Biodissolvable Yapıştırıcı ile Attached sert katılaştıncılar kullanma Esnek Sinir Sondalar ekleme

Özet

Esnek sinir mikroelektrodlu prob yerleştirilmesi polietilen glikol (PEG) ile sert katılaştmcılarla sondalar takılarak etkindir. Benzersiz bir montaj işlemi üniforma ve tekrarlanabilir eki sağlar. Doku içine yerleştirilmesinden sonra, PEG çözdüğü ve takviye ekstre edilmiştir. Bir in vitro test yöntemi, agaroz jel tekniği değerlendirir.

Özet

Esnek malzeme mikro-neden olduğu olumsuz doku yanıtı en aza indirir, çünkü biyo-uyumlu bir ince film polimerden yapılmış nöral arabirim cihazları için Mikroelektrod diziler fonksiyonel kullanım süresi uzatılabilir olması bekleniyor. Ancak, esneklik doğru sinir doku içine sokulan engeller. Bu makalede, geçici olarak, sondanın kesin, cerrahi sokulmasını kolaylaştırmak için biodissolvable polietilen glikol (PEG) kullanılarak sert bir takviyenin esnek bir mikroelektrot sonda takmak için bir yöntemi gösterir. Benzersiz bir takviye tasarım probun uzunluğu boyunca PEG yapışkan maddenin eşit olarak dağılımı için izin verir. Flip-çip bağlama, mikro paket olarak kullanılan bir araç, takviyenin doğru ve tekrarlanabilir hizalama ve prob takılmasını sağlar. Sonda ve takviye cerrahi sonra PEG takviye prob bırakarak elde edilebilir, böylece çözmek için bırakılır, birlikte implanteyerinde. Son olarak, bir in vitro test yöntemi, beyin dokusu, bir agaroz jel modelinde takviye çıkarma değerlendirmek için kullanılır. İmplantasyondan Bu yaklaşım (> 3 mm) daha esnek bir prob için özellikle avantajlı olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca çift taraflı esnek problar implant uygulanabilir bir yöntem sağlar. Bugüne kadar, tekniğin sıçan korteks çeşitli in vivo kayıt verileri elde etmek için kullanılmıştır.

Giriş

Mikroelektrod diziler bir nörobilim önemli bir araç yanı sıra protez gibi gelişen klinik uygulamalardır. Özellikle, delici mikro elektrot sondalar, beyin, omurilik, ve periferal sinirlerde hücreleri ile yakın temas yoluyla nöronal aktivitenin uyarılmasını ve kayıt sağlar. Implante nöral problar için büyük bir meydan okuma uyarım ve kayıt fonksiyonları istikrar ve uzun ömürlü. Mikroelektrot prob ve nöral doku arasındaki etkileşimin modellenmesi ve deneysel çalışmalar bozulması için, bir mekanizma nedeniyle sistemi ve doku ^1-3 arasında küçük nispi hareketi sinir dokusunun mikro yırtılma olduğunu ileri sürmüşlerdir. Bir çözelti, daha yakın nispi mikro-en aza indirmek için nöral doku toplu sertlik özelliklerine uygun problar, esnek imal etmektir. Bu nedenle, böyle bir polimid ve Parylene gibi biyo-uyumlu polimerler, ince film Mikroelektronikler için uygun alt-tabakalar olarak kabul edilmiştirtrode ^4-8 inceledi.

Esnek probların bir değiş tokuş nöral doku içine eklemek zor olmasıdır. Araştırmacılar, arzu edilen mekanik özellikleri korurken esnek bir prob sokulmasını kolaylaştırmak için çeşitli yaklaşımlar geliştirmişlerdir. Tasarımlar bir sınıfı diğer bölgelerinde uyumu muhafaza ederken, belirli bir bölüm veya eksende sertliğini arttırmak için polimer prob geometri değiştirir. Bu kaburgalar ya da başka malzemeler ^9,10 katmanları dahil edilmesi ile başarılmıştır. Diğer bir yaklaşım, biyolojik olarak parçalanabilir malzeme ¹¹ ile doldurulur polimer Sonda tasarımı bir 3-D kanal bütünleştirir. Bu prob geçici kasıldı edilebilir ve kanal bitip kanalizasyon dışarı yerleştirilmesi malzeme sonra. Bununla birlikte, sürekli olarak son implante edilmiş cihazın geometrisini değiştirmek gibi, bu gibi yöntemler, esnek probun arzu edilen bazı özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilir.

