Введение гибкого Neural зондов с помощью жестких ребер жесткости с приложением Biodissolvable клей

Резюме

Введение гибких нейронных микроэлектродов зондов включена путем присоединения зондов с жесткими элементами жесткости с полиэтиленгликолем (ПЭГ). Уникальный процесс сборки обеспечивает равномерное повторяемые вложение. После введения в ткань, ПЭГ растворяется и жесткости извлекается. Метод испытания в пробирке оценивает технику в агарозном геле.

Аннотация

Микроэлектродные массивы для нейронных интерфейсных устройств, которые сделаны из биологически совместимого тонкопленочного полимера, как ожидается, продлен срок службы функциональную, так как гибкий материал может свести к минимуму вредное реакцию ткани, вызванное микродвижения. Тем не менее, их гибкость предотвращает их точно вставлена ​​в нервной ткани. В этой статье показано метод временно прикрепить гибкий зонд микроэлектрода к жесткой жесткости с использованием biodissolvable полиэтиленгликоль (ПЭГ), чтобы облегчить точное, хирургического введения зонда. Уникальная конструкция позволяет жесткости для равномерного распределения клея PEG по длине зонда. Flip-чип склеивание, обычным инструментом, используемым в микроэлектронной упаковки, обеспечивает точное и повторяемость результатов и стабильность присоединить датчик к жесткости. Зонд и жесткости хирургическим путем имплантируют вместе, то PEG разрешено растворяются, так что ребра жесткости могут быть извлечены оставив зондна месте. Наконец, метод испытания в пробирке используется для оценки извлечение элемента жесткости в агарозном геле модели мозговой ткани. Такой подход к имплантации оказалась особенно выгодным для больше гибких зондов (> 3 мм). Она также обеспечивает приемлемый метод, чтобы имплантировать двусторонняя гибких зондов. На сегодняшний день метод был использован для получения различных прижизненно данных записи из крысиных коры.

Введение

Микроэлектродные массивы являются важным инструментом в области неврологии, а также возникающие клинические приложения, такие как протезирование. В частности, проникающие микро-электродов зонды позволяют стимуляции и регистрации активности нейронов при тесном контакте с клетками мозга, спинного мозга, и периферических нервов. Одна из основных задач для имплантированных нейронных зондов является стабильность и долговечность стимуляции и записи функций. Моделирование и экспериментальные исследования взаимодействия между микроэлектродных зондов и нервной ткани показали, что одним из механизмов деградации является микро-разрыв нервной ткани в связи с небольшим относительного движения между зондом и ткани ^1-3. Одно из решений состоит в изготовлении гибких зондов, которые соответствуют более тесно объемные свойства жесткости нервной ткани, чтобы минимизировать относительное Micromotion. Таким образом, биосовместимые тонкопленочные полимеры, такие как полиимида и парилена были приняты в качестве благоприятных подложек для микроэлектроникиTrode зонды ^4-8.

Компромисс гибких зондов является то, что их трудно вставить в нервную ткань. Исследователи взяли различные подходы для облегчения введения гибких зондов, сохраняя желаемые механические свойства. Один класс конструкций изменяет геометрию полимер зонда для увеличения жесткости в некоторых разделах или топорами, сохраняя при этом соблюдение в других частях. Это было достигнуто за счет включения ребра или слои других материалов ^9,10. Другой подход объединяет 3-D канал в дизайне полимер зонда, который заполняется биоразлагаемых материалов ^11. Этот зонд может быть временно застыл, и после введения материала в растворится каналов и стоков из. Однако методы, такие как эти, которые постоянно изменяют геометрию конечного имплантированного устройства может поставить под угрозу некоторые из желательных характеристик гибкого зонда.

Один из методов, который делает пOT изменить конечной геометрии зонда является для инкапсуляции полимерного устройства с биоразлагаемых материалов временно ужесточить устройство ^12-14. Однако типичные биоразлагаемые материалы имеют модули заказы Юнга величины меньше, чем у кремния и будет, следовательно, требуют большую толщину, чтобы достичь того же жесткость. Адекватное покрытие зонд может привести к более округлой или тупым кончиком, что делает более трудным вставки. Кроме того, поскольку растворимые покрытия подвергаются, существует риск их растворения сразу же после контакта, или даже близость, с тканью.

