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Abstract
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Bio-ingénierie

Outils pour le traitement de surface des microélectrodes intracorticales planes au silicium

Published: June 08, 2022
doi:
10.3791/63500
, , , , , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University, 2Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Bioengineering,The University of Texas at Dallas

Summary

Le présent protocole décrit les outils de manipulation des microélectrodes intracorticales planaires de silicium lors de traitements de modification de surface par dépôt de gaz et réactions de solution aqueuse. L’assemblage des composants utilisés pour manipuler les appareils tout au long de la procédure est expliqué en détail.

Abstract

Les microélectrodes intracorticales ont un grand potentiel thérapeutique. Mais ils sont confrontés à une réduction significative des performances après des durées d’implantation modestes. Un contributeur substantiel au déclin observé est l’endommagement du tissu neural proximal à l’implant et la réponse neuro-inflammatoire subséquente. Les efforts visant à améliorer la longévité de l’appareil comprennent des modifications chimiques ou des applications de revêtement à la surface de l’appareil pour améliorer la réponse des tissus. Le développement de tels traitements de surface est généralement effectué à l’aide de sondes « factices » non fonctionnelles dépourvues des composants électriques requis pour l’application prévue. La traduction en dispositifs fonctionnels nécessite une attention supplémentaire compte tenu de la fragilité des réseaux de microélectrodes intracorticales. Les outils de manutention facilitent grandement les traitements de surface des appareils assemblés, en particulier pour les modifications qui nécessitent de longs délais de procédure. Les outils de manutention décrits ici sont utilisés pour les traitements de surface appliqués par dépôt en phase gazeuse et exposition à une solution aqueuse. La caractérisation du revêtement est réalisée par ellipsométrie et spectroscopie photoélectronique à rayons X. Une comparaison des enregistrements de spectroscopie d’impédance électrique avant et après la procédure de revêtement sur les dispositifs fonctionnels a confirmé l’intégrité de l’appareil après modification. Les outils décrits peuvent être facilement adaptés aux dispositifs d’électrodes alternatifs et aux méthodes de traitement qui maintiennent la compatibilité chimique.

Introduction

Les dispositifs neuroprothétiques visent à restaurer les capacités sensorielles et motrices altérées ou absentes dans un large éventail de populations de patients, y compris ceux souffrant de lésions de la moelle épinière, de sclérose latérale amyotrophique (SLA), de paralysie cérébrale et d’amputations 1,2,3. Les microélectrodes intracorticales (EMI) peuvent établir une voie de communication entre les neurones corticaux et les dispositifs utilisés pour contrôler les neuroprothèses. Un avantage distinct des microélectrodes intracorticales est leur capacité à enregistrer des signaux neuronaux à la haute résolution spatiale et temporelle, ce qui est préférable pour le traitement ultérieur du signal et le contrôle des interfaces cerveau-ordinateur 4,5. Malheureusement, la performance des microélectrodes intracorticales diminue considérablement dans les mois à un an suivant l’implantation 2,6,7,8. La perte de qualité et de stabilité du signal affecte négativement l’application de la technologie.

Un contributeur significatif à la baisse de performance observée est la réponse biotique aux lésions tissulaires associées à l’implantation et à la neuroinflammation chronique 9,10,11. L’implantation d’IME inflige des dommages aux tissus cérébraux, entraînant la libération de molécules de signalisation qui initient des cascades de processus de défense cellulaire réactionnaires. L’interfaçage chronique exacerbe la réponse des corps étrangers, entraînant une neuroinflammation soutenue qui endommage les tissus proximaux de l’appareil; souvent reconnus comme des symptômes de neuroinflammation, de cicatrisation et de neurodégénérescence locale contribuant au déclin de l’enregistrement de la qualité du signal 12,13,14,15. Composée d’un conglomérat dense d’astrocytes avec des microglies et des macrophages activés entraînés, la cicatrice qui encapsule l’électrode crée un environnement local défavorable avec un transport de matériau réduit et une accumulation locale de facteurs inflammatoires 16,15,16,17,18.

