Inserção de Flexible Neural Sondas Usando Reforços rígidos anexados com Biodissolvable Adhesive

Resumo

A inserção de sondas de microeletrodos neurais flexíveis está habilitado, anexando sondas para reforços rígidos com polietileno glicol (PEG). Um processo de montagem exclusiva garante uniforme e apego repetível. Após a inserção no tecido, o PEG se dissolve e o reforço é extraído. Um método de ensaio in vitro, avalia a técnica em gel de agarose.

Resumo

Matrizes de microeléctrodos para dispositivos de interface neurais que são feitas de polímero biocompatível de película fina são esperados ter estendido vida funcional, porque o material flexível pode minimizar a resposta adversa do tecido causado por micromovimentos. No entanto, a sua flexibilidade impede que eles sejam precisamente inserida no tecido neural. Este artigo demonstra um método para fixar temporariamente uma sonda flexível de microeletrodos para um reforço rígido usando polietileno glicol biodissolvable (PEG) para facilitar a inserção preciso, cirúrgico da sonda. Um design único reforço permite a distribuição uniforme do adesivo PEG ao longo do comprimento da sonda. Ligação Virar-chip, uma ferramenta comum usada em microeletrônica embalagem, permite o alinhamento e fixação da sonda precisa e repetível para o reforço. A sonda e de reforço são implantados cirurgicamente em conjunto, em seguida, o PEG é deixado dissolver-se de modo que o reforço pode ser extraído, deixando a sondano lugar. Por fim, um método de ensaio in vitro é utilizado para avaliar a extracção de reforço num modelo de gel de agarose de tecido cerebral. Esta abordagem à implantação provou ser particularmente vantajoso para as sondas mais flexíveis (> 3 mm). Ele também proporciona um método viável para a implantação de sondas flexíveis de dupla face. Até à data, a técnica tem sido utilizada para obter vários dados in vivo de gravação a partir do córtex de rato.

Introdução

Matrizes de microeletrodos são uma ferramenta essencial em neurociência, bem como aplicações clínicas emergentes, como próteses. Em particular, penetrantes sondas micro-eletrodos permitem a estimulação e registro da atividade neuronal através do contato próximo com as células do cérebro, medula espinhal e nervos periféricos. Um grande desafio para as sondas neurais implantados é a estabilidade e longevidade das funções de estimulação e gravação. Os estudos de modelação e experimentais da interacção entre sondas de microeléctrodos e tecido neural sugeriram que um mecanismo de degradação é micro-rasgamento do tecido neural devido a um ligeiro movimento relativo entre a sonda e o tecido ^1-3. Uma solução é fabricar sondas flexíveis que correspondem mais de perto as propriedades de rigidez em massa de tecido neural, a fim de minimizar micromovimento relativa. Como tal, polímeros biocompatíveis película fina, como poliimida e parylene foram adotados como substratos favoráveis ​​para microeleceléctrodo investiga ^4-8.

Uma troca de sondas flexíveis é que eles são difíceis de inserir no tecido neural. Os investigadores têm tido abordagens diferentes para facilitar a inserção de sondas flexíveis enquanto preserva as propriedades mecânicas desejáveis. Uma classe de projetos modifica a geometria da sonda polímero para aumentar a rigidez em determinadas seções ou eixos, mantendo a conformidade em outras partes. Isto foi conseguido através da incorporação de nervuras ou camadas de outros materiais de ^9,10. Outra abordagem integra um canal 3-D para o desenho da sonda de polímero que é enchido com material biodegradável ^11. Esta sonda pode ser endurecido temporariamente, e depois da inserção do material em dissolver o canal de saída e de esgotos. No entanto, os métodos como estes que modificam permanentemente a geometria do dispositivo final implantado pode comprometer algumas das características desejáveis ​​da sonda flexível.

Um método que faz not alterar a geometria da sonda final é para encapsular o dispositivo de polímero com material biodegradável para endurecer temporariamente o dispositivo de ^12-14. No entanto, os materiais biodegradáveis ​​típicos têm pedidos de módulos de Young de grandeza menor do que a de silício e, por consequência, necessitam de maior espessura para conseguir a mesma rigidez. Adequadamente revestimento da sonda pode resultar em uma ponta mais arredondada ou cega, fazendo inserção mais difícil. Além disso, uma vez que os revestimentos que se dissolvem são expostos, há um risco de se dissolver imediatamente ao entrar em contacto, ou mesmo grande proximidade, com o tecido.

