La inserción de sondas Flexible Neural Usando refuerzos rígidos adjuntos con Biodissolvable Adhesivo
Summary
La inserción de sondas flexibles de microelectrodos neurales está activada uniendo sondas para refuerzos rígidos con polietilenglicol (PEG). Un proceso de montaje único asegura uniforme y repetible de fijación. Después de la inserción en el tejido, el PEG se disuelve y el rigidizador se extrae. Un método de ensayo in vitro evalúa la técnica en gel de agarosa.
Abstract
Se espera que las matrices de microelectrodos para dispositivos de interfaz neural que están hechos de polímero de película delgada han extendido biocompatible para toda la vida funcional porque el material flexible puede minimizar la respuesta adversa del tejido causada por el micromovimiento. Sin embargo, su flexibilidad evita que sean insertados correctamente en el tejido neural. Este artículo muestra un método para unir temporalmente una sonda microelectrodo flexible a un refuerzo rígido usando polietilenglicol biodissolvable (PEG) para facilitar la inserción precisa, quirúrgica de la sonda. Un diseño único de refuerzo permite una distribución uniforme del adhesivo de PEG a lo largo de la longitud de la sonda. Unión flip-chip, una herramienta común utilizada en la microelectrónica de envasado, permite la alineación y el acoplamiento de la sonda precisa y repetible al rigidizador. La sonda y el rigidizador se implantan quirúrgicamente juntos, entonces el PEG se deja que se disuelva de manera que el refuerzo se puede extraer dejando la sondaen su lugar. Finalmente, un método de ensayo in vitro se utiliza para evaluar la extracción de refuerzo en un modelo en gel de agarosa de tejido cerebral. Este enfoque de la implantación ha demostrado ser particularmente ventajoso para las sondas más largas flexibles (> 3 mm). También proporciona un método factible para implantar sondas flexibles de doble cara. Hasta la fecha, la técnica se ha utilizado para obtener diversos datos de la grabación en vivo de la corteza de rata.
Introduction
Arrays de microelectrodos son una herramienta esencial en la neurociencia, así como nuevas aplicaciones clínicas como prótesis. En particular, las sondas de penetración de micro-electrodos permiten la estimulación y registro de la actividad neuronal a través de un estrecho contacto con las células en el cerebro, la médula espinal y los nervios periféricos. Un reto importante para las sondas nerviosas implantados es la estabilidad y la longevidad de las funciones de estimulación y registro. Modelado y experimentales estudios de la interacción entre sondas de microelectrodos y tejido neural han sugerido que un mecanismo para la degradación es de micro-desgarro de tejido neural debido a la ligera movimiento relativo entre la sonda y el tejido 1-3. Una solución consiste en fabricar sondas flexibles que responden más a las propiedades de rigidez mayor parte del tejido neuronal con el fin de minimizar los micromovimientos relativa. Como tales, los polímeros de película delgada biocompatibles tales como poliamida y parileno se han adoptado como sustratos favorables para MICROELECtrodo sondas 4-8.
Una desventaja de las sondas flexibles es que son difíciles de insertar en el tejido neural. Los investigadores han adoptado diversos enfoques para facilitar la inserción de sondas flexibles mientras que preserva las propiedades mecánicas deseables. Una clase de diseños modifica la geometría de la sonda de polímero para aumentar la rigidez en ciertas secciones o ejes, manteniendo el cumplimiento de otras partes. Esto se ha logrado mediante la incorporación de costillas o capas de otros materiales de 9,10. Otro enfoque integra un canal de 3-D en el diseño de la sonda de polímero que se llena con material biodegradable 11. Esta sonda puede ser reforzada temporalmente, y después de la inserción del material en el que se disuelve el canal y se drena por la. Sin embargo, los métodos tales como estos que modifican de forma permanente la geometría del dispositivo implantado final, pueden comprometer algunas de las características deseables de la sonda flexible.
Un método que tiene not alterar la geometría final sonda es encapsular el dispositivo de polímero con material biodegradable para endurecer temporalmente el dispositivo de 12 a 14. Sin embargo, los materiales típicos biodegradables tienen órdenes de módulos de Young de magnitud menor que la del silicio y se lo que exigen una mayor espesor para conseguir la misma rigidez. Adecuadamente el recubrimiento de la sonda puede resultar en una punta más redondeada o roma, lo que hace más difícil la inserción. Además, dado que los recubrimientos solubles están expuestos, hay un riesgo de que la disolución inmediatamente después del contacto, o incluso muy cerca, con el tejido.