Другой класс методов использует роман зонда материалов подложки, которые снижают жесткости после имплантации в ткани. Такие материалы включают полимеры с памятью формы ¹⁵ и механически адаптивного нанокомпозита ^16. Эти материалы способны уменьшить в значительной упругости после введения, и может привести к зондов, которые более тесно MATCч механические свойства нервной ткани. Однако достижимый диапазон жесткости по-прежнему ограничено, поэтому они не могут быть в состоянии предоставить очень высокую жесткость, эквивалентную кремния или вольфрамовой проволоки. Таким образом, в случае гибких зондов, которые очень долго (например,> 3 мм) или которые имеют чрезвычайно низкую жесткость, метод временного присоединения более жесткую жесткости могут по-прежнему требуется.

Еще один перспективный метод сообщили является покрытие трансфер жесткости с постоянным самосборки монослоя (SAM), чтобы настроить поверхностное взаимодействие между шаттла и гибкого зонда ^17. При сухой, зонд придерживается шаттла покрытием электростатическим. После вставки, вода мигрирует на гидрофильной поверхности, отделяя зонд от челнока так, что трансфер может быть извлечен. Добыча Трансфер с уменьшенным перемещением зонда была продемонстрирована (85 мкм). Тем не менее, с только электростатические взаимодействия удерживая зонд тон трансфер, есть некоторый риск зонда проскальзывания относительно челнока до и во время введения.

Мы разработали способ, в котором гибкий зонд, прикрепленный к жесткости с временным biodissolvable клейкого материала, который надежно удерживает зонд во время вставки. Зонды, используемые были сделаны из полиимида, который имеет модуль упругости порядка 2-4 ГПа. Элемент жесткости был изготовлен из кремния, с модулем упругости ~ 200 ГПа. Когда присоединены, жесткость кремния доминирует, облегчения введения. После введения в ткань, адгезивный материал растворяется и жесткости извлекается для восстановления зонда в исходное гибкости. Мы выбрали полиэтиленгликоль (ПЭГ) в качестве адгезивного материала biodissolvable. PEG был использован в имплантированных приложений, таких как нейронные зондов, тканевой инженерии и доставки лекарственных средств ^11,18,19. Некоторые данные предположил, что ПЭГ может ослабить реакцию нейровоспалительных в мозгеткань ^18,20. По сравнению с другими возможными материалами, в том числе сахароза, поли молочной-со-гликолевой кислоты (PLGA) и поливинилового спирта (ПВС), ПЭГ имеет время растворения в биологических жидкостях, которая имеет соответствующем масштабе в течение многих операций имплантатов (порядка десятков минут, в зависимости от молекулярной массы). Кроме того, он является твердым при комнатной температуре и жидким при температурах в диапазоне от 50-65 ° С. Это свойство делает его особенно подходящим для нашего процесса точность сборки. Кроме того, аналогично описанной в SAM ^17, растворяли ПЭГ является гидрофильным, что облегчает извлечение элемента жесткости. Это выгодное подход включена по новому дизайну жесткости и методического процесса сборки, которые обеспечивают равномерное покрытие клей и точной и повторяемость результатов. В дополнение к процессу сборки, мы представляем метод реализации съемный элемент жесткости во время операции, а также процедуру в пробирке, чтобы оценить добычу ГНИffener.

Протокол, представленные здесь предполагается, что пользователь обладает гибкой полимерной микроэлектрода зонда. Частью протокола, касающегося изготовление элемента жесткости и сборке этого зонда к жесткости предполагает доступ к распространенных инструментов, найденных в микротехнологий объекта. Протокол, касающийся введения и извлечения, вероятно, будет выполняться в неврологии, ориентированных на лаборатории.