Uma outra classe de métodos utiliza materiais de substrato novo teste que reduzem a rigidez depois de ser implantado no tecido. Tais materiais incluem polímeros de memória de forma ¹⁵ e um nanocompósito adaptativo mecanicamente ^16. Estes materiais são capazes de diminuir o módulo de elasticidade significativamente após a inserção, e pode resultar em que as sondas mais intimamente MatCh as propriedades mecânicas do tecido neural. No entanto, a gama possível de rigidez ainda é limitado, portanto, podem não ser capazes de fornecer muito elevada rigidez equivalente ao silício ou tungstênio fios. Assim, no caso de sondas flexíveis, que são muito longo (por exemplo,> 3 mm) ou que têm extremamente baixa rigidez, pode ainda ser necessário um método de fixar temporariamente um reforço mais rígidas.

Ainda um outro método promissor relatado é para revestir um serviço de transporte de enrijecimento com um auto-montagem monocamada permanente (SAM) para personalizar a interação de superfície entre o ônibus ea sonda flexível ^17. Quando seca, a sonda adere ao transporte revestido eletrostático. Após a inserção, a água migra para a superfície hidrofílica, separando a sonda do ônibus para que o transporte pode ser extraído. Foi demonstrada a extração de Transporte com o deslocamento da sonda reduzida (85 mm). No entanto, com apenas interacções electrostáticas que prende a sonda de tele shuttle, há algum risco de derrapagem sonda em relação ao transporte, antes e durante a inserção.

Desenvolvemos um método em que a sonda flexível é ligada a um reforço com um material adesivo temporário biodissolvable que prende firmemente a sonda durante a inserção. As sondas utilizadas foram feitas de poliamida, que tem um módulo de elasticidade da ordem de 2-4 GPa. O reforço foi fabricado a partir de silicone, com um módulo de elasticidade de 200 GPa ~. Quando ligada, a rigidez do silício domina, facilitando a inserção. Uma vez inserido no tecido, o material adesivo se dissolve e o reforço é extraído para restaurar a sonda para a sua flexibilidade inicial. Foram selecionados de polietileno glicol (PEG) como o material adesivo biodissolvable. PEG tem sido usada em aplicações de implantados, tais como sondas neurais, engenharia de tecidos, e ^11,18,19 a entrega da droga. Algumas evidências sugerem que o PEG pode atenuar resposta neuroinflammatory no cérebrotecido ^18,20. Em comparação com outros materiais possíveis, incluindo sacarose,-co-ácido glicólico ácido poli (PLGA), e álcool polivinílico (PVA), o PEG tem um tempo de dissolução em fluidos biológicos, que é de uma dimensão adequada para muitas cirurgias de implante (na ordem de dezenas de minutos, dependendo do peso molecular). Além disso, é sólido à temperatura ambiente e líquido a temperaturas variando 50-65 ° C. Esta propriedade faz com que seja particularmente adequado para o nosso processo de montagem de precisão. Além disso, semelhante à descrita no SAM ^17, o PEG é dissolvido hidrofílica, facilitando a extracção do reforço. Esta abordagem vantajoso é ativado por um projeto reforço novela e processo de montagem metódica que garantir a cobertura adesiva uniforme e alinhamento preciso e repetível. Em adição ao processo de montagem, que apresentam o método de aplicação do reforçador removível durante a cirurgia, bem como um processo in vitro para avaliar a extracção do stiffener.

O protocolo aqui apresentado assume que o utilizador possua uma sonda microeléctrodo de polímero flexível. A parte do protocolo relativo a fabricação do reforço e a montagem desta sonda para um enrijecedor assume acesso a ferramentas comuns encontradas em instalações de microfabricação. O protocolo relativo à inserção e extração provavelmente seria realizado em um laboratório orientada a neurociência.

Protocolo

1. Assembleia da Sonda para Stiffener

Esta secção do protocolo descreve a fabricação de um reforçador de silício, e a montagem de uma sonda de polímero de película fina para o reforço. Figura 1 ilustra uma sonda neuronal polímero típico, juntamente com o reforço proposto. Os detalhes da concepção de reforço são mostrados na Figura 2. O romance característica deste projeto é a rasa "absorção" do canal em execução ao longo de seu comprimento, que é usado para distribuir adesivo líquido durante a montagem. A porção mais larga do reforçador é um guia para a manipulação durante a montagem e a inserção cirúrgica. Um reservatório no separador liga ao canal. O componente é fabricado a partir de silício usando os processos de microfabricação padrão.