Otra clase de métodos utiliza materiales de sustrato nueva sonda que reducen la rigidez después de ser implantado en el tejido. Tales materiales incluyen polímeros con memoria de forma 15 y un nanocompuesto mecánicamente adaptativo 16. Estos materiales son capaces de disminuir en el módulo elástico significativamente después de la inserción, y pueden dar lugar a que sondas más estrechamente MatCh las propiedades mecánicas del tejido neural. Sin embargo, el intervalo alcanzable de la rigidez es todavía limitada, por lo que puede no ser capaz de proporcionar muy alta rigidez equivalente a la de silicio o de tungsteno cables. Así, en el caso de sondas flexibles que son muy largo (por ejemplo> 3 mm) o que tienen muy baja rigidez, puede aún necesario un método para unir temporalmente un refuerzo más rígido.
Otro método más prometedor reportado es recubrir un servicio de transporte de refuerzo con un auto-montaje permanente monocapa (SAM) para personalizar la interacción superficial entre el transbordador y la sonda flexible 17. Una vez seco, la sonda se adhiere a la lanzadera revestimiento electrostática. Después de la inserción, el agua migra sobre la superficie hidrófila, que separa la sonda de la lanzadera de modo que la lanzadera se puede extraer. Extracción de traslado con reducida desplazamiento de la sonda se demostró (85 micras). Sin embargo, con sólo interacciones electrostáticas que sostiene la sonda de tél lanzadera, hay un cierto riesgo de deslizamiento de la sonda con respecto a la lanzadera antes y durante la inserción.
Hemos desarrollado un método en el que la sonda flexible está unido a un refuerzo con un material adhesivo biodissolvable temporal que sujeta firmemente la sonda durante la inserción. Las sondas utilizadas eran de poliimida, que tiene un módulo elástico del orden de 2-4 GPa. El refuerzo se fabrica a partir de silicio, con un módulo elástico de ~ 200 GPa. Cuando se conecta, la rigidez de la silicio domina, facilitar la inserción. Una vez insertado en el tejido, el material adhesivo se disuelve y el rigidizador se extrae para restaurar la sonda a su flexibilidad inicial. Hemos seleccionado polietilenglicol (PEG) como el material adhesivo biodissolvable. PEG se ha usado en aplicaciones implantados, como sondas neuronales, la ingeniería de tejidos, y 11,18,19 de administración de fármacos. Alguna evidencia sugiere que el PEG puede atenuar la respuesta neuroinflamatoria en el cerebrotejidos 18,20. En comparación con otros materiales posibles, incluyendo sacarosa, láctico-co-glicólico de ácido poli (PLGA), y el alcohol de polivinilo (PVA), el PEG tiene un tiempo de disolución en los fluidos biológicos que es de una escala adecuada para muchas cirugías de implantes (en el orden de los decenas de minutos, dependiendo del peso molecular). Además, es sólido a temperatura ambiente y líquida a temperaturas que van desde 50 hasta 65 ° C. Esta propiedad hace que sea especialmente adecuado para nuestro proceso de montaje de precisión. Por otra parte, similar a la SAM descrita en 17, el PEG disuelto es hidrófila, lo que facilita la extracción del rigidizador. Este enfoque ventajoso está habilitado de un nuevo diseño de refuerzo y metódico proceso de montaje que aseguran la cobertura adhesiva uniforme y una alineación precisa y repetible. Además del proceso de montaje, se presenta el método de aplicación del rigidizador extraíble durante la cirugía, así como un procedimiento in vitro para evaluar la extracción de la ITSffener.
El protocolo presentado en el presente documento se supone que el usuario posee una sonda de microelectrodo de polímero flexible. La parte del protocolo en relación la fabricación del rigidizador y el montaje de esta sonda a un rigidizador asume acceso a las herramientas comunes que se encuentran en un centro de microfabricación. El protocolo relativo a la inserción y extracción probablemente se llevaría a cabo en un laboratorio de neurociencia de lucro.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método descrito aquí proporciona un proceso bien controlado para conectar sondas de polímero de película delgada para refuerzos separados con un adhesivo biodissolvable. También se presenta el procedimiento quirúrgico recomendado para implementar estos rigidizadores extraíbles y una técnica para validar el procedimiento in vitro para una configuración de la sonda-rigidizador dado. Desde el rigidizador puede hacerse arbitrariamente rígida, el método puede facilitar la inserción de sondas relativam…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el NIH NIDCD Y1-CC-8002-01. Este trabajo se realizó bajo los auspicios del Departamento de Energía de los EE.UU. por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en virtud de contrato DE-AC52-07NA27344.
