Biodissolvable 접착제가 부착 된 강성 보강재를 사용하여 유연한 신경 프로브의 삽입

요약

유연한 신경 미세 프로브의 삽입은 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)과 강성 보강재에 프로브를 연결하여 사용할 수 있습니다. 고유의 조립 공정은 균일하고 반복적 인 첨부 파일을 확인합니다. 조직에 삽입 한 후, PEG가 용해 보강재가 추출된다. 시험 관내 시험 방법은 아가 로스 겔에서 기술을 평가한다.

초록

가요 성 재료가 미세 운동으로 인한 악영향 조직 반응을 최소화 할 수 있기 때문에 생체 적합성 박막 폴리머로 만들어진 신경 인터페이스 디바이스를위한 미세 전극 배열은 기능적 수명을 연장 한 것으로 예상된다. 그러나, 유연성 정확하게 신경 조직에 삽입되는 것을 방지 할 수 있습니다. 본품은 일시적 프로브의 정확한 수술 삽입을 용이하게하기 위해 biodissolvable 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)을 사용하여 강성 보강재로 변경할 미세 프로브를 부착하는 방법을 보여준다. 보강재 독특한 디자인은 프로브의 길이를 따라 PEG 접착제의 균일 한 분포를 허용한다. 플립 칩 본딩, 마이크로 전자 패키징에 사용되는 일반적인 도구는 보강재에 대한 정확하고 반복적 인 정렬과 프로브를 부착 할 수 있습니다. 프로브 및 보강재는 수술 후 PEG는 보강재가 프로브를 떠나 추출 할 수 있도록 분해 할 수있다, 함께 이식장소. 마지막으로, 시험 관내 시험 법은 뇌 조직의 아가 로스 겔 모델 보강재 추출을 평가하는 데 사용된다. 주입이 방법은 (> 3mm) 더 유연한 프로브에 특히 유리한 입증했다. 또한 양면가요 프로브를 이식하는 가능한 방법을 제공한다. 지금까지 기술은 래트 피질에서 다양한 생체 기록 데이터를 얻기 위해 사용되었다.

서문

미세 전극 배열은 신경 과학의 필수적인 도구뿐만 아니라 보철 등 신흥 임상 응용 프로그램입니다. 특히, 마이크로 관통 전극 프로브는 뇌, 척수 및 말초 신경 세포들과의 긴밀한 접촉을 통해 신경 세포의 활동을 자극하고 녹음을 가능하게한다. 이식 된 신경 프로브의 주요 과제는 자극과 녹음 기능의 안정성과 수명입니다. 미세 프로브 및 신경 조직 사이의 상호 작용의 모델링 및 실험 연구는 저하 하나의 메커니즘으로 인해 프로브와 조직 ^1-3 사이에 약간의 상대 운동에 신경 조직의 마이크로 찢는 것을 제안했습니다. 하나의 해결책은 더 가깝게 상대 미세 운동을 최소화하기 위해 신경 조직의 부피 강성 특성과 일치하는가요 성 프로브를 제조하는 것이다. 이와 같이, 폴리이 미드 및 파릴 렌 등의 생체 적합성 박막 중합체 microelec 유리한 기판으로서 채용되었다trode ^4-8을 프로빙합니다.

가요 성 탐침의 절충들은 신경 조직에 삽입하기 어려운 점이다. 연구팀은 바람직한 기계적 특성을 유지하면서 유연한 프로브의 삽입을 용이하게하기 위해 다양한 방법을 촬영했습니다. 디자인의 하나의 클래스가 다른 부분에서 준수를 유지하면서 특정 섹션이나 축에 강성을 높이기 위해 고분자 프로브의 형상을 수정합니다. 이것은 갈비뼈 또는 기타 자료 ^{9, 10} 층을 통합하여 수행하고있다. 또 다른 방법은 생분해 성 재료 ^(11)로 채워진다 중합체 프로브 설계에 3-D 채널을 통합한다. 이 프로브는 일시적으로 경직 될 수 있고, 채널 해소 및 배수 아웃 삽입 재료 후. 그러나 영구적으로 최종 이식 장치의 형상을 변경 이와 같은 방법은 유연한 프로브의 바람직한 기능을 손상시킬 수.

