החדרת גמישה עצביות בדיקות באמצעות אלמנטים קשיחות קשיחים מצורפים עם Biodissolvable דבק
Summary
החדרה של בדיקות microelectrode עצביות גמישות מופעלת על ידי הצמדת בדיקות לstiffeners הנוקשה עם פוליאתילן גליקול (PEG). תהליך הרכבה ייחודי מבטיח אחיד וקובץ מצורף הדיר. לאחר כניסה לרקמה, PEG מתמוסס ומקשח מופק. שיטת בדיקה במבחנה מעריכה את הטכניקה בagarose ג'ל.
Abstract
מערכי microelectrode עבור התקני ממשק עצביים שעשויים מפולימר סרט דק ביולוגית צפויים הרחיבו את החיים תפקודיים בגלל החומר גמיש עשוי למזער את תגובת רקמה שלילית הנגרמת על ידי micromotion. עם זאת, הגמישות שלהם מונעת מהם להיות מוכנס באופן מדויק לרקמה עצבית. מאמר זה מדגים שיטה לצרף באופן זמני בדיקה microelectrode גמישה למקשח נוקשה באמצעות פוליאתילן גליקול biodissolvable (PEG) כדי להקל על כניסה מדויקת, כירורגית של החללית. עיצוב מקשח ייחודי מאפשר פיזור אחיד של דבק PEG לאורכו של החללית. מליטה Flip-שבב, כלי נפוץ בשימוש באריזת מיקרואלקטרוניקה, מאפשר יישור לשחזור מדויק וקובץ מצורף של החללית למקשח. הבדיקה ומקשח בניתוח מושתל ביחד, אז PEG מותר לפזר כך שמקשח ניתן לחלץ עוזב את החלליתבמקום. לבסוף, שיטת בדיקה במבחנה משמשת להערכת חילוץ מקשח במודל agarose ג'ל של רקמת המוח. גישה זו להשתלה הוכיחה יתרון במיוחד עבור בדיקות גמישות יותר (> 3 מ"מ). הוא גם מספק שיטה אפשרית להשתיל בדיקות גמישות כפולה צדדיות. נכון להיום, את הטכניקה נעשתה שימוש כדי להשיג in vivo נתונים הקלטה שונים מקליפת מוח החולדה.
Introduction
מערכי microelectrode הם כלי חיוני במדעי המוח, כמו גם יישומים קליניים מתפתחים כגון תותבות. בפרט, בדיקות מיקרו אלקטרודה לחדור לאפשר גירוי והקלטה של פעילות עצבית באמצעות מגע הדוק עם תאים במוח, חוט השדרה ועצבים היקפיים. אתגר גדול עבור בדיקות עצביות מושתלים הוא יציבות ואריכות ימים של פונקציות הגירוי וצריבה. לימודי דוגמנות וניסיוני של האינטראקציה בין בדיקות microelectrode ורקמה עצבית הראו כי מנגנון אחד לשפלה הוא מיקרו קריעה של רקמה עצבית עקב תנועה היחסית קלה בין החללית והרקמות 1-3. פתרון אחד הוא לפברק בדיקות גמישות שתתאמנה באופן הדוק יותר את מאפייני קשיחות חלק הארי של רקמה עצבית על מנת למזער micromotion יחסית. ככזה, פולימרים סרט דקים ביולוגית כגון polyimide וparylene אומצו כמו מצעים נוחים לmicroelecתרמס בדיקות 4-8.
איזון של בדיקות גמישות הוא שהם קשה להכניס לתוך הרקמה העצבית. חוקרים לקחו גישות שונות כדי להקל על כניסה של בדיקות גמישות תוך שמירה על התכונות מכאניות רצויות. כיתה אחת של עיצובים משנה את הגיאומטריה הבדיקה הפולימר להגדיל נוקשות בסעיפים או צירים מסוימים תוך שמירה על תאימות בחלקים אחרים. זה הושג על ידי שילוב של צלעות או שכבות של חומרים אחרים 9,10. גישה נוספת משתלבת ערוץ 3-D לעיצוב הבדיקה הפולימר כי הוא מלא בחומרים מתכלים 11. בדיקה זו יכולה להיות התקשחה באופן זמני, ולאחר הכניסה המהותיות במתמוסס הערוץ ומתנקז החוצה. עם זאת, שיטות כגון אלה שאופן קבוע לשנות את הגיאומטריה של המכשיר המושתל הסופי עלולות לפגוע בחלק מהתכונות הרצויה של החללית גמישה.
שיטה אחת שעושה not לשנות את הגיאומטריה הבדיקה הסופית הוא לתמצת את מכשיר הפולימר עם חומרים מתכלים כדי להקשיח את המכשיר 12-14 באופן זמני. עם זאת, יש חומרים מתכלים טיפוסיים הזמנות moduli של יאנג בסדר גודל קטן יותר מזה של סיליקון וכתוצאה מכך הייתי דורשים עובי גדול יותר כדי להשיג את אותה קשיחות. כראוי ציפוי הבדיקה יכולה לגרום לקצה מעוגל יותר או קהה, מה שהופך את ההחדרה קשה יותר. כמו כן, מאחר ציפויים נמסים נחשפים, קיים סיכון שלהם מתמוסס מייד עם מגע, או אפילו קרבה, עם הרקמה.