N yapar Bir yöntemNihai sonda geometrisini değiştirmek ot geçici cihazı ^12-14 sertleştirmek için biyolojik malzeme ile polimer cihaz kapsüllemek olmaktadır. Bununla birlikte, tipik biyolojik olarak bozunabilir malzeme silisyum daha küçük büyüklükte Young modülleri emir ve bunun sonucunda aynı sertliği elde etmek için daha büyük bir kalınlık gerektirir. Yeterli prob yerleştirme daha zor hale daha yuvarlak veya künt ucu neden olabilir kaplama. Erir kaplamalar maruz beri Ayrıca, doku ile temas halinde hemen çözülmesi bunların risk, hatta yakınlığı vardır.

Yöntemlerin bir başka sınıfı, doku içine implante edildikten sonra sertlikteki düşüren yeni prob substratı malzemeler kullanmaktadır. Bu tür malzemeler, şekil belleği olan polimerler ¹⁵ ve bir mekanik uyarlanabilir nanokompozit ¹⁶ içerir. Bu maddeler yerleştirildikten sonra önemli ölçüde esneme modülü olarak azaltmak mümkün, ve daha yakından hizmeti t prob ile sonuçlanabilirnöral doku h mekanik özellikleri. Ancak, sertlik ulaşılabilir aralığı hala sınırlı, bu yüzden silikon veya tungsten teller çok yüksek sertlik eşdeğer sağlamak mümkün olmayabilir. Bu nedenle, son derece düşük bir sertliğe sahip çok uzun (örneğin,> 3 mm) veya esnek olan sondaların durumunda, geçici olarak daha sert bir sertleştirici tutturulmasına yönelik bir yöntem yine de gerekebilir.

Rapor Yine başka umut verici bir yöntem kat mekik ve esnek sonda ¹⁷ arasındaki yüzey etkileşimi özelleştirmek için kalıcı bir öz-montaj tek tabaka (SAM) ile bir sertleşme servis edilir. Kuru, prob elektrostatik kaplı mekik yapışır. Yerleştirilmesinden sonra, su servis elde edilebilir, böylece transfer gelen prob ayıran, hidrofilik yüzey üzerine hareket eder. Azaltılmış prob deplasman Servisi ekstraksiyon (85 mikron) saptandı. Ancak, elektrostatik etkileşimler t için sonda tutano mekik, yerleştirilmesinden önce ve sırasında mekik göre sonda kayma bazı riski vardır.

Bu esnek prob güvenli bir sokma esnasında probun tutan bir geçici biodissolvable yapışkan bir madde ile bir katılaştırıcı ile bağlı olduğu bir yöntem geliştirdik. Kullanılan sondalar 2-4 GPa sırasına elastik modülüne sahip polimid, yapılmıştır. Takviye ~ 200 GPa arasında bir elastik modül ile, silikondan imal edilmiştir. Bağlı olduğunda, silikon sertliği sokulmasını kolaylaştırmak, hakimdir. Sonra doku içine yerleştirilen, yapışkan malzeme çözdüğü ve takviye başlangıç ​​esnekliği için sonda geri ekstre edilmiştir. Biz biodissolvable yapışkan malzeme olarak polietilen glikol (PEG) seçilir. PEG gibi sinir probları, doku mühendisliği ve ilaç dağıtım ^11,18,19 olarak implante uygulamalarda kullanılmaktadır. Bazı kanıtlar PEG beyinde nöroenflamatuar yanıtı zayıflatabilir önerdidoku ^18,20. Sukroz, poli laktik-ko-glikolik asit (PLGA) ve polivinil alkol (PVA) de dahil olmak üzere diğer muhtemel malzemeler ile karşılaştırıldığında, PEG sırasına (çok sayıda implant ameliyatları için uygun bir ölçek olan biyolojik sıvılar içinde bir erime süresi vardır molekül ağırlığına bağlı olarak on dakika). Buna ek olarak, değişen sıcaklıklarda, oda sıcaklığında sıvı ve katı olan 50-65 ° C arasında Bu özellik, bizim hassas montaj işlemi için özellikle uygun hale getirir. Ayrıca, SAM benzer ¹⁷ 'de açıklanan çözünmüş PEG takviyenin çıkarılmasını kolaylaştıran, hidrofiliktir. Bu avantajlı yaklaşım üniforma kaplanmasını ve doğru ve tekrarlanabilir uyum sağlamak yeni bir takviye tasarım ve metodik montaj sürecinde etkindir. Montaj işlemi için ek olarak, ameliyat esnasında çıkarılabilir takviyesi uygulanması yöntemini, hem de sti çıkarılması değerlendirmek için bir in vitro prosedür mevcutffener.