N을 수행하는 한 가지 방법최종 프로브 형상을 변경 하다며 일시적으로 장치 ^{12-14 경화하는} 생분해 성 물질로 고분자 장치를 캡슐화하는 것입니다. 그러나, 대표적인 생분해 성 물질은 실리콘보다 작은 크기의 영률 순서를 가지며, 결과적으로 동일한 강성을 달성하기 위해 큰 두께를 필요로한다. 적절하게 프로브가 삽입이 더 어렵게, 더 둥근 또는 뭉툭한 팁이 발생할 수 있습니다 코팅. 분해 할 수있는 코팅이 노출되어 있기 때문에 또한, 조직과 접촉시 즉시 용해 그들의 위험, 심지어 가까이가있다.

방법의 또 다른 클래스는 조직에 이식 된 후 강성 감소 소설 프로브 기판 재료를 사용합니다. 이러한 물질은 형상 기억 폴리머 ^(15)와 기계적으로 적응 나노 복합체 ^(16)를 포함한다. 이 자료는 삽입 후 크게 탄성 계수가 감소 할 수 있으며, 더 가깝게 성냥 프로브가 발생할 수 있습니다신경 조직의 H 기계적 성질. 그러나 강성의 달성 가능한 범위는 여전히 제한됩니다, 그래서 그들은 실리콘이나 텅스텐 와이어로 매우 높은 강성 상당을 제공하지 못할 수 있습니다. 따라서 매우 낮은 강성이 매우 긴 (예> 3mm) 또는 그것은가요 프로브의 경우, 일시적으로 더 강성 보강재를 부착하는 방법이 여전히 요구 될 수있다.

보고 또 다른 유망한 방법은 코트에 셔틀과 유연한 프로브 ⁽¹⁷⁾ 사이의 표면 상호 작용을 사용자 정의 할 수있는 영구적 인 자기 조립 단분자막 (SAM)과 보강 셔틀입니다. 건조 할 경우, 프로브가 정전 기적으로 코팅 셔틀을 준수합니다. 삽입 후, 물을 셔틀이 추출 될 수 있도록 셔틀로부터 프로브를 분리, 친수성 ​​표면에 마이그레이션. 감소 프로브 변위 셔틀 추출 (85 ​​μm의) 입증되었다. 그러나, 정전 기적 상호 작용이 t에 프로브를 들고그는 셔틀, 삽입 전에 동안 셔틀 상대 프로브 불이행 될 위험이 있습니다.

우리는 유연한 프로브가 안전하게 삽입 중에 프로브를 보유 biodissolvable 임시 접착 재료와 보강재에 부착시키는 방법을 개발했다. 사용 된 프로브는 2-4 GPa의 정도의 탄성률을 가지고, 폴리이 미드로 제조 하였다. 보강재 ~ 200 GPa로의 탄성 계수와, 실리콘으로 제작되었다. 부착되면, 실리콘의 강성은 삽입을 용이하게 지배하고있다. 일단 조직에 삽입, 접착 물질은 용해 및 보강재는 초기에 유연성 탐침을 복원 추출된다. 우리는 biodissolvable 접착 재료로서 폴리에틸렌 글리콜 (PEG)을 선택했다. PEG는 신경 프로브, 조직 공학, 약물 전달 ^11,18,19로 이식 된 응용 프로그램에서 사용되어왔다. 몇 가지 증거가 PEG는 뇌의 신경 염증성 반응을 약화 수 있다는 것을 제안했다조직 ^{(18, 20).} 수크로오스, 폴리 락트산 - 코 - 글리콜 산 (PLGA) 및 폴리 비닐 알코올 (PVA) 등의 다른 가능한 재료에 비해 PEG가의 주문에 (많은 임플란트 시술에 대한 적절한 치수이다 생체 액에서 용해 시간을 가지고 분자량에 따라 수십 분). 또, 온도 범위에서, 실온에서 고체와 액체 인 50-65 ° C.에서 이 속성은 우리의 정밀 조립 공정에 특히 적합합니다. 또한, SAM 유사한 ^17에서 설명한, 용해 PEG는 보강재의 추출을 용이 친수성이다. 이 유리한 접근 방식은 균일 한 접착제의 범위와 정확하고 반복적 인 정렬을 보장 새로운 보강재 디자인과 질서 조립 공정에 의해 사용할 수 있습니다. 조립 공정 이외에, 우리는 수술 중에 이동식 보강재를 구현하는 방법뿐만 아니라, STI의 추출을 평가하는 시험 관내 절차를 제시ffener.

