Het inbrengen van flexibele Neural Probes starre Verstevigers Bevestigd met Biodissolvable Adhesive
Summary
Insertie flexibele neurale micro-elektrode probes geactiveerd door het aanbrengen probes starre verstijvers met polyethyleenglycol (PEG). Een unieke assemblage proces zorgt voor een gelijkmatige en herhaalbare gehechtheid. Na inbrengen in weefsel, de PEG lost en de verstijver geëxtraheerd. Een in vitro testmethode evalueert de techniek agarosegel.
Abstract
Micro-elektrode arrays voor neurale interface-apparaten die zijn gemaakt van biocompatibele dunne-film polymeer wordt verwacht functionele levensduur hebben uitgebreid omdat het flexibele materiaal negatieve respons weefsel veroorzaakt door Micromotion kunnen minimaliseren. Echter, hun flexibiliteit verhindert dat deze nauwkeurig in neuraal weefsel ingebracht. In dit artikel wordt een methode om een flexibele micro-elektrode sonde tijdelijk bevestigen aan een stijf versteviger biodissolvable met polyethyleenglycol (PEG) precieze chirurgische inbrengen van de probe te vergemakkelijken. Een unieke versteviger ontwerp zorgt voor een gelijkmatige verdeling van de PEG lijm over de lengte van de probe. Flip-chip bonding, een gemeenschappelijk instrument gebruikt in micro-elektronica verpakking, maakt een nauwkeurige en herhaalbare uitlijning en bevestiging van de probe aan de verstijver. De probe en versteviger zijn chirurgisch geïmplanteerd elkaar, wordt de PEG laten oplossen, zodat de verstijver kan worden geëxtraheerd waardoor de sondeop zijn plaats. Tenslotte wordt een in vitro testmethode voor versteviger extractie evalueren een agarosegel model van hersenweefsel. Deze benadering implantatie is bijzonder voordelig voor langere flexibele probes aangetoond (> 3 mm). Het biedt ook een haalbare methode om dubbelzijdige flexibele sondes implanteren. Tot op heden is de techniek gebruikt om verschillende in vivo opnemen van gegevens van de rat cortex verkrijgen.
Introduction
Micro-elektrode arrays zijn een essentieel instrument in de neurowetenschappen evenals opkomende klinische toepassingen, zoals protheses. Vooral penetrerende micro-elektrodeprobes inschakelen stimulatie en registratie van neuronale activiteit door nauw contact met cellen in de hersenen, ruggenmerg en perifere zenuwen. Een grote uitdaging voor geïmplanteerde neurale sondes is de stabiliteit en de levensduur van de stimulatie en opnamefuncties. Modellering en experimentele studies van de interactie tussen micro-elektrode probes en zenuwweefsel hebben gesuggereerd dat een mechanisme voor afbraak micro-scheuren van zenuwweefsel door lichte relatieve beweging tussen de sonde en weefsel 1-3. Een oplossing is om flexibele sondes die overeenkomen nauwer de grootste stijfheid eigenschappen van neuraal weefsel teneinde relatieve microbewegingen minimaliseren fabriceren. Als zodanig hebben biocompatibele dunne film polymeren zoals polyimide en paryleen goedgekeurd als gunstig substraten voor microelectrode sondes 4-8.
Een afweging van flexibele sondes is dat ze moeilijk te voegen in het zenuwweefsel. Onderzoekers hebben verschillende benaderingen om het inbrengen van flexibele sondes vergemakkelijken met behoud van de gewenste mechanische eigenschappen. Een klasse van modellen wijzigt het polymeer sonde geometrie aan stijfheid in bepaalde secties of assen te verhogen met behoud van de naleving in andere delen. Dit is bereikt door het opnemen ribben of lagen van andere materialen 9,10. Een andere benadering integreert een 3-D-kanaal in het polymeer sonde ontwerp dat is gevuld met biologisch afbreekbaar materiaal 11. Deze probe kan tijdelijk worden verstijfd, en na het inbrengen van het materiaal in het kanaal oplost en afvoeren uit. Echter kunnen werkwijzen zoals deze die de geometrie van het uiteindelijke geïmplanteerde apparaat permanent wijzigen gevaar sommige gewenste kenmerken van de flexibele sonde.
Een methode die n doetot wijziging van de uiteindelijke probe geometrie is het polymeer apparaat te kapselen biologisch afbreekbare materiaal om het apparaat 12-14 tijdelijk verstijven. Echter, typisch biologisch afbreekbare materialen elasticiteitsmoduli orden van grootte kleiner dan die van silicium en, dientengevolge vereisen grotere dikte dezelfde stijfheid te bereiken. Voldoende bekleden van de sonde kan een meer afgeronde of stompe punt, waardoor inbrengen moeilijker. Ook, omdat oplosbare coatings worden blootgesteld, is er een risico dat onmiddellijk oplossen bij contact of zelfs nabijheid, met het weefsel.
