Indsættelse af Fleksibel Neural Probes Brug Stive Afstivninger Attached med Biodissolvable Adhesive

Summary

Indsættelse af fleksible neurale mikroelektrode prober er aktiveret ved at fastgøre prober til stive afstivninger med polyethylenglycol (PEG). En unik samling proces sikrer en ensartet og gentagelig fastgørelse. Efter indføring i vævet, PEG opløses og afstivningen ekstraheres. En in vitro-testmetode evaluerer teknik agarosegel.

Abstract

Mikroelektrode arrays til neurale interface-enheder, der er fremstillet af biokompatible tynd-film polymer forventes at have forlænget funktionel levetid, fordi det fleksible materiale kan minimere negativ væv reaktion forårsaget af mikrobevægelse. Men deres fleksibilitet forhindrer, at de bliver præcist indsat i nervevæv. Denne artikel viser en fremgangsmåde til midlertidigt at fastgøre en fleksibel mikroelektrode probe til en stiv stiver hjælp biodissolvable polyethylenglycol (PEG) for at lette nøjagtig kirurgisk indføring af sonden. En unik afstivende design giver mulighed for ensartet fordeling af PEG klæbemiddel langs længden af ​​proben. Flip-chip-binding, et fælles værktøj, der anvendes i mikroelektronik emballage muliggør nøjagtig og reproducerbar justering og fastgørelse af proben til afstivningen. Sonden og afstivende implanteres kirurgisk sammen, så PEG er tilladt at opløse, således at afstivningen kan udvindes forlader sondenpå plads. Endelig er en in vitro-test, der anvendes til at evaluere stiver udvinding i en agarosegel model af hjernevæv. Denne tilgang til implantation har vist sig særlig fordelagtig til længere fleksible prober (> 3 mm). Det giver også en realistisk metode til at implantere dobbeltsidede fleksible prober. Til dato er teknikken blevet anvendt til at opnå forskellige in vivo optagelse af data fra rotte cortex.

Introduction

Mikroelektrode arrays er et vigtigt redskab i neurovidenskab samt nye kliniske applikationer såsom proteser. Især gennemtrængende mikro-elektrode sonder muliggøre stimulering og registrering af neuronal aktivitet gennem tæt kontakt med celler i hjernen, rygmarv og perifere nerver. En stor udfordring for implanterede neurale sonder er stabilitet og holdbarhed af stimulering og optagelse funktioner. Modellering og eksperimentelle studier af samspillet mellem mikroelektrode sonder og nervevæv har foreslået, at man mekanisme for nedbrydning er mikro-rivning af nervevæv grund af en lille relativ bevægelse mellem sonden og væv ^1-3. En løsning er at fabrikere fleksible sonder, der matcher nøjere bulk stivhedsegenskaber af nervevæv for at minimere relativ mikrobevægelse. Som sådan har biokompatible tyndfilm polymerer, såsom polyimid og parylen blevet vedtaget som gunstige substrater for microelectroden sonder ^4-8.

En afvejning af fleksible prober er, at de er vanskelige at indsætte i det neurale væv. Forskere har taget forskellige tilgange til at lette indføring af fleksible sonder og samtidig bevare de ønskelige mekaniske egenskaber. En klasse af mønstre modificerer polymerens probe geometri for at øge stivheden i visse dele eller akser samtidig opretholde overensstemmelse i andre dele. Dette er opnået ved at inkorporere ribber eller lag af andre materialer ^9,10. En anden fremgangsmåde integrerer en 3-D-kanalen i polymeren probe design, der er fyldt med bionedbrydeligt materiale ^11.. Denne sonde kan midlertidigt stivnede, og efter indsættelse materialet i kanalen opløser og afløb ud. Fremgangsmåder, såsom dem, der permanent modificerer geometrien af ​​den endelige implanterede enhed kan imidlertid kompromittere nogle af de ønskelige træk af den fleksible probe.

En metode, der gør not ændre det endelige probe geometri er at indkapsle den polymere enhed med bionedbrydeligt materiale til midlertidigt at afstive enheden ^12-14. Men typiske bionedbrydelige materialer har Youngs moduli størrelsesordener mindre end silicium og vil derfor kræve større tykkelse for at opnå samme stivhed. Tilstrækkeligt coate sonden kan resultere i en mere afrundet eller stump spids, hvilket gør indføring vanskeligere. Også, da opløselige overtræk er udsat for, er der en risiko for, at opløse straks ved kontakt, eller endda tæt nærhed med vævet.

En anden klasse af fremgangsmåder anvender nye sonde substratmaterialer, der reducerer stivhed efter implanteres i væv. Sådanne materialer indbefatter polymerer med formhukommelse ¹⁵ og en mekanisk adaptive nanocomposite ^16. Disse materialer er i stand til at falde i elasticitetsmodulet betydeligt efter indsættelse, og kan resultere i prober, tættere modsvh de mekaniske egenskaber af nervevæv. Men den opnåelige stivhedsområde er stadig begrænset, så de kan ikke være i stand til at levere en meget høj stivhed svarende til silicium eller wolfram ledninger. Således i tilfælde af fleksible sonder, der er meget lang (fx> 3 mm), eller som har ekstremt lav stivhed, kan være nødvendig en metode til midlertidigt at fastgøre en mere stiv stiver.

