Einfügen von Flexible Neural Sonden mit starren Versteifungen Biodissolvable mit Klebstoff befestigt
Summary
Einführen des flexiblen neuralen Mikrosonden durch Anbringen Sonden starre Versteifungen mit Polyethylenglykol (PEG) aktiviert. Eine einzigartige Montageprozess gewährleistet eine einheitliche und wiederholbare Anhang. Nach dem Einführen in das Gewebe löst sich das PEG und das Versteifungselement herausgezogen. Ein in vitro-Testverfahren beurteilt die Technik in Agarosegel.
Abstract
Mikroelektroden-Arrays für neuronale Interface-Geräte, die von biokompatiblen Dünnschicht-Polymer hergestellt werden, werden erwartet, um funktionelle Lebensdauer verlängert haben, weil das flexible Material kann negative Gewebereaktion durch Mikrobewegungen zu minimieren. , Jedoch verhindert, dass sie ihre Flexibilität aus, die genau in das Nervengewebe eingesetzt. Dieser Artikel beschreibt eine Methode, um vorübergehend befestigen ein flexibles Mikrosonde an einem starren Versteifung mit biodissolvable Polyethylenglykol (PEG), um präzise, chirurgische Einführen der Sonde zu erleichtern. Eine einzigartige Versteifungs Design ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der PEG-Klebstoff entlang der Länge der Sonde. Flip-Chip-Bonden, ein übliches Werkzeug in der Mikroelektronik Verpackung, ermöglicht eine genaue und wiederholbare Ausrichtung und Befestigung der Sonde an der Versteifung. Die Sonde und Versteifung werden chirurgisch implantiert zusammen, dann ist die PEG wird sich auflösen, so dass die Versteifung extrahiert werden, so dass die Sondean Ort und Stelle. Schließlich wird ein in vitro-Testverfahren verwendet werden, um Versteifungs Extraktion in einem Agarosegel Modell des Hirngewebes zu beurteilen. Für mehr flexible Sonden besonders vorteilhaft hat sich dieser Ansatz der Implantation nachgewiesen (> 3 mm). Es stellt auch eine praktikable Methode, um zweiseitige flexible Sonden implantieren. Bisher wurde die Technik verwendet, um verschiedene In-vivo-Aufnahme von Daten aus der Rattenhirnrinde zu erhalten.
Introduction
Mikroelektroden-Arrays sind ein unverzichtbares Werkzeug in den Neurowissenschaften sowie neue klinische Anwendungen wie Prothetik. Insbesondere, durchdringenden Mikroelektrodensonden ermöglichen Stimulation und Ableitung neuronaler Aktivität durch den engen Kontakt mit den Zellen im Gehirn, Rückenmark und peripheren Nerven. Eine große Herausforderung für implantierten neuronalen Sonden ist die Stabilität und Langlebigkeit der Stimulation und Aufnahme-Funktionen. Modellierung und experimentelle Untersuchungen über die Wechselwirkung zwischen Mikrosonden und Nervengewebe haben vorgeschlagen, dass ein Mechanismus zum Abbau Mikroreißen von Nervengewebe aufgrund einer geringfügigen Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Gewebe 1-3. Eine Lösung ist die flexible Sonden, die stärker die Großsteifigkeitseigenschaften von Nervengewebe, um eine relative Mikrobewegung zu minimieren entsprechen herzustellen. Als solche haben biokompatiblen Dünnschicht Polymere, wie Polyimid, Parylene und als Substrate für günstige Mikroelektronik übernommentrode Sonden 4-8.
Ein Kompromiss von flexiblen Sonden ist, dass sie schwer in das neuronale Gewebe einzufügen sind. Forscher haben verschiedene Ansätze verfolgt, um die Einführung von flexiblen Sonden ermöglichen, unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften wünschenswert. Eine Klasse von Designs modifiziert die Polymersondengeometrie, um die Steifigkeit in bestimmten Abschnitten oder Achsen zu erhöhen, während in anderen Teilen der Einhaltung. Dies wurde durch den Einbau von Rippen oder Schichten aus anderen Materialien 9,10 erreicht. Ein weiterer Ansatz integriert ein 3-D-Kanal in die Polymersondenkonstruktion, die mit biologisch abbaubaren Material 11 gefüllt ist. Diese Sonde kann vorübergehend versteift werden, und nach dem Einführen des Materials in den Kanal löst und abfließt. Jedoch solche Verfahren, die die Geometrie des endgültigen implantierten Vorrichtung permanent ändern können einige der wünschenswerten Eigenschaften der flexiblen Sonde beeinträchtigen.
Eine Methode, die funktioniert not den endgültigen Sondengeometrie zu verändern ist, um die Polymervorrichtung mit biologisch abbaubarem Material, die Vorrichtung 12-14 vorübergehend versteifen kapseln. Jedoch haben typische biologisch abbaubaren Materialien Elastizitätsmodule um Größenordnungen kleiner als die von Silizium und würde folglich erfordern größere Dicke, um die gleiche Steifigkeit zu erreichen. Ausreichend Beschichtung kann die Sonde in einer abgerundeten oder stumpfen Spitze führen, was Einsetzen schwieriger. Da lösliche Beschichtungen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr, dass sie unmittelbar nach dem Kontakt Auflösen oder auch nahe, mit dem Gewebe.