Bu tarifnamede sunulan protokol, kullanıcı, esnek bir polimer mikroelektrot probu sahip olduğunu varsayar. Bir takviyenin bu sonda takviyenin ve montaj imalat ilişkin protokolünün parçası mikroimalat tesiste bulunan ortak araçlarına erişim varsayar. Ekleme ve çıkarma ile ilgili protokol, olası bir nörolojik odaklı laboratuarda gerçekleştirilecektir.

Protokol

1.. Sertleştirici için Probe Meclisi

Protokolün bu kısmı takviyenin bir silikon takviyenin imalat ve bir ince film polimer probunun düzeneğini tarif etmektedir. 1 önerilen katılaştıncı ile birlikte tipik bir polimer sinir probu Şekil göstermektedir. Sertleştirici tasarım detayları, Şekil 2 'de gösterilmiştir. Bu tasarım özelliği, yeni bir kanal montaj sırasında sıvı yapıştırıcı dağıtmak için kullanılan kendi uzunluğu boyunca uzanan "fitilleme" sığdır. Takviyenin daha geniş kısmı montaj ve cerrahi yerleştirme sırasında kullanımı için bir sekme olduğunu. Sekmesinde bir rezervuar kanala bağlanır. Bileşen, standart işlemler kullanılarak mikroimalat silikondan imal edilir.

1. Bir emme kanalı ile silikon takviye takviyenin arzu edilen kalınlığına eşit bir cihaz tabaka kalınlığı olan bir silikon üzerinde yalıtkan (SOI) levhanın (imal edilmiştir Şekil 3A). Sertleştirici kalınlığı makul 20-100 mikron. Bu takviyenin genişliği sondanın üstüne bağ arabiriminden yapıştırıcı taşmasını önlemek için yardımcı olan prob genişliği, 20-30 um 'den daha küçük olması önerilir. Öncelikle esneklik kanalları kuru kazınmış standart Bosch süreci (Şekil 3B) kullanıyorsunuz. Daha sonra, takviye geometrisi gömülü oksit tabakası (Şekil 3C) üzerinde duran bir uzun etch ile tanımlanır. Son olarak, sertleştiriciler% 49 hidroflorik asit (Şekil 3D), ıslak aşındırma gömülü oksit tabakası tarafından serbest bırakılır. Takviyelerin iyice yıkandıktan sonra, 15 dakika boyunca iyonu giderilmiş suda bekletin.
2. Rezervuara molekül ağırlığı 10000 g / mol olan polietilen glikol ile bir pelet (PEG) (Şekil 4) yerleştirin. PEG erir ve kılcal hareket ile kanalın içine ilerler, böylece 65 ° C'ye kadar sertleştirici ısıtın. Daha sonra katılaşmaya oda sıcaklığına soğumaya.
3. Şekil 5 flip çip yapıştırıcının şematik kurmak gösterir. Sonra aracı kafa ile sertleştirici pick up, baş aşağı çevirmek çip yapıştırıcının taban sahnede sertleştirici yerleştirin. Baş aşağı taban sahnede probu yerleştirin. Flip çip birleştirme düzeni kullanılarak, sertleştirici ve prob hizalamak ve daha sonra sertleştirici alt ve bir prob üzerine yerleştirin.
4. Kapak çip birleştirme düzeninin taban aşaması alt-tabakaya ısı uygulamak için bir ısıtma elemanı olmalıdır. Sertleştirici yerleştirildikten sonra, 65 ° C'de bir kez daha ısı düzeneğini PEG için, bir dakika yeniden ergitme ve prob ve takviyenin arasındaki ara doldurmak için başlamak için izin verin. Katılaşmaya soğutun.
5. Üzerinde derleme çevirin ve üst inceleyin. PEG tamamen sonda ile takviyenin arasındaki arayüzü doldurmak için izin vermek için gerektiği kadar tekrar ısıtın. Prob şeffaf olduğu için, bu görsel olarak değerlendirilebilir. Montaj üst-(prob-) kadar yan ısıtıcı üzerinde oturuyor gibi, elle 1-3 e yerleştirmeksekme üzerine katı PEG Xtra topakları bu bölgede ek takviye (Şekil 6) temin prob üzerinde erime böylece. Son olarak, montaj PEG katılaşır ve böylece soğumaya bırakın. Bu noktada, montaj cerrahi sokulması için hazır hale gelir.

