Inserimento di Flexible Neural Sonde Uso Rinforzi rigida collegata con Biodissolvable adesivo

Riepilogo

Inserimento di sonde flessibili microelettrodi neurali è attivata collegando sonde di rinforzi rigidi con polietilene glicole (PEG). Un processo di assemblaggio unica assicura uniformità e l'attaccamento ripetibile. Dopo l'inserimento nel tessuto, il PEG dissolve e il rinforzo viene estratto. Un metodo di prova in vitro valuta la tecnica in gel di agarosio.

Abstract

Matrici di microelettrodi per i dispositivi di interfaccia neurali che sono fatti di polimero biocompatibile a film sottile sono tenuti ad avere esteso durata funzionale perché il materiale flessibile può minimizzare reazione avversa al tessuto causata da micromovimenti. Tuttavia, la loro flessibilità ne impedisce accuratamente inserito nel tessuto neurale. Questo articolo viene illustrato un metodo per collegare temporaneamente un microelettrodo sonda flessibile per un rinforzo rigido utilizzando biodissolvable polietilene glicole (PEG) per facilitare preciso, inserimento chirurgico della sonda. Un disegno unico permette rinforzo per la distribuzione uniforme della colla PEG lungo la lunghezza della sonda. Flip-chip bonding, uno strumento comune utilizzato negli imballaggi microelettronica, permette l'allineamento preciso e ripetibile e fissaggio della sonda al rinforzo. La sonda e rinforzi sono impiantati chirurgicamente insieme, poi il PEG è disciolta in modo che il rinforzo può essere estratto lasciando la sondaal suo posto. Infine, un metodo di prova in vitro viene utilizzato per valutare l'estrazione rinforzo in un modello gel di agarosio del tessuto cerebrale. Questo approccio dell'impianto è dimostrato particolarmente vantaggioso per le sonde più flessibili (> 3 mm). Esso fornisce anche un metodo fattibile per impiantare sonde flessibili su due lati. Ad oggi, la tecnica è stata utilizzata per ottenere varie vivo dati registrati dalla corteccia di ratto.

Introduzione

Matrici di microelettrodi sono uno strumento essenziale nel campo delle neuroscienze, così come applicazioni cliniche emergenti come protesi. In particolare, penetrante sonde micro-elettrodi permettono di stimolazione e registrazione dell'attività neuronale attraverso lo stretto contatto con le cellule del cervello, midollo spinale e nervi periferici. Una sfida importante per le sonde neurali impiantate è la stabilità e la longevità delle funzioni di stimolazione e registrazione. Studi di modellistica e sperimentale dell'interazione tra le sonde di microelettrodi e tessuto neurale hanno suggerito che un meccanismo di degradazione è micro-lacerazione del tessuto nervoso a causa di leggero movimento relativo tra la sonda e il tessuto ^1-3. Una soluzione consiste nel fabbricare sonde flessibili che hanno più strettamente le proprietà di rigidezza massa di tessuto neurale per minimizzare relativa micromovimenti. Come tale, polimeri biocompatibili film sottile come poliimmide e parylene sono stati adottati come substrati favorevoli per MICROELECdell'elettrodo indaga ^4-8.

Un compromesso di sonde flessibili è che sono difficili da inserire nel tessuto neurale. I ricercatori hanno preso vari approcci per facilitare l'inserimento di sonde flessibili preservando le proprietà meccaniche desiderabili. Una classe di disegni modifica la geometria della sonda polimero per aumentare la rigidità in alcune sezioni o assi, pur mantenendo il rispetto in altre parti. Questo è stato realizzato incorporando nervature o strati di altre materie ^9,10. Un altro approccio integra un canale 3-D nel disegno sonda polimero che viene riempito con materiale biodegradabile ^11. Questa sonda può essere irrigidita temporaneamente, e dopo l'inserimento del materiale nelle dissolve canale e scaricata. Tuttavia, i metodi come questi che modificano permanentemente la geometria del dispositivo finale impiantato possono compromettere alcune delle caratteristiche desiderabili della sonda flessibile.

Un metodo che fa not alterare la geometria della sonda finale è di incapsulare il dispositivo polimero con materiale biodegradabile per irrigidire temporaneamente il dispositivo ^12-14. Tuttavia, materiali tipici biodegradabili hanno ordini di Young di moduli di grandezza inferiore a quella del silicio e sarebbero quindi necessari spessore maggiore per ottenere la stessa rigidità. Adeguatamente rivestimento della sonda può provocare una punta più arrotondata o smussata, rendendo più difficile inserimento. Inoltre, poiché i rivestimenti solubili sono esposte, vi è il rischio di loro dissoluzione immediatamente, a contatto, o anche vicinanza, con il tessuto.