מחלקה נוספת של שיטות משתמשת בחומרי מצע בדיקה חדשנית המפחיתים בנוקשות לאחר שמושתלים לתוך רקמות. חומרים כאלה כוללים פולימרים צורת זיכרון 15 וnanocomposite מכאני אדפטיבית 16. חומרים אלה מסוגלים להקטין במודולוס אלסטיות משמעותית לאחר כניסה, ויכולים לגרום לבדיקות שmatc באופן הדוק יותרשעות התכונות מכאניות של רקמה עצבית. עם זאת, בטווח השגה של קשיחות הוא עדיין מוגבל, ולכן ייתכן שהם לא יוכלו לספק שווי ערך קשיחות גבוה מאוד לחוטי סיליקון או טונגסטן. כך במקרה של בדיקות גמישות, כי הם מאוד ארוכים (לדוגמא> 3 מ"מ) או שיש להם נמוך מאוד נוקשות, ייתכן שעדיין תהיה צורך בשיטה של באופן זמני מצרף מקשח נוקשה יותר.
עוד שיטה מבטיחה שדווחה היא למעייל הסעות התקשות עם monolayer הרכבה עצמית קבוע (SAM) כדי להתאים אישית את האינטראקציה הפנים בין המעבורת והבדיקה גמישה 17. כאשר יבש, החללית שומרת על המעבורת המצופה אלקטרוסטטי. לאחר כניסה, מים נודדים על גבי המשטח הידרופילי, להפריד את החללית מהמעבורת, כך שניתן לחלץ את המעבורת. חילוץ הסעות עם תזוזת חללית מופחתת הודגם (85 מיקרומטר). עם זאת, עם אינטראקציות אלקטרוסטטיות יחידות שעוצרות את הבדיקה כדי לאהוא מעבורת, יש סיכון מסוים של גלישת חללית ביחס למעבורת לפני ובמהלך כניסה.
פיתחנו שיטה שבה הבדיקה גמישה מחוברת למקשח עם חומר הדבקה biodissolvable זמני שמחזיק באופן מאובטח את החללית במהלך כניסה. הבדיקות בשימוש היו עשויים polyimide, שבו יש מודולוס אלסטיות בסדר הגודל של 2-4 GPA. מקשח היה מפוברק מסיליקון, עם מודולוס אלסטיות של ~ 200 GPA. כאשר מצורפים, את הנוקשות של סיליקון שולטת, בהנחיית כניסה. ברגע שמוכנס לתוך הרקמה, החומר הדבקה מתמוסס ומקשח מופק להחזיר את החללית לגמישות הראשונית שלה. בחרנו בפוליאתילן גליקול (PEG) כחומר הדבקה biodissolvable. PEG כבר בשימוש ביישומים מושתלים כגון בדיקות עצביות, הנדסת רקמות, ו11,18,19 משלוח סמים. עדות מסוימת הציעה כי PEG עשוי להחליש תגובת neuroinflammatory במוחרקמה 18,20. לעומת חומרים אפשריים נוספים, ובכלל זה סוכרוז, קטית-Co-גליקולית חומצת פולי (PLGA), ואלכוהול פוליוויניל (PVA), יש PEG זמן פירוק בנוזלים ביולוגיים שהוא בקנה מידה של מתאים עבור רבים ניתוחי שתל (בסדר הגודל של עשרות דקות, תלוי במשקל מולקולרי). בנוסף, הוא מוצק בטמפרטורת חדר ונוזלי בטמפרטורות הנעות 50-65 ° C. רכוש זה עושה זה מתאים בעיקר לתהליך ההרכבה דיוקנו. יתר על כן, בדומה לSAM מתואר ב17, PEG המומס הוא הידרופילי, בהנחיית חילוץ של מקשח. גישה טובה זו מופעלת על ידי עיצוב רומן מקשח ותהליך הרכבה שיטתי המבטיחים כיסוי דביק מדי ויישור מדויק ודיר. בנוסף לתהליך ההרכבה, אנו מציגים את אופן יישום מקשח הנשלף במהלך ניתוח, כמו גם הליך במבחנה כדי להעריך חילוץ של Stiffener.
הפרוטוקול המובא במסמך זה מבוסס על ההנחה שהמשתמש מחזיק בדיקה microelectrode הפולימר גמישה. חלק מהפרוטוקול הנוגע הייצור של מקשח וההרכבה של חללית זו כדי מקשח מניח גישה לכלים נפוצים שנמצאו במתקן microfabrication. הפרוטוקול המתייחס להכנסה והוצאה עשוי להיות מבוצע במעבדה אוריינטציה מדעי המוח.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת כאן מספקת תהליך מבוקר היטב לצרף בדיקות פולימר סרט דק לstiffeners הנפרד עם דבק biodissolvable. כמו כן מוצג הנו ההליך הניתוחי המומלץ ליישם stiffeners הנשלף אלה וטכניקה כדי לאמת את ההליך במבחנה לתצורת חללית-מקשח נתון. מאז מקשח יכול להתבצע באופן שרירותי נוקשה, השיטה יכ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NIH NIDCD Y1-DC-8,002-01. עבודה זו בוצעה בחסות מחלקת אנרגיה של ארה"ב על ידי המעבדה הלאומית לורנס ליברמור תחת חוזה 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 |
References
- 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).
