode pour tester le temps de dissolution requise. Pendant ce temps, appliquer une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) en utilisant un compte-gouttes autour du point d'insertion et languette pour dissoudre tout le PEG qui est au-dessus de la cible (figure 7C).
5. L'utilisation d'un micropositionneur motorisé, commencer l'extraction de l'armature par application d'un déplacement d'100 um à une vitesse de 5 mm / sec. Cette motion initiale rapide aide à surmonter toute friction statique et minimiser sonde déplacement. Ensuite, compléter l'extraction de raidissement à une vitesse inférieure d'environ 0,1 mm / seconde (figure 7D).
6. Dans le cas d'une chirurgie réelle, continuer avec les procédures normales s'appliquent en gel de silicone, et / ou acrylique dentaire sur le site d'insertion pour sécuriser et protéger la sonde, comme démontré dans ^21.

3. Agarose Gel Tester

Cette section du protocole décrit une procédure mise en place et d'examiner l'extraction du raidisseur dans un gel d'agarose à 0,6% qui se rapproche des propriétés mécaniques en vrac, le pH et la salinité de tissu cérébral ^17,22. Étant donné que le gel est à peu près transparent à travers de courtes distances, la séparation de raidisseur et de la sonde de déplacement peuvent être observées.

1. Préparer une solution de 0,6% d'agarose dans du tampon phosphate salin (PBS). Mélanger dans un élémenttempérature vée pour dissoudre complètement la poudre d'agarose. Versez la solution dans une boîte en acrylique peu profonde; gel doit être 3/4- 1 en profondeur. Laisser le gel reposer à température ambiante pendant une heure.
2. Assurez-vous que le gel durci est saturé avec du PBS de sorte qu'il ne se dessèche pas, et chauffer le gel à 37 ° C.
3. Mettre en place le micromanipulateur, boîte de gel d'agarose, et le système de caméra microscopique, comme indiqué à la figure 8.
4. Insérer un repère de référence du verre dans la zone de gel en le faisant glisser entre le gel et le côté de la boîte (Figure 8). Utilisez un cure-dent à la case les caractéristiques sur le repère de référence pour le champ de vision du microscope numérique.
5. Monter la sonde à l'micromanipulateur comme décrit dans l'étape 2.1.
6. Placez l'ensemble sonde sur le gel d'environ 1 mm derrière le repère de référence.
7. Insérer la sonde dans le gel, en utilisant la caméra pour le guider jusqu'à une profondeur désirée dans le champ de vision.
8. Passer immédiatement l'extrémité du connecteur de la sonde à reposer sur une surface à proximité.
9. Faire les ajustements nécessaires à l'image de la caméra de se concentrer sur la sonde (les caractéristiques repères de référence peuvent être légèrement hors-sujet). Prendre un instantané de l'emplacement de la sonde.
10. Laisser PEG à dissoudre (le délai peut varier, et en fait peut être un paramètre à tester). Appliquer PBS près de la languette pour dissoudre le PEG qui est au-dessus du gel.
11. Lancer la capture vidéo si on le désire, et pour commencer l'extraction du raidisseur tel que décrit à l'étape 2.5. Lorsque l'extraction est terminée, prendre un instantané finale de l'emplacement de la sonde.
12. Utiliser des outils de traitement d'image pour comparer les images avant et après extraction de renfort. Utilisez les fonctions sur le repère de référence qui sont visibles dans le champ de vision pour vous inscrire (aligner) les images. Étalonner l'échelle de l'image en fonction de la taille de caractéristiques connues sur la sonde. Mesurer la distance de déplacement de sonde.

Résultats

Cette technique d'insertion a été utilisé en conjonction avec LLNL sondes de polyimide à couche mince, qui sont passés à la norme ISO 10993 et ​​les normes de biocompatibilité sont destinés à une implantation chronique. Une sonde typique de polyimide film mince est illustré sur la figure 1 avec un raidisseur en silicium qui est d'environ 10 mm de long dans la région étroite. Ce raidisseur possède un canal à effet de mèche s'étendant le long de sa longueur, comme représen...

Discussion

La méthode décrite ici fournit un processus bien contrôlé pour fixer les sondes de polymère en couches minces à raidisseurs séparés avec un adhésif biodissolvable. On présente également la procédure chirurgicale recommandée pour mettre en œuvre ces raidisseurs amovibles et une technique pour valider la procédure in vitro pour une configuration de sonde raidisseur donné. Etant donné que le raidisseur peut être rendue arbitrairement rigide, le procédé peut faciliter l'insertion de sondes r...

matériels

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