1. O reforço de silício com um canal de capilaridade foi fabricada a partir de um (SOI) bolacha de silício sobre isolante com uma espessura de camada do dispositivo igual à espessura desejada para o reforço ( Figura 3A). A gama razoável de espessura reforço é de 20-100 m. Recomenda-se que a largura do reforço ser de 20-30 mM menor do que a largura da sonda, o que ajuda a evitar transbordamento do adesivo a partir do interface de ligação com a ponta da sonda. Primeiro, os canais de capilaridade são seco-gravadas utilizando o processo de Bosch padrão (Figura 3B). Em seguida, a geometria de reforço está definido por uma erosão mais que pára sobre a camada de óxido enterrado (Figura 3C). Finalmente, os reforços são libertados por molhado de gravura a camada de óxido enterrado em 49% de ácido fluorídrico (Figura 3D). Depois de uma minuciosa lavagem dos reforços, mergulhe-os em água deionizada por 15 min.
2. Coloque um sedimento de polietileno glicol (PEG) de peso molecular de 10.000 g / mol para dentro do reservatório (Figura 4). Aquecer o reforço para 65 ° C, de modo que o PEG derrete e pavios para dentro do canal, por acção capilar. Em seguida, arrefecer até à temperatura ambiente para solidificar.
3. A Figura 5 mostra um diagrama esquemático do chip Bonder aleta configurado. Coloque o reforço de cabeça para baixo no palco base do bonder flip chip, em seguida, pegar o reforço com a cabeça da ferramenta. Coloque a sonda de cabeça para baixo no palco base. Usando o bonder flip chip, alinhar o reforço ea sonda e abaixe o reforço e coloque-a na sonda.
4. A fase de base do Bonder flip chip deve ter um elemento de aquecimento para aplicar calor para o substrato. Após a colocação do reforço, aquecer o conjunto, mais uma vez a 65 ° C. Permitir um minuto para o PEG a refusão e começam a encher na interface entre a sonda e reforço. Legal para solidificar.
5. Vire o conjunto mais e inspecionar a partir do topo. Reaquecimento conforme necessário para permitir que o PEG para encher completamente a interface entre a sonda e o reforço. Isto pode ser avaliado visualmente uma vez que a sonda é transparente. Como o conjunto é sentado no aquecedor superior (sonda-) para cima, coloque manualmente 1-3 epelotas xtra de PEG sólido para o separador de modo a que elas derretem sobre a sonda, proporcionando um reforço adicional nesta região (Figura 6). Finalmente, permitir que o conjunto esfriar para que o PEG solidifica. Neste ponto, o conjunto está pronto para inserção cirúrgica.

2. Inserção e Extração

1. Montar o conjunto de sonda de reforço a um micromanipulador, tal como ilustrado na Figura 7A, aderindo a parte de trás do esticador para o braço micromanipulador na região do separador. Isto pode ser feito com fita dupla face ou de cimento, mas tome cuidado para não entrar em contato com a sonda com adesivo. Temporariamente fixar a extremidade do conector da sonda para o micromanipulador com um pequeno pedaço de massa de vidraceiro de adesivo de tal modo que ela pode ser facilmente removida com pouca força.
2. Posicione o conjunto da sonda sobre o alvo e introduzir a sonda com a velocidade de inserção desejado. Velocidades de inserção de 0,13-0,5 mm / s foram utilizados no desenvolvimento deste protocolo.
3. Remover imediatamente a extremidade do conector da sonda do micromanipulador delicadamente e colocá-la sobre uma superfície próxima, como um segundo braço manipulador (Figura 7B). Isto deve ser feito antes de o PEG começa a dissolver-se, para evitar o deslocamento da sonda.
4. Dê tempo para PEG para dissolver. Este período de tempo dependerá do peso molecular do PEG e a área de contacto entre a sonda e reforço. Por exemplo, com o PEG de peso molecular de 10.000 g / mol, uma sonda microeléctrodo cerca de 6 mm e um reforço correspondente, que é de 306 um de largura, 15 min foi encontrado para ser uma quantidade de tempo adequada. Seção 3 do protocolo apresenta um método para testar o tempo de dissolução necessário. Durante este tempo, aplicam-se tampão fosfato salino (PBS), utilizando um conta-gotas em torno do ponto de guia e inserção para dissolver qualquer PEG que é acima do alvo (Figura 7C).
5. Usando um microposicionador motorizado, começam a extracção do reforço através da aplicação de um deslocamento100 mM a uma velocidade de 5 mm / seg. Este movimento rápido inicial ajuda a superar qualquer atrito estático e minimizar o deslocamento da sonda. Em seguida, completar a extracção de reforço a uma velocidade mais lenta de aproximadamente 0,1 mm / segundo (Figura 7D).
6. No caso de uma cirurgia real, continuar com os procedimentos normais de aplicação de gel, de silicone, e / ou acrílico dental no local de inserção para fixar e proteger a sonda, tal como demonstrado no ^21.