протокол

1. Ассамблея Probe для жесткости

В этом разделе протокола описывает изготовление кремниевой жесткости и сборку тонкопленочных полимеров зонда к жесткости. Рисунок 1 иллюстрирует типичную полимер нейронной зонд вместе с предлагаемой жесткости. Детали конструкции жесткости показаны на рисунке 2. Новой особенностью этой конструкции является мелкой "влагу" канал проходящую вдоль его длины, которая используется для распределения жидкого клея во время сборки. Чем шире часть жесткости вкладка для обработки в процессе сборки и хирургического вставки. Резервуар на вкладке подключается к каналу. Компонент изготовлен из кремния, используя стандартные процессы микротехнологий.

1. Кремний жесткости с капиллярного канала был изготовлен из (SOI) пластины кремния на изоляторе с толщиной слоя устройство, равной требуемой толщины элемента жесткости ( фиг.3А). Разумный диапазон толщины ребра жесткости 20-100 мкм. Рекомендуется, чтобы ширина элемента жесткости 20-30 мкм меньше, чем ширина зонда, который помогает предотвратить переполнение клея из интерфейса связи в верхней части зонда. Сначала влагу каналы сухого травления при помощи стандартного процесса Bosch (рис. 3б). Далее, геометрия жесткости определяется более длительного травления, который останавливается на скрытой оксидной слоя (фиг.3С). Наконец, ребра жесткости выпущен влажного травления захороненным оксидным слоем в 49% фтористоводородной кислоты (рис. 3D). После тщательного промывания ребер жесткости, впитать их в деионизированной воде в течение 15 мин.
2. Поместите шарик полиэтиленгликоля (ПЭГ) с молекулярной массой 10000 г / моль в резервуар (рис. 4). Нагреть жесткости до 65 ° С, так что PEG плавится и фитили в канал под действием капиллярных сил. Затем охлаждают до комнатной температуры затвердеть.
3. 5 показан схематический вид флип-чип вяжущего создана. Поместите жесткости с ног на голову на базовом этапе флип-чип вяжущего, затем подобрать жесткости с главой инструмента. Поместите зонд с ног на голову на базовом этапе. Использование Flip Chip связующие вещества, совместите жесткости и зонд и затем опустите жесткости и поместить его на штырь.
4. Основание этап флип-чип вяжущего должны иметь нагревательный элемент для нагревать подложку. После размещения жесткости, тепло сборку еще раз до 65 ° С Разрешить одна минута для ПЭГ переплавлять и начинают заполнять на границе между зондом и жесткости. Прохладный затвердеть.
5. Поверните сборку снова и проверить сверху. Разогрейте по мере необходимости, чтобы позволить ПЭГ, чтобы полностью заполнить интерфейс между зондом и жесткости. Это может быть визуально оценивали с зонд является прозрачным. Как сборка сидит на нагревателе топ-(зонд-) стороной вверх, вручную поместить 1-3 еXtra гранулы из твердых ПЭГ на вкладку, так что они тают на зонд, обеспечивая дополнительное усиление в этом регионе (рис. 6). Наконец, позвольте сборка для охлаждения, так что ПЭГ затвердевает. В этот момент сборка готова к хирургической вставки.

2. Вставка и извлечение

1. Установите зонд-элемента жесткости в сборе на микроманипулятора как показано на рисунке 7А, придерживаясь заднюю часть жесткости к микроманипулятора руку на области вкладок. Это может быть сделано с двухсторонней ленты или цемента, но будьте осторожны, чтобы не связываться с зонда с клеем. Временно закрепите конец разъем зонда к микроманипулятора с небольшой кусочек липкой замазки, что она может быть легко удалена с низким силу.
2. Расположите зондовый узел над целью и вставьте датчик с желаемой скоростью вставки. Скорость введения 0.13-0.5 мм / сек были использованы при разработке этого протокола.
3. Немедленно снять конец разъем зонда от микроманипулятора мягко и поставить ее на соседнем поверхность, например, на второй манипулятора (рис. 7В). Это должно быть сделано до того, как ПЭГ начинает растворяться, чтобы избежать смещения зонда.
4. Дайте время ПЭГ распустить. Это время будет зависеть от ПЭГ молекулярной массы и площади контакта между зондом и жесткости. Например, ПЭГ молекулярной массой 10000 г / моль, микроэлектрода зонда около 6 мм и соответствующий жесткости, который 306 мкм в ширину, 15 мин было обнаружено, что достаточное количество времени. Раздел 3 протокола представляет собой метод для тестирования требуемое время растворения. В течение этого времени применять забуференный фосфатом физиологический раствор (PBS) с помощью капельницы по закладке и вставки точки с целью растворить любую ПЭГ, который выше цели (рис. 7в).
5. Использование моторизованный микроподвижки, начать добычу элемента жесткости, применяя смещение100 мкм при скорости 5 мм / сек. Этот первоначальный быстрое движение помогает преодолеть статическое трение и свести к минимуму перемещение зонда. Затем завершить извлечение элемента жесткости с меньшей скоростью около 0,1 мм / с (рис. 7D).
6. В случае фактического хирургии, продолжить описание обычных процедур применять гель, силикон, и / или зубной акрил в месте введения для обеспечения безопасности и защиты зонда, как показано в ^21.