Un'altra classe di metodi utilizza sonde romanzo substrato materiali che riducono in rigidezza dopo essere stato impiantato nel tessuto. Tali materiali comprendono polimeri a memoria di forma ¹⁵ e un nanocomposito meccanicamente adattativo ^16. Questi materiali sono in grado di diminuire in modulo elastico significativamente dopo l'inserimento, e possono causare sonde che più strettamente MatCh le proprietà meccaniche del tessuto neurale. Tuttavia, la gamma di rigidezza ottenibile è ancora limitata, in modo che non può essere in grado di fornire elevata rigidezza equivalente ai fili di silicio o di tungsteno. Pertanto, nel caso di sonde flessibili che sono molto lunghi (ad esempio> 3 mm) o che hanno estremamente bassa rigidità, potrebbe essere necessario prestare un modo di fissare temporaneamente un rinforzo più rigida.

Ancora un altro metodo promettente segnalato è per rivestire una navetta irrigidimento con una permanente auto-assemblaggio monostrato (SAM) per personalizzare l'interazione superficie tra la navetta e la sonda flessibile ^17. Una volta asciutta, la sonda aderisce alla navetta rivestito elettrostaticamente. Dopo l'inserimento, acqua migra sulla superficie idrofila, separando la sonda dalla navetta in modo che la navetta può essere estratto. Estrazione Shuttle con cilindrata ridotta sonda è stata dimostrata (85 micron). Tuttavia, con sole interazioni elettrostatiche tenendo la sonda di tegli navetta, vi è un certo rischio di sonda scorrimento relativo alla navetta prima e durante l'inserimento.

Abbiamo sviluppato un metodo in cui la sonda flessibile è collegata a un rinforzo con un materiale adesivo biodissolvable temporaneo che tiene saldamente la sonda durante l'inserimento. Le sonde utilizzate erano fatte di poliimmide, che ha un modulo elastico dell'ordine di 2-4 GPa. Il rinforzo è stato fabbricato da silicio, con un modulo elastico di ~ 200 GPa. Se collegato, la rigidità del silicio domina, facilitando l'inserimento. Una volta inserita nel tessuto, il materiale adesivo si dissolve e il rinforzo viene estratto per ripristinare la sonda alla sua duttilità iniziale. Abbiamo scelto polietilenglicole (PEG) come il materiale adesivo biodissolvable. PEG è stato utilizzato in applicazioni impiantati quali sonde neurali, ingegneria tessutale, e la somministrazione di farmaci ^11,18,19. Alcune prove ha suggerito che PEG può attenuare la risposta neuroinfiammatorie nel cervellotessuto ^18,20. Rispetto ad altri materiali possibili, tra cui saccarosio, lattico-co-glicolico acido poli (PLGA), e l'alcool polivinilico (PVA), PEG ha un tempo di dissoluzione in fluidi biologici che è una portata tale per molti interventi implantari (dell'ordine di decine di minuti, a seconda del peso molecolare). Inoltre, è solido a temperatura ambiente e liquido a temperature comprese 50-65 ° C. Questa struttura rende particolarmente adatto per il nostro processo di assemblaggio di precisione. Inoltre, simile alla SAM descritto in ^17, il PEG disciolto è idrofilo, facilitando l'estrazione del rinforzo. Questo approccio vantaggioso è attivata da un design rinforzo romanzo e metodico processo di assemblaggio che garantiscono una copertura adesiva uniforme e allineamento preciso e ripetibile. Oltre al processo di assemblaggio, presentiamo il metodo di applicazione del rinforzo rimovibile durante l'intervento chirurgico, come pure un procedimento in vitro per valutare l'estrazione della stiffener.

Il protocollo qui presentata si presuppone che l'utente possiede una sonda flessibile polimero microelettrodo. La parte del protocollo riguardante la fabbricazione del rinforzo e montaggio di questa sonda ad un rinforzo assume accesso a strumenti comuni presenti in una struttura microfabbricazione. Il protocollo relativo ai inserimento e l'estrazione sarebbe probabilmente essere effettuata in un laboratorio di neuroscienze-oriented.

Protocollo

1. Assemblaggio di sonda per Stiffener

Questa sezione descrive il protocollo di fabbricazione di un rinforzo di silicio, e l'assemblaggio di una sonda polimero film sottile al rinforzo. Figura 1 illustra una sonda tipica polimero neurale con il rinforzo proposto. I dettagli della progettazione rinforzo sono mostrati nella Figura 2. La caratteristica innovativa di questo motivo è poco profondo "wicking" canale che corre lungo la sua lunghezza che viene utilizzato per distribuire l'adesivo liquido durante il montaggio. La porzione più ampia del rinforzo è una scheda per la movimentazione in fase di montaggio e inserimento chirurgico. Un serbatoio nella scheda si collega al canale. Il componente è realizzato con silicio mediante processi di microfabbricazione standard.