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
- Polikov, V., Tresco, P., Reichert, W. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148, 1-18 (2005).
- Lee, Y. T., Hitchcock, R. W., Bridge, M. J., Tresco, P. A. Chronic response of adult rat brain tissue to implants anchored to the skull. Biomaterials. 25 (12), 2229-2237 (2004).
- Subbaroyan, J., Martic, D. C., Kipke, D. R. A finite-element model of the mechanical effects of implantable microelectrodes in the cerebral cortex. Journal of Neural Engineering. 2, 103-113 (2005).
- Lacour Sun, Y., S, , et al. Assessment of the biocompatibility of photosensitive polyimide for implantable medical device use. Journal of Biomedical Materials Research A. 90 (3), 648-655 (2009).
- Kipke, D. R., Pellinen, D. S., Vetter, R. J. Advanced neural implants using thin-film polymers. IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 4, 173-176 (2002).
- Mercanzini, A., Cheung, K., et al. Demonstration of cortical recording using novel flexible polymer neural probes. Sensors and Actuators A. 143, 90-96 (2008).
- Stieglitz, T. Flexible biomedical microdevices with double-sided electrode arrangements for neural applications. Sensor and Actuators A. 90, 203-211 (2001).
- Tooker, A., Tolosa, V., Shah, K. G., Sheth, H., Felix, S., Delima, T., Pannu, S. Polymer neural interface with dual-sided electrodes for neural stimulation and recording. Proceedings of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society. , 5999-6002 (2012).
- Egert, D., Peterson, R. L., Najafi, K. Parylene microprobes with engineered stiffness and shape for improved insertion. , (2011).
- Lee, K. -. K., He, J., et al. Polyimide-based intracortical neural implant with improved structural stiffness. Journal of Micromechanics and Microengineering. 14, 32-37 (2004).
- Takeuchi, S., Ziegler, D., et al. Parylene flexible neural probes integrated with microfluidic channels. Lab On A Chip. 5, 519-523 (2005).
- Singh, A., Zhu, H., He, J. Improving mechanical stiffness of coated benzocyclobutene (bcb) based neural implant. , 4298-4301 (2004).
- Lewitus, D., Smith, K. L., et al. Ultrafast resorbing polymers for use as carriers for cortical neural probes. Acta Biomaterialia. 7, 2483-2491 (2011).
- Gilgunn, P. J., Khilwani, R., et al. An ultra-compliant, scalable neural probe with molded biodissolvable delivery vehicle. , 56-59 (2012).
- Ware, T., Simon, D., et al. Fabrication of responsive, softening neural interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
- Harris, J. P., Capadona, J. R., et al. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8, 1-13 (2011).
- Kozai, T. D. Y., Kipke, D. R. Insertion shuttle with carboxyl terminated self-assembled monolayer coatings for implanting flexible polymer neural probes in the brain. Journal of Neuroscience Methods. 184 (2), 199-205 (2009).
- Bjugstad, K. B., Lampe, D. S., Kern, D. S., Mahoney, M. Biocompatibility of poly(ethylene glycol)-based hydrogels in the brain: An analysis of the glial response across space and time. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 95 (1), 79-91 (2010).
- Greenwalk, R. B., Choe, Y. H., McGuire, J., Conover, C. D. Effective drug delivery by pegylated drug conjugates. Advanced Drug Delivery Reviews. 55 (2), 217-250 (2003).
- Sommakia, S. S., Rickus, J. L., Otto, K. J. Effects of adsorbed proteins and an antifouling agent on the impedance of silicon-based neural microelectrodes. , 7139-7142 (2009).
- Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Richner, T., Brodnick, S. K., Williams, J. C., Kipke, D. R. Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals. J. Vis. Exp. (60), e3565 (2012).
- Chen, Z. -. J., Gillies, G. T., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Felix, S., Shah, K. G., George, D., Tolosa, V., Tooker, A., Sheth, H., Delima, T., Pannu, S. Removable silicon insertion stiffeners for neural probes using polyethylene glycol as a biodissolvable adhesive. , 871-874 (2012).