본 명세서에서 프로토콜은 사용자가 유연한 고분자 미세 프로브를 가지고 있다고 가정한다. 보강재이 프로브의 보강재 및 조립체의 제조를 관련 프로토콜의 부분이 미세 가공 시설에서 발견 일반적인 도구에 대한 액세스를 가정한다. 삽입 및 추출과 관련된 프로토콜은 가능성 신경 지향 실험실에서 수행 될 것이다.

프로토콜

1. 보강재에 프로브 어셈블리

프로토콜의이 섹션은 보강재에 실리콘 보강재의 제조 및 박막 중합체 프로브 조립체를 설명한다. 하나가 제안 보강재와 함께 전형적인 중합체 신경 프로브를 예시도. 보강재 디자인의 세부 사항은도 2에 나타낸다. 이 디자인의 새로운 기능은 채널을 조립하는 동안 액체 접착제를 배포하는 데 사용되는 그 길이를 따라 실행 "발산"얕은입니다. 보강재의 넓은 부분은 조립 및 외과 삽입하는 동안 처리 할 수​​있는 탭입니다. 탭에 저장 채널에 연결합니다. 구성 요소는 표준 미세 공정을 사용하여 실리콘으로부터 제조된다.

1. 위킹 채널 실리콘 보강재는 보강재의 원하는 두께와 동일한 장치 층 두께로 실리콘 - 온 - 인슐레이터 (SOI) 웨이퍼 (로부터 제조 하였다 그림 3A). 보강재 두께의 합리적인 범위는 20 ~ 100 μm의입니다. 이는 보강재의 폭이 프로브의 상부에 접착 계면에서 접착제의 오버 플로우를 방지하는 데 도움이 프로브 폭보다 20 ~ 30 ㎛의 작은 것이 권장된다. 먼저 심지 채널은 드라이 에칭 표준 보쉬 공정 (그림 3B)를 사용하고 있습니다. 다음에, 보강재 구조는 매립 산화물 층 (도 3c)에 정지 이상 에칭에 의해 정의된다. 마지막으로, 보강재는 49 % 불화 수소산 (그림 3D)의 습식 에칭 매립 산화물 층에 의해 방출된다. 철저하게 보강재를 세척 한 후, 15 분 동안 탈 이온수를 흡수.
2. 저수지에 분자량 10,000그램 / 몰의 폴리에틸렌 글리콜의 펠릿 (PEG) (그림 4)를 넣습니다. PEG가 녹아 모세관 작용에 의해 채널로 발산 있도록 65 ° C에 보강재를 가열한다. 그런 다음 응고 실온으로 냉각.
3. 그림 5는 플립 칩 본더를 개략적으로는 설정을 보여줍니다. 다음 도구를 머리에 보강재를 집어 거꾸로 플립 칩 본더의 기본 단계에 보강재를 배치합니다. 거꾸로 기본 단계에 프로브를 놓습니다. 플립 칩 본더를 사용하여, 보강재와 프로브를 정렬하고 보강재를 낮추고 프로브 상에 배치.
4. 플립 칩 본더의 기본 단계는 기판에 열을 적용하는 가열 요소를 가져야한다. 보강재를 배치 한 후, 65 ° C.에 다시 한번 어셈블리를 열 PEG 1 분은 재 용융 및 프로브와 보강재 사이의 인터페이스를 입력하기 시작 할 수 있습니다. 응고 냉각.
5. 에 어셈블리를 켜고 상단에서 검사합니다. PEG는 완전히 프로브와 보강재 사이의 인터페이스를 채울 수 있도록 필요에 따라 재가열. 프로브가 투명하기 때문에이 시각적으로 평가 될 수있다. 어셈블리가 최고 (프로브)를 좌우 히터에 앉아있다으로, 수동으로 1-3 전자 배치탭 위에 고체 PEG의 엑스트라 알약이이 지역에서 추가로 보강 (그림 6)을 제공하는 프로브에 녹아 있도록. 마지막으로, 어셈블리가 PEG가 굳은 너무 냉각 할 수 있습니다. 이 시점에서, 조립은 수술 삽입을위한 준비가되어 있습니다.