2. Ekleme ve Çıkarma

1. Sekme bölgede mikromanipülatör koluna takviyenin arkasını yapıştırılmasıyla Şekil 7A'da gösterildiği gibi bir mikromanipülatör prob takviye düzeneği monte edin. Bu çift taraflı bant veya çimento ile yapılabilir, ancak yapıştırıcı ile prob temas etmemesine özen olabilir. Geçici kolayca düşük kuvvet ile kaldırılabilir şekilde yapıştırıcı macun küçük bir parça ile micromanipulator prob konektör ucunu sabitleyin.
2. Hedef üzerinde prob aksamını yerleştirin ve istenen yerleştirme hızı ile prob takın. Bu protokol geliştirilirken 0,13-0,5 mm / sn Ekleme hızı kullanıldı. '/ Li>
3. Hemen yavaşça mikromanipülatör ikinci probun bağlayıcı ucunu kaldırmak ve bu ikinci bir manipülatör kolunun (Şekil 7B) gibi, bir at yüzeye dinlenme. PEG probu yer değiştirmesi önlemek için çözünmesi başlamadan önce bu yapılmalıdır.
4. PEG çözmek için zaman tanıyın. Bu zaman miktarı, PEG molekül ağırlığı ve prob ve takviyenin arasındaki temas alanına bağlıdır. Örneğin 10,000 gr / mol, bir mikroelektrot prob yaklaşık 6 mm çapında ve 306 mm olan bir uygun sertleştirici PEG molekül ağırlığına sahip, 15 dakika bir zaman yeterli miktarda olduğu bulunmuştur. Protokolün 3. Bölüm gereken erime süresini test etmek için bir yöntem sunar. Bu süre boyunca, hedef (Şekil 7C) üzerinde herhangi bir PEG çözünmesi sekme ve ekleme noktası etrafında bir damlalık ile fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) uygulanır.
5. Bir motorlu micropositioner kullanarak, bir yer değiştirme uygulayarak takviyenin çıkarma başlar5 mm / sn 'lik bir hızda 100 um. Bu ilk hızlı hareket herhangi bir statik sürtünmeden ve prob deplasman en aza indirmek için yardımcı olur. Sonra, yaklaşık 0.1 mm / saniye (Şekil 7D) daha yavaş bir hızda sertleştirici ayıklanmasını tamamlamak.
6. Gerçek bir cerrahi durumunda, ^{21 'de} gösterildiği gibi, sonda güvenli ve korumak için ekleme yerinde jel, silikon ve / veya dental akrilik uygulamak için, normal işlemleri ile devam etmektedir.