1. Il rinforzo di silicio con un canale traspirante è stato fabbricato da una (SOI) wafer di silicio su isolante con uno spessore periferica uguale allo spessore desiderato del rinforzo ( Figura 3A). Una gamma ragionevole di spessore del rinforzo è 20-100 micron. Si raccomanda che la larghezza del rinforzo sia 20-30 micron di ampiezza inferiore sonda, che aiuta a evitare overflow dell'adesivo dall'interfaccia legame alla sommità della sonda. In primo luogo i canali traspirazione sono a secco inciso utilizzando il processo Bosch standard (Figura 3B). Successivamente, la geometria rinforzo è definito da una etch più che ferma sullo strato di ossido sepolto (Figura 3C). Infine, i rinforzi sono rilasciate dai wet-attacco dello strato di ossido sepolto nel 49% di acido fluoridrico (Figura 3D). Dopo aver accuratamente sciacquato i rinforzi, metterli a bagno in acqua deionizzata per 15 min.
2. Posizionare un pellet di polietilene glicole (PEG) di peso molecolare 10.000 g / mol nel serbatoio (Figura 4). Riscaldare il rinforzo a 65 ° C in modo che il PEG si scioglie e stoppini nel canale per azione capillare. Poi raffreddare a temperatura ambiente a solidificare.
3. La figura 5 mostra uno schema del flip chip di bonder impostato. Posizionare il rinforzo a testa in giù sul palco base del bonder flip chip, poi prendere il rinforzo con la testa strumento. Posizionare la sonda a testa in giù sul palco di base. Utilizzando il bonder flip chip, allineare il rinforzo e la sonda e quindi abbassare il rinforzo e posizionarlo sulla sonda.
4. Lo stadio base del bonder flip chip dovrebbe avere un elemento riscaldante per applicare calore al substrato. Dopo aver posizionato il rinforzo, riscaldare l'assieme ancora una volta a 65 ° C. Lasciare un minuto il PEG di rifusione e di iniziare a compilare l'interfaccia tra la sonda e il rinforzo. Raffreddare a solidificare.
5. Girare il gruppo e ispezionare dall'alto. Riscaldare necessaria per consentire il PEG per riempire completamente l'interfaccia tra la sonda e il rinforzo. Ciò può essere valutato visivamente quanto la sonda è trasparente. Poiché il gruppo è seduto sulla riscaldatore superiore (sonda) rivolto verso l'alto, inserire manualmente 1-3 epellets Xtra di solido PEG sulla scheda in modo che si sciolgono sulla sonda, fornendo un ulteriore rinforzo in questa regione (Figura 6). Infine, permettere al gruppo di raffreddare in modo che il PEG solidifica. A questo punto, il gruppo è pronto per l'inserimento chirurgico.

2. Inserimento e estrazione

1. Montare la sonda-rinforzo per un micromanipolatore come illustrato nella Figura 7A aderendo retro del rinforzo al braccio micromanipolatore in corrispondenza della zona tab. Questo può essere fatto con nastro biadesivo o cemento, ma fare attenzione a non contattare la sonda con adesivo. Fissare temporaneamente l'estremità del connettore della sonda al micromanipolatore con un piccolo pezzo di mastice adesivo tale da poter essere facilmente rimosso con bassa forza.
2. Posizionare il gruppo sonda sul bersaglio e inserire la sonda con la velocità di inserimento desiderato. Velocità di inserimento di 0,13-0,5 mm / sec sono stati usati durante lo sviluppo di questo protocollo.
3. Rimuovere immediatamente l'estremità del connettore della sonda dal micromanipolatore delicatamente e poggiare su una superficie vicina, come un secondo braccio manipolatore (Figura 7B). Questo deve essere fatto prima che il PEG comincia a dissolversi per evitare di sostituirsi alla sonda.
4. Lasciare il tempo per PEG sciogliere. Questo tempo dipende dal peso molecolare PEG e l'area di contatto tra la sonda e rinforzo. Ad esempio, con peso molecolare di PEG 10.000 g / mol, una sonda microelettrodo circa 6 mm e un rinforzo di corrispondenza che è 306 micron di larghezza, 15 min è stato trovato per essere una adeguata quantità di tempo. Sezione 3 del protocollo presenta un metodo per testare il tempo di dissoluzione desiderato. Durante questo tempo, applicare tampone fosfato salino (PBS) con un contagocce attorno al punto di inserimento scheda e per sciogliere qualsiasi PEG che è sopra la porta (Figura 7C).
5. Utilizzando una micropositioner motorizzato, iniziare l'estrazione del rinforzo applicando uno spostamento di100 micron ad una velocità di 5 mm / sec. Questo rapido movimento iniziale aiuta a superare qualsiasi attrito statico e ridurre al minimo lo spostamento della sonda. Poi, completare l'estrazione rinforzo ad una velocità più lenta di circa 0,1 mm / secondo (figura 7D).
6. Nel caso di un intervento chirurgico reale, continuare le normali procedure di applicare gel, silicone, e / o acrilico dentale nel sito di inserzione per assicurare e proteggere la sonda, come mostrato in ^21.