2. 삽입 및 추출

1. 탭 영역에서의 미세 조작기의 팔에 보강재의 뒷면을 부착하여도 7a에 도시 된 바와 같이 미세 조작기에 프로브 보강재 어셈블리를 장착합니다. 이 양면 테이프 나 시멘트로 수행하지만, 접착제로 프로브를 문의하지 않도록주의 할 수있다. 일시 쉽게 낮은 힘으로 제거 할 수 있도록 접착 퍼티의 작은 조각과 미세 조작기에 프로브의 커넥터 끝을 고정합니다.
2. 대상에 프로브 어셈블리를 배치하고 원하는 삽입의 속도로 프로브를 삽입합니다. 이 프로토콜을 개발할 때 0.13-0.5 mm / 초의 삽입 속도를 사용 하였다.
3. 즉시 부드럽게 미세 조작기로부터 프로브의 커넥터 끝을 제거하고 제 매니퓰레이터 아암 (도 7b)로, 주변 정보 표면에 나머지. PEG는 프로브를 생기죠 피하기 위해 용해 시작 전에 수행해야합니다.
4. PEG가 용해 될 때까지 기다리십시오. 이 시간은 PEG 분자량과 프로브와 보강재 사이의 접촉 면적에 의존 할 것이다. 예를 들어 10,000 G / 몰, 미세 프로브 약 6 ㎜, 폭 306 μm의입니다 일치하는 보강재의 PEG 분자량, 15 분 시간의 충분한 양의 것으로 밝혀졌다. 프로토콜의 제 3 필요한 용해 시간을 테스트 할 수있는 방법을 제시한다. 이 시간 동안, 대상 (그림 7C) 위의 임의의 PEG를 용해 탭 삽입 점을 중심으로 적기를 사용하여 인산염 완충 생리 식염수 (PBS)를 적용한다.
5. 동력을 사용하여 마이크로 포지셔너의 변위를 적용하여 보강재의 추출을 시작5mm / 초의 속도로 100 μM. 이 초기의 빠른 움직임은 정적 마찰을 극복하고 프로브 변위를 최소화하는 데 도움이됩니다. 그런 다음, 약 0.1 mm / 초 (그림 7D)의 느린 속도로 보강재 추출을 완료합니다.
6. 실제 수술의 경우, ^21에서와 같이, 프로브를 고정하고 보호하기위한 삽입 부위에서 겔, 실리콘, 및 / 또는 치과 아크릴을 적용하는 일반적인 절차를 계속한다.