Eine weitere Klasse von Methoden verwendet neuartige Sonde Substratmaterialien, die nach der Implantation in das Gewebe in der Steifigkeit zu reduzieren. Solche Materialien umfassen Formgedächtnispolymere 15 und eine mechanisch adaptive Nanokomposit-16. Diese Materialien sind in der Lage, E-Modul deutlich nach dem Einsetzen zu verringern, und können Sonden, die enger matC führenh die mechanischen Eigenschaften des Nervengewebes. Allerdings ist die erzielbare Reichweite der Steifigkeit noch begrenzt, so dass sie nicht in der Lage, sehr hohe Steifigkeit entspricht Silizium-oder Wolframdrähten bereitzustellen. So ist in dem Fall von flexiblen Sonden, die sehr lange (z. B.> 3 mm), oder dass eine extrem geringe Steifigkeit sind, kann ein Verfahren zum zeitweiligen Anbringen eines starren Versteifungs noch erforderlich.
Noch ein weiteres vielversprechendes Verfahren berichtet, ist die Beschichtung ein Versteifungs Shuttle mit einem Permanentselbstorganisierende Monoschicht (SAM), die Oberflächenwechselwirkung zwischen dem Shuttle und der flexiblen Sonde 17 anpassen. Wenn es trocken ist, hält sich die Sonde auf die elektrostatisch beschichtet Shuttle. Nach dem Einführen wandert Wasser auf der hydrophilen Oberfläche, Abtrennen der Sonde von der Shuttle, so dass der Shuttle extrahiert werden. Shuttle-Extraktion mit reduziertem Hubraum Sonde nachgewiesen (85 um). Doch mit nur elektrostatische Wechselwirkungen Halten der Sonde zu ter-Shuttle, besteht das Risiko von Sonden Schlupf relativ zum Shuttle vor und während der Einführung.
Wir haben ein Verfahren, bei dem die flexible Sonde mit einer Versteifung mit einem temporären biodissolvable Klebematerial, das sicher hält die Sonde während des Einführens angebracht entwickelt. Die verwendeten Sonden waren aus Polyimid, das ein Elastizitätsmodul in der Größenordnung von 2-4 GPa aufweist. Die Versteifung aus Silizium hergestellt ist, mit einem Elastizitätsmodul von ca. 200 GPa. Wenn angebracht, die Steifigkeit des Silizium dominiert, das Einführen. Sobald sie in das Gewebe eingeführt wird, löst das Haftmaterial und das Verstärkungs extrahiert wird, um die Sonde in die Ausgangs Flexibilität wiederherzustellen. Wir wählten Polyethylenglykol (PEG) als biodissolvable Klebstoff. PEG wurde in implantierten Anwendungen wie neuronale Sonden, Tissue Engineering und Drug-Delivery 11,18,19 verwendet. Einige Beweise hat vorgeschlagen, dass PEG kann neuroinflammatorischen Antwort in Gehirn dämpfenGewebe 18,20. Im Vergleich zu anderen möglichen Materialien, einschließlich Saccharose, Polymilchsäure-co-Glykolsäure (PLGA) und Polyvinylalkohol (PVA), PEG hat eine Auflösungszeit in biologischen Flüssigkeiten, der aus einem geeigneten Maßstab für viele Implantat Operationen ist (in der Größenordnung von zehn Minuten, je nach Molekulargewicht). Darüber hinaus ist es bei Raumtemperatur fest und flüssig bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 65 ° C. Diese Eigenschaft macht sie besonders geeignet für unsere Präzisionsmontageprozesses. In 17 außerdem ähnlich dem SAM beschrieben, ist die hydrophile PEG gelöst, Erleichterung der Extraktion des Versteifungs. Diese vorteilhafte Ansatz wird durch ein neuartiges Design und methodische Versteifung Montageprozess die eine gleichmäßige Klebeabdeckung und genaue und wiederholbare Ausrichtung zu gewährleisten aktiviert. Zusätzlich zu den Montageprozess, präsentieren wir die Methode der Durchführung des entfernbaren Versteifungs während der Operation sowie ein in vitro-Verfahren zur Extraktion der STI auswertenffener.
Die hier vorgestellte Protokoll geht davon aus, dass der Benutzer eine flexible Polymermikrosonde besitzt. Der Teil des Protokolls über die Herstellung der Versteifung und Montage dieser Sonde zu einer Versteifung nimmt Zugriff auf gemeinsame Werkzeuge in einer Mikroanlage gefunden. Das Protokoll über die Steck-und Zieh würde wahrscheinlich in einem Neuroorientierten Labor durchgeführt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier beschriebene Methode bietet eine gut kontrollierten Prozess zu Dünnfilm-Polymersonden separate Versteifungen mit einem biodissolvable Klebstoff befestigen. Auch dargestellt ist die empfohlene chirurgischen Prozedur, um diese abnehmbar Steifen und ein Verfahren, das Verfahren in vitro für eine bestimmte Sondenversteifungs Konfiguration validieren implementieren. Da kann die Versteifung beliebig starr gemacht werden kann, kann das Verfahren Einführen relativ lange Sonden (> 3 mm) zu erleichtern. So…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von NIH NIDCD Y1-DC-8002 bis 01 unterstützt. Diese Arbeit wurde unter der Schirmherrschaft des US-Department of Energy von Lawrence Livermore National Laboratory unter Vertrag DE-AC52-07NA27344 durchgeführt.
Materials
| Name of Reagent/Material | 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 |
Riferimenti
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