3. Agarose Gel test

Questa sezione del protocollo descrive una procedura di configurazione e di esaminare l'estrazione del rinforzo in un gel di agarosio 0,6% che approssima le proprietà meccaniche bulk, pH, salinità e di tessuto cerebrale ^17,22. Dal momento che il gel è quasi trasparente attraverso brevi distanze, possono essere osservati separazione rinforzo e lo spostamento della sonda.

1. Preparare una soluzione di 0,6% agarosio in tampone fosfato salino (PBS). Mescolare in una eletemperatura vato per dissolvere completamente la polvere di agarosio. Versare la soluzione in una scatola di acrilico superficiale; gel dovrebbe essere 3/4- 1 in profonda. Lasciare il gel fissato a temperatura ambiente per un'ora.
2. Assicurarsi che il gel indurito è saturo di PBS in modo che non si secchi, e riscaldare il gel a 37 ° C.
3. Impostare micromanipolatore, scatola di gel di agarosio, e sistema di telecamere microscopiche come illustrato nella Figura 8.
4. Inserire un fiducial riferimento vetro in area di gel facendolo scorrere tra il gel e il lato della scatola (Figura 8). Utilizzare un pick dentale per squadrare le caratteristiche sulla fiducial riferimento al campo visivo del microscopio digitale.
5. Montare la sonda al micromanipolatore come descritto al punto 2.1.
6. Posizionare il gruppo sonda sopra il gel di circa 1 mm dietro l'fiduciale di riferimento.
7. Inserire la sonda nel gel, utilizzando la macchina fotografica per guidare ad una profondità desiderata nel campo visivo.
8. Spostare immediatamente l'estremità del connettore della sonda a riposare su una superficie vicina.
9. Apportare le modifiche necessarie per l'immagine della telecamera di concentrarsi sulla sonda (le caratteristiche fiduciali di riferimento possono essere leggermente fuori fuoco). Prendete uno snapshot della posizione della sonda.
10. Lasciare PEG per sciogliere (questo tempo può variare, e in effetti può essere un parametro da testare). Applicare PBS vicino alla scheda per sciogliere PEG che è sopra il gel.
11. Inizia acquisizione video se lo si desidera, e iniziare l'estrazione del rinforzo come descritto al punto 2.5. Quando l'estrazione è completa, prendere una fotografia istantanea finale della posizione della sonda.
12. Utilizzare strumenti di elaborazione delle immagini per confrontare le immagini prima e dopo l'estrazione rinforzo. Utilizzare le caratteristiche sulla fiduciale di riferimento che sono visibili nel campo di vista registrarsi (allineare) le immagini. Calibrare la scala dell'immagine in base alle dimensioni di caratteristiche note sulla sonda. Misurare la distanza dello spostamento della sonda.

Risultati

Questa tecnica di inserimento è stato usato in combinazione con LLNL film sottile sonde poliimmidi, che hanno superato ISO 10993 standard di biocompatibilità e sono destinati ad essere impiantati cronica. Una sonda poliimmide tipico film sottile è illustrato nella figura 1 con un rinforzo di silicio che è di circa 10 mm di lunghezza nella regione stretta. Questo rinforzo ha un canale traspirante che corre lungo la sua lunghezza, come mostrato nella Figura 2. Figura 3 illustra il pro...

Discussione

Il metodo qui descritto fornisce un processo ben controllato per collegare le sonde polimero a film sottile di rinforzi separati con un adesivo biodissolvable. Inoltre ha presentato è la procedura chirurgica raccomandata per attuare queste stecche estraibili e una tecnica per convalidare la procedura in vitro per una data configurazione della sonda-rinforzo. Poiché il rinforzo può essere fatta arbitrariamente rigida, il metodo può facilitare l'inserimento di sonde relativamente lunghe (> 3 mm). Come ...

Materiali

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