De nombreuses études ont décrit la réponse du cerveau aux microélectrodes intracorticales ou des approches pour atténuer la réponse7. La recherche et le développement visant à améliorer la réponse tissulaire ont impliqué une gamme de stratégies, y compris des modifications de la structure globale, de la topologie de surface, des matériaux et de l’application des revêtements. Ces efforts visent à minimiser les dommages subis par l’événement d’implantation, à introduire une interface plus favorable entre le dispositif et les cellules proximales, ou à réduire la tension tissulaire après l’implantation du dispositif7. Les méthodes ciblant spécifiquement la réponse biologique chronique ont conduit à plusieurs revêtements bioactifs qui visent à stabiliser le site d’implantation et à promouvoir chimiquement la santé cellulaire. Les exemples incluent les polymères conducteurs tels que le poly(éthylène dioxythiophène) (PEDOT)19,20, les nanotubes de carbone21, les hydrogels22 et l’ajout de molécules bioactives et de médicaments pour cibler des processus cellulaires spécifiques 23,24,25. Notre groupe de recherche, en particulier, a exploré de nombreux mécanismes pour favoriser une réduction de la réponse inflammatoire aux microélectrodes implantées, y compris, mais sans s’y limiter, minimiser le traumatisme associé à l’implantation du dispositif26, minimiser l’inadéquation de rigidité du dispositif / tissu 27,28,29,30,31,32,33, optimiser la stérilisation procédures34,35, réduction du stress oxydatif / dommages 28,36,37,38,39,40,41,42, exploration de matériaux d’électrode alternatifs43 et imitation de la nano-architecture de la matrice extracellulaire naturelle 44,45,46 . L’intérêt récent est le développement de revêtements de surface biomimétiques pour atténuer la réponse neuro-inflammatoire à l’interface tissulaire de la microélectrode directement39.

La modification de l’interface offre l’avantage unique de cibler directement la plaie et le tissu proximal nécessaires à l’enregistrement du signal. Un traitement de surface qui favorise la guérison sans exacerber la réponse immunitaire peut bénéficier de la durée de vie de l’enregistrement de la qualité et éliminer les limites dans la réalisation du potentiel thérapeutique et de recherche des microélectrodes intracorticales. Le travail présenté détaille les méthodes d’application de traitements de surface aux réseaux de microélectrodes qui nécessitent des temps de réaction prolongés tout en tenant compte de la fragilité des dispositifs. La technique présentée vise à partager les méthodes de modification de surface avec les dispositifs fonctionnels où le dispositif ne peut pas être manipulé tout au long de l’application de traitement. Les outils sont présentés pour la manipulation de sondes factices non fonctionnelles et de réseaux de microélectrodes planes en silicium fonctionnel.

L’approche présentée pour modifier la surface de l’électrode permet la suspension sécurisée de sondes factices non fonctionnelles ou de réseaux d’électrodes planes en silicium fonctionnel pour le dépôt en phase gazeuse et la réaction avec des solutions aqueuses. Plusieurs pièces imprimées en 3D sont utilisées pour manipuler ces dispositifs fragiles (Figure 1 et Figure 2). Un exemple est fourni d’une procédure qui utilise à la fois des étapes de phase gazeuse et de phase de solution pour la modification de surface avec un revêtement antioxydant impliquant l’immobilisation de la porphyrine Mn(III)tétrakis (acide 4-benzoïque) (MnTBAP). MnTBAP est une métalloporphyrine synthétique possédant des propriétés antioxydantes avec une médiation démontrée de l’inflammation47,48. L’exemple fourni sur les réseaux d’électrodes planes en silicium fonctionnel valide une mise à jour d’un protocole précédemment signalé pour les dispositifs non fonctionnels40. L’adaptation d’une technique de dépôt en phase gazeuse de Munief et al. soutient la compatibilité du protocole avec les électrodes fonctionnelles49. Le dépôt en phase gazeuse est utilisé pour fonctionnaliser la surface par amine en préparation de la réaction aqueuse impliquant la chimie du réticulant carbodiimide afin d’immobiliser le MnTBAP actif. La méthodologie de manipulation développée ici est fournie sous la forme d’une plate-forme qui peut être modifiée pour accueillir d’autres revêtements et dispositifs similaires.

Le protocole illustre l’approche utilisant des sondes factices non fonctionnelles comprenant une tige en silicium et une languette imprimée en 3D avec des dimensions similaires aux réseaux d’électrodes planes en silicium fonctionnel. L’emballage du connecteur de l’appareil est considéré comme analogue à la languette imprimée en 3D de la sonde factice non fonctionnelle dans l’instruction fournie.

Figure 1
Figure 1 : Pièces imprimées en 3D pour la manipulation de dispositifs fonctionnels lors du dépôt en phase gazeuse dans un dessiccateur sous vide. (A) La base de la structure comprend des supports pour des carrés de silicium d’échantillon de 1 cm x 1 cm (flèche supérieure) et des trous pour la fixation à la plaque du dessiccateur (flèche inférieure). (B) La plaque est utilisée pour fixer la suspension des dispositifs. À partir de là, chaque pièce de cette figure sera appelée pièce 1A ou 1B. Barre d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour agrandir cette figure.