Endnu en lovende metode rapporteres er at belægge en afstivende shuttle med en permanent selvsamlende monolag (SAM) for at tilpasse interaktionen overflade mellem rumfærgen og den fleksible probe ^17. Når den er tør, sonden klæber til coatede rumfærgen elektrostatisk. Efter indsætning vand vandrer på den hydrofile overflade, der adskiller sonden fra shuttle således at shuttle kan udvindes. Shuttle ekstraktion med reduceret probedeplacering blev påvist (85 um). Men med kun elektrostatiske interaktioner holder sonden til than shuttle, der er en vis risiko for probe glidning i forhold til shuttle før og under indføring.

Vi har udviklet en fremgangsmåde, hvor den fleksible probe er fastgjort til en afstivning med en midlertidig biodissolvable klæbende materiale, der sikkert holder sonden under indføring. De anvendte prober var fremstillet af polyimid, som har et elasticitetsmodul i størrelsesordenen 2-4 GPa. Afstivningen blev fremstillet af silicium, med et elasticitetsmodul på ~ 200 GPa. Når den er monteret, stivheden af ​​silicium dominerer, hvilket letter indsættelse. Når den er indsat i vævet, det klæbende materiale opløses og afstivningen ekstraheres at genoprette sonden til sin oprindelige fleksibilitet. Vi valgte polyethylenglycol (PEG) som biodissolvable klæbende materiale. PEG har været anvendt i implanterede applikationer såsom neurale sonder, tissue engineering og drug delivery ^11,18,19. Nogle beviser har antydet, at PEG kan svække neuroinflammatoriske reaktion i hjernenvæv ^18,20. Sammenlignet med andre mulige materialer, herunder saccharose, poly mælke-co-glycolsyre (PLGA) og polyvinylalkohol (PVA), PEG har en opløsningstid i biologiske væsker, der er af en passende målestok for mange implantat operationer (i størrelsesordenen ti minutter, afhængigt af molekylvægt). Desuden er det er fast ved stuetemperatur og flydende ved temperaturer i området 50-65 ° C. Denne egenskab gør det særligt velegnet til vores præcision samling proces. Desuden ligner SAM beskrevet i ¹⁷ opløst PEG er hydrofil lette ekstraktion af afstivningen. Denne fordelagtige metode er aktiveret af en roman stiver design og metodisk samling proces, der sikrer ensartet klæbende dækning og præcis og gentagelig justering. Ud over samleprocessen præsenterer vi metode til gennemførelse af den aftagelige afstivningen under kirurgi, såvel som en in vitro-fremgangsmåde til at vurdere ekstraktion af stiffener.

Protokollen præsenteret heri forudsætter, at brugeren har en fleksibel polymer mikroelektrode sonde. Den del af protokollen vedrørende fabrikation af afstivningen og montering af denne sonde til en stiver forudsætter adgang til almindelige værktøjer findes i en microfabrication facilitet. Protokollen vedrørende isætning og udtrækning vil sandsynligvis blive udført i en neurovidenskab-orienteret laboratorium.

Protocol

1.. Montering af Probe til Stiffener Denne del af protokollen beskriver fremstilling af en silicium stiver, og montering af en tynd film polymer sonde til afstivningen. Figur 1 illustrerer en typisk polymer neurale sonde sammen med den foreslåede afstivningen. Detaljerne i afstivningen design er vist i figur 2.. Det hidtil ukendte træk ved denne udformning er den lave "væge"-kanal, der løber langs dens længde, som anvendes til at distribuere fly…

Representative Results

Denne indsættelse teknik blev brugt i forbindelse med LLNL tynd-film polyimid sonder, som har bestået ISO 10993 biokompatibilitet standarder og er beregnet til kronisk implantation. En typisk tynd-film polyimid probe er vist i figur 1 sammen med en silicium stiver, der er cirka 10 mm lange i det snævre område. Denne stiver har en vægevirkning kanal løber langs dens længde, som vist i fig. 2. Figur 3 illustrerer mimcrofabrication proces, der anvendes til at skabe denne afstivninge…

Discussion

Den her beskrevne metode giver en velkontrolleret proces at vedhæfte tynd-film polymer sonder til særskilte afstivninger med en biodissolvable lim. Endvidere præsenteres anbefalede kirurgisk procedure til at gennemføre disse flytbare afstivninger og en teknik til at validere fremgangsmåden ved in vitro for en given probe-stiver konfiguration. Da afstivningen kan gøres vilkårligt stift kan fremgangsmåden lette indføring af relativt lange prober (> 3 mm). Som sådan forventes indsættelsen metode til …

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