3. 아가 로스 젤 테스트

프로토콜의이 섹션에서는 대량 기계적 특성, 산도, 그리고 뇌 조직 ^17,22의 염분 농도를 대략적으로 0.6 % 아가로 오스 겔에 보강재의 추출 검사 설정 및 절차에 대해 설명합니다. 젤이 짧은 거리를 거의 투명하기 때문에, 보강재의 분리 및 프로브 변위를 관찰 할 수있다.

1. 인산염 완충 생리 식염수 (PBS)의 0.6 % 아가로 오스의 솔루션을 준비합니다. ELE에 혼합완전 아가 분말을 용해 vated 온도. 얕은 아크릴 상자에 솔루션을 부어 젤 깊은 3/4- 1 있어야합니다. 시간 동안 실온에서 설정 겔 것을 허용한다.
2. 이 건조하지 않도록 경화 젤을 PBS로 포화되어 있는지 확인하고, 37 ℃에 젤을 가열
3. 도 8에 도시 된 바와 같이 아가 로스 겔의 미세 조작기, 상자, 현미경 카메라 시스템을 설정한다.
4. 젤 박스의 측면 (그림 8) 사이에 밀어 젤의 상자에 유리 참조 기준점을 삽입합니다. 디지털 현미경의 시야에 참조 기준점의 기능을 사각형으로 치과 선택을 사용합니다.
5. 2.1 단계에 설명 된대로 미세 조작기에 프로브 어셈블리를 장착합니다.
6. 약 1mm 기준 기준점 뒤에 젤에 프로브 어셈블리를 놓습니다.
7. 시야에서 원하는 깊이로 안내하는 카메라를 사용하여, 겔로 프로브를 삽입한다.
8. 즉시 근처의 표면에 휴식을 프로브의 커넥터 끝을 이동합니다.
9. 프로브 (참조 기준점 기능이 약간 초점이 될 수있다)에 초점을 카메라 영상에 필요한 조정을합니다. 프로브 위치의 스냅 샷을 가져 가라.
10. PEG (이 시간이 다를 수 있으며, 실제로 테스트 할 수있는 매개 변수가 될 수있다) 용해 할 수 있습니다. 젤 위에 그 PEG를 용해 탭 근처에 PBS를 적용합니다.
11. 원하는 경우 비디오 캡처를 시작하고 2.5 단계에 설명 된대로 보강재의 추출을 시작합니다. 추출이 완료되면, 프로브 위치의 최종 스냅 샷을 촬영.
12. 보강재 추출 전후의 이미지를 비교하기 위해 이미지 처리 도구를 사용합니다. 이미지를 (정렬)를 등록 시야에서 볼 수 있습니다 참조 기준점의 기능을 사용합니다. 프로브에 공지 된 기능의 크기에 기초하여 화상의 배율을 보정. 프로브 변위의 거리를 측정한다.

결과

이러한 삽입 방법은 ISO 10993 생체 적합성 기준을 통과 만성 이식을 위해 의도된다 LLNL 박막 폴리이 프로브와 함께 사용 하였다. 전형적인 박막 폴리이 프로브는 좁은 영역에 긴 대략 10mm 인 실리콘 보강재와 함께도 1에 도시되어있다. 그림 2에서와 같이이 보강재는, 그 길이를 따라 실행 한 발산 채널을 가지고 있습니다. 3의 실리콘이 밖으로 보강재를 만드는 ?...

토론

여기에서 설명하는 방법은 biodissolvable 접착제로 별도의 보강재로 박막 고분자 프로브를 장착 할 수있는 잘 제어 방법을 제공한다. 또한 이러한 착탈 보강재와 관련 프로브 보강재 구성 체외에서 절차의 유효성을 검사하는 기술을 구현하는 추천 수술 절차이다 선보였다. 보강재는 임의로 경질 이루어질 수 있기 때문에,이 방법은 비교적 긴 프로브 (> 3mm)의 삽입을 용이하게 할 수있다. 이?...

자료

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