Figure 2
Figure 2: Pièces imprimées en 3D pour la manipulation de dispositifs fonctionnels pour la réaction de surface se produisant dans la solution aqueuse. (A) Pièce guide à coller sur le couvercle de la plaque de culture. (B) Pièces de paillasse utilisées pour stabiliser les pièces (C) et (D) lors de l’assemblage. (C) et (D) fixent ensemble la suspension des dispositifs à placer dans la plaque du puits, et (E) fixent en outre les pièces (C) et (D) au couvercle de la plaque du puits. À partir de là, les pièces individuelles de chaque panneau de cette figure seront appelées numéros de pièce correspondant au numéro de panneau de cette figure. Barre d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour agrandir cette figure.

Protocol

Tous les fichiers de codage pour l’impression 3D sont fournis dans les fichiers de codage supplémentaires 1-16. L’analyse fournie dans les résultats représentatifs est décrite à l’aide de réseaux d’électrodes planaires en silicium fonctionnel acquis commercialement (voir tableau des matériaux). 1. Ensemble de manutention pour le dépôt en phase gazeuse dans un dessiccateur sous vide REMARQUE: L’appa…

Representative Results

Pour démontrer l’utilisation des composants de manipulation, la méthodologie décrite a été mise en œuvre pour adapter l’immobilisation d’un médiateur oxydant au silicium activé. L’application de cette chimie aux EMI pour réduire le stress oxydatif a été conçue par Potter-Baker et al. et démontrée sur des sondes factices en silicium non fonctionnelles40. Ce traitement de surface immobilise l’antioxydant, le MnTBAP, à la surface du silicium activé par les UV/ ozone via<…

Discussion

Le protocole décrit a été conçu pour le traitement de surface des réseaux de microélectrodes planes de silicium. Les outils imprimés en 3D sont personnalisés pour des réseaux de microélectrodes de style Michigan avec des connecteurs à profil bas50. Les sondes non fonctionnelles ont été assemblées en adhérant une sonde en silicium à des languettes imprimées en 3D à l’aide d’un adhésif biocompatible. Les languettes imprimées en 3D ont été conçues avec des dimensions simila…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette étude a été soutenue en partie par le Merit Review Award IRX002611 (Capadona) et le Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) du Département des Anciens Combattants des États-Unis (US) Rehabilitation Research and Development Service. En outre, ce travail a également été soutenu en partie par le National Institute of Health, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke R01NS110823 (Capadona / Pancrazio) et le National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (Krebs).

Materials

1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC) Sigma-Aldrich 165344-1G Solid, stored desiccated at -20 °C
15 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher Scientific 14-959-70C
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties Cole-Parmer EW-06830-66 Length 4 inches
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) Sigma-Aldrich 4432-31-9 Solid
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) Sigma-Aldrich 440140-100ML Liquid, container with Sure/Seal
50 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher Scientific 14-959-49A
Aluminum foil Fisher Scientific 01-213-103
Aluminum weighing dishes Fisher Scientific 08-732-102 Diameter 66 mm
Bel-Art Vacuum Desiccator Fisher Scientific 08-594-15B
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates Millipore Sigma CLS3527-100EA 24-well plate, polystyrene
Cyanoacrylate Adhesive LocTite N/A
Digital Microscope Keyence VHX-S750E
Disco DAD3350 Dicing Saw Disco DAD3350 Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples
Double-Sided Polyimide Tape Kapton Tape PPTDE-1/4 ¼” x 36 yds.
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound Masterbond EP21LVMed Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine Epilog N/A CO2 laser
Foam tape XFasten N/A 1/8" Thick
Gamry Interface 1010E Potentiostat Gamry 992-00129
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps Fisher Scientific 12-000-131
Lab tape Fisher Scientific 15-901-10L
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP) EMD Millipore 475870-25MG Solid, stored at -20 °C
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC) Sigma-Aldrich 56485-250MG Solid, stored desiccated at 4°C
Platinum clad niobium mesh anode Technic N/A Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel NeuroNexus A1x16-3mm-100-177-CM16LP Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm
Silicon Wafer University Wafer 1575 Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade
Silver/silver Chloride reference electrode Gamry Instruments 930-00015
Solidworks N/A
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws McMaster Carr 96877A629 #8-32, 1 1/2", fully threaded
Type I deionized water ChemWorld CW-DI1-20
Ultimaker 3 3D printer Ultimaker  N/A
Ultimaker Cura Ultimaker N/A 3D printing software
Ultimaker NFC ABS Filament Dynamism, Inc. 1621 2.85 mm
Ultimaker NFC PLA Filament Dynamism, Inc. 1609 2.85 mm
Vacuum Gauge Vacuum Gauge Measureman Direct N/A Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0
Wing nuts Everbilt 934917 #8-32, zinc plated
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References

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Krebs, O. K., Mittal, G., Ramani, S., Zhang, J., Shoffstall, A. J., Cogan, S. F., Pancrazio, J. J., Capadona, J. R. Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes. J. Vis. Exp. (184), e63500, doi:10.3791/63500 (2022).
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