3. Agarose Gel Teste

Esta seção do protocolo descreve um procedimento estabelecido e examinar a extração do reforço em um gel de agarose a 0,6%, que aproxima as propriedades mecânicas em massa, pH e salinidade do tecido cerebral ^17,22. Uma vez que o gel é quase transparente por meio de distâncias curtas, a separação de reforço e deslocamento da sonda pode ser observado.

1. Prepara-se uma solução de 0,6% de agarose em tampão fosfato salino (PBS). Misture a um elementovada temperatura para dissolver completamente o pó de agarose. Despeje a solução em uma caixa de acrílico rasa; gel deve ser 3/4- 1 em profundidade. Permitir que o gel repousar à temperatura ambiente durante uma hora.
2. Certifique-se de que o gel endurecido é saturada com PBS de modo a que não seque, e aquecer o gel a 37 ° C.
3. Configurar o micromanipulador, caixa de gel de agarose, e um sistema de câmara microscópica, como mostrado na Figura 8.
4. Insira uma referência de vidro fiducial na caixa de gel deslizando-o entre o gel e o lado da caixa (Figura 8). Use uma pick dental a quadratura as características do fiducial referência ao campo de visão do microscópio digital.
5. Montar o conjunto de sonda para o micromanipulador, tal como descrito na etapa 2.1.
6. Posicione o conjunto da sonda sobre o gel cerca de 1 mm por trás do fiducial referência.
7. Inserir a sonda em gel, utilizando a câmera para guiá-la a uma profundidade desejada no campo de visão.
8. Mover-se imediatamente a extremidade de ligação da sonda para descansar sobre uma superfície próxima.
9. Faça os ajustes necessários para a imagem da câmera para focar a sonda (os recursos fiduciais de referência pode ser um pouco fora de foco). Tome um instantâneo do local da sonda.
10. Permitir PEG para dissolver (este tempo pode variar, e na verdade pode ser um parâmetro a ser testado). Aplicar PBS perto da guia para dissolver o PEG que é acima do gel.
11. Iniciar captura vídeo, se desejado, e começar a extracção do reforço tal como descrito na etapa 2.5. Quando a extração for concluída, tirar um instantâneo final localização da sonda.
12. Use as ferramentas de processamento de imagens para comparar as imagens antes e depois da extração de reforço. Use os recursos do fiducial de referência que são visíveis no campo de visão para se registrar (alinhar) as imagens. Calibrar a escala da imagem com base no tamanho dos elementos conhecidos na sonda. Meça a distância de deslocamento da sonda.

Resultados

Esta técnica de inserção foi usado em conjunto com LLNL sondas de poliimida de película fina, os quais passaram ISO 10993 padrões de biocompatibilidade e são destinados à implantação crónica. Uma sonda típica poliimida de película fina é ilustrada na Figura 1, juntamente com um fixador de silício que é de aproximadamente 10 mm de comprimento na região estreita. Este reforço tem um canal de capilaridade que corre ao longo do seu comprimento, como mostrado na Figura 2. Figura 3

Discussão

O método descrito aqui fornece um processo bem controlado para anexar sondas de polímeros de película fina de reforços separadas com um adesivo biodissolvable. Também apresentado é o procedimento cirúrgico recomendado para implementar estes stiffeners removível e uma técnica para validar o processo in vitro para uma dada configuração da sonda-reforço. Uma vez que o reforço pode ser feito de forma arbitrária rígida, o método pode facilitar a inserção de sondas relativamente longas (> 3 mm). ...

Materiais

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