3. Агарозном геле Тест

В этом разделе протокола описывает настройки и процедуру рассмотрения извлечение элемента жесткости в 0,6% агарозном геле, который приближает объемные механические свойства, рН и соленость мозговой ткани ^17,22. Поскольку гель почти прозрачной через короткие расстояния, разделение жесткости и перемещение зонда можно наблюдать.

1. Готовят раствор 0,6% агарозы в забуференном фосфатом физиологическом растворе (PBS). Смешайте на элеТемпература отключенной до полного растворения агарозы порошок. Залейте раствор в неглубокую акриловой коробке; гель должен быть 3/4- 1 в глубину. Разрешить к гелю, установленного при комнатной температуре в течение часа.
2. Убедитесь, что закаленные гель насыщен PBS так, чтобы она не высыхает, и нагревают гель до 37 ° С.
3. Настройте Микроманипулятор, коробку агарозном геле и микроскопическую систему камеры, как показано на рисунке 8.
4. Вставьте опорный Fiducial стекла в поле геля, сдвинув ее между гелем и стороне коробки (рис. 8). Используйте зубную выбор в квадрат функции на опорной Fiducial в поле зрения цифровой микроскоп.
5. Установите зондовый узел к микроманипулятора как описано в шаге 2.1.
6. Расположите зондовый узел поверх геля около 1 мм за контрольной Fiducial.
7. Вставьте датчик в гель, с помощью камеры, чтобы направлять его в нужную глубину в поле зрения.
8. Сразу переместить конец разъем зонда отдохнуть на соседнем поверхности.
9. Внесите необходимые изменения в изображение с камеры, чтобы сосредоточиться на зонде (эталонные фидуциальные функции могут быть немного не в фокусе). Сделать снимок расположения зонда.
10. Разрешить, чтобы растворить ПЭГ (на этот раз может меняться, и на самом деле может быть параметром для тестирования). Применить PBS рядом вкладке распустить PEG, что выше геля.
11. Начать захват видео по желанию, и начать добычу элемента жесткости как описано на стадии 2.5. Когда распаковка завершится, принять окончательное снимок положения зонда.
12. Используйте инструменты обработки изображений, чтобы сравнить изображения до и после экстракции жесткости. Используйте функции на опорной Fiducial, которые видны в поле зрения, чтобы зарегистрировать (выровнять) изображения. Калибровка масштаб изображения на основании размера известных функций на зонде. Измерьте расстояние перемещения зонда.

Результаты

Эта техника была использована вставка в сочетании с ЛЛНЛ тонкопленочных полиимидных зондов, которые прошли ISO 10993 стандартов биосовместимости и предназначенных для лечения хронической имплантации. Типичный тонкопленочный полиимид зонд показано на фиг.1 вместе с кремниевой ж...

Обсуждение

Описанный здесь метод обеспечивает хорошо управляемый процесс, чтобы присоединить тонкопленочных полимерных зонды для отдельных элементов жесткости с biodissolvable клея. Мы приводим также рекомендуется хирургическая процедура, чтобы реализовать эти съемные ребра жесткости и технику для ...

Материалы

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