3. Agaroz jel testi

Protokolün bu kısmı kütle mekanik özellikleri, pH, ve beyin dokusu ^17,22 arasında tuzluluk yaklaşan bir% 0.6 agaroz jeli içinde takviyenin çıkarma incelemek için kurmak ve prosedür açıklanmaktadır. Jel kısa mesafeler üzerinden neredeyse şeffaf olduğundan, takviye ayırma ve prob deplasman görülebilir.

1. Fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) içinde% 0.6 agaroz içinde bir çözeltisi hazırlandı. Bir ELE karıştırıntamamen agaroz tozu eritmek için sıcaklık sokulur. Sığ bir akrilik kutuya çözüm dökün, jel derin 3/4- 1 olmalıdır. Bir saat boyunca oda sıcaklığında ayarlanmış jel izin verin.
2. Dışarı kuru kalmaması sertleştirilmiş jel PBS ile doymuş olduğundan emin olun, ve 37 ° C jel ısı
3. Şekil 8'de gösterildiği gibi agaroz jel mikromanipülatör, kutusu ve mikroskobik kamera sistemi kurun.
4. Jel ve kutunun yan tarafında (şekil 8) arasında kaydırarak jel kutuya, bir cam referans referans yerleştirin. Dijital mikroskop görüş alanında referans miyar komponenti ile ilgili özellikleri kare için bir diş kullan.
5. Adım 2.1 'de tarif edildiği gibi mikromanipülatör sonda düzeneğini monte edin.
6. Yaklaşık 1 mm referans miyar komponenti arkasında jeli üzerinde sonda düzeneğini.
7. Görüş alanında istenen bir derinliğe için rehberlik kamerayı kullanarak, jel içine sonda yerleştirin. '/ Li>
8. Hemen yakındaki bir yüzey üzerinde dinlenmek için prob konektör ucunu hareket ettirin.
9. Prob (referans fiducial özellikleri biraz odak dışında olabilir) odaklanmak için kamera görüntüsüne herhangi gerekli ayarlamaları yapın. Prob konumu bir fotoğrafını çekin.
10. PEG (bu zaman değişebilir, ve aslında, test edilecek olan bir parametre olabilir) çözünmeye bırakılır. Jel üzerinde olduğunu PEG çözünmesi sekmesini yakınındaki PBS uygulayın.
11. Eğer istenirse video yakalama başlatın ve aşama 2.5 de tarif edildiği gibi takviyenin çıkarılması başlar. Ayıklama tamamlandığında, prob konumu son bir fotoğrafını çeker.
12. Sertleştirici ekstraksiyon öncesi ve sonrası görüntüleri karşılaştırmak için görüntü işleme araçlarını kullanın. Görüntüleri (align) kaydetmek için görüş alanında görünür referans miyar komponenti üzerinde özelliklerini kullanın. Prob üzerinde bilinen özelliklerinden boyutuna göre görüntü ölçeğini kalibre edin. Prob yerinden mesafeyi ölçün.

Sonuçlar

Bu ekleme tekniği ISO 10993 biyouyumluluk standartlarını geçti ve kronik implantasyon için amaçlanan LLNL ince film poliimid probları ile bağlantılı olarak kullanılmıştır. Tipik bir ince-film poliimid prob dar bölgede uzun, yaklaşık 10 mm olan bir silikon sertleştirici ile birlikte, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, bu takviye, kendi uzunluğu boyunca uzanan bir emme kanalı bulunur. 3 silikon dışında bu takviye...

Tartışmalar

Burada tarif edilen metot, bir biodissolvable yapıştırıcı ile ayrı bir takviye için ince film polimer probları takmak için, iyi kontrol edilen bir işlem sağlar. Ayrıca, bu gibi çıkarılabilir bir takviye ve belirli bir prob-sertleştirici konfigürasyon için in vitro prosedür doğrulamak için bir tekniği uygulamak için önerilen cerrahi prosedür sunulmuştur. Isteğe bağlı olarak sert bir takviye yapılabilir için, bu yöntem nispeten uzun sondalar (> 3 mm) yerleştirilmesini kolaylaş...

Malzemeler

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