Een andere klasse van methoden maakt gebruik van nieuwe sonde substraat materialen die te verminderen in stijfheid na wordt geïmplanteerd in het weefsel. Dergelijke materialen omvatten vormgeheugen polymeren 15 en een mechanisch adaptieve nanocomposiet 16. Deze materialen kunnen afnemen elasticiteitsmodulus aanzienlijk na het inbrengen, en kan resulteren in probes die dichter match de mechanische eigenschappen van zenuwweefsel. Echter, de haalbare bereik van stijfheid is nog beperkt, zodat ze niet in staat zijn om zeer hoge stijfheid bedrage van silicium of wolfraam draden. Dus in het geval van flexibele sondes die zeer lang (bijvoorbeeld> 3 mm) of die extreem lage stijfheid, een werkwijze voor tijdelijk bevestigen van een stijvere versteviger toch noodzakelijk.
Nog een andere veelbelovende methode vermeld is het coaten van een verstijving shuttle met een permanente zelfassemblerende monolaag (SAM) aan het oppervlak interactie tussen de shuttle en de flexibele sonde 17 aan te passen. Wanneer het droog is, de sonde zich aan de gecoate shuttle elektrostatisch. Na het inbrengen, water migreert op het hydrofiele oppervlak, het scheiden van de sonde van de shuttle, zodat de shuttle kan worden gewonnen. Shuttle extractie met verminderde sondeverplaatsing aangetoond (85 urn). Echter, slechts elektrostatische interacties met de probe thij shuttle, is er enige kans op sonde slippen ten opzichte van de shuttle voor en tijdens het inbrengen.
Wij hebben een werkwijze waarbij de flexibele sonde een verstijver met een tijdelijke biodissolvable kleefmiddel dat stevig vasthoudt de sonde tijdens het inbrengen bevestigd ontwikkeld. De gebruikte probes waren gemaakt van polyimide, die een elasticiteitsmodulus in de orde van 2-4 GPa heeft. De versteviger werd gefabriceerd van silicium, met een elasticiteitsmodulus van ~ 200 GPa. Na aansluiting van de stijfheid van het silicium domineert, vergemakkelijkt inbrengen. Eenmaal ingebracht in het weefsel, het hechtmateriaal oplost en de verstijver wordt onttrokken aan de probe te herstellen naar de oorspronkelijke flexibiliteit. Wij selecteerden polyethyleenglycol (PEG) als biodissolvable hechtmateriaal. PEG is gebruikt in geïmplanteerde toepassingen zoals neurale probes, weefseltechniek en geneesmiddelafgifte 11,18,19. Sommige studies tonen aan dat PEG neuroinflammatory reactie kan verminderen in de hersenenweefsel 18,20. In vergelijking met andere mogelijke materialen, zoals sucrose, poly melkzuur-co-glycolzuur (PLGA) en polyvinylalcohol (PVA), PEG een oplostijd in biologische vloeistoffen die in gepaste mate voor veel implantaat chirurgie (in de orde van tientallen minuten, afhankelijk van het molecuulgewicht). Bovendien vast is bij kamertemperatuur en vloeibaar bij temperaturen tussen 50-65 ° C. Deze eigenschap maakt het bijzonder geschikt voor onze precisie assemblage proces. Bovendien, vergelijkbaar met de SAM beschreven in 17 de opgeloste PEG hydrofiel, vergemakkelijken extractie van de verstijver. Deze voordelige aanpak wordt mogelijk gemaakt door een nieuwe verstijving ontwerp en methodische assemblage proces dat uniform verlijmd en nauwkeurige en herhaalbare uitlijning te garanderen. Naast het assemblageproces presenteren we de werkwijze van uitvoering van de verwijderbare versteviger tijdens de operatie, alsmede een in vitro werkwijze de extractie van de sti evaluerenffener.
De hierin gepresenteerde protocol vereist de een flexibel polymeer micro-elektrode sonde bezit. Het deel van het protocol betreffende de vervaardiging van de verstijver en assemblage van deze probe een versteviger neemt toegang tot gemeenschappelijke hulpmiddelen in een microfabricage faciliteit. Het protocol met betrekking tot het inbrengen en extractie zou waarschijnlijk worden uitgevoerd in een-neurowetenschappen georiënteerde laboratorium.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven methode biedt een goed gecontroleerd proces om dunne-film polymeer probes hechten aan afzonderlijke baleinen met een biodissolvable lijm. Ook is voorgesteld de aanbevolen chirurgische procedure om deze verwijderbaar verstijvers en een techniek om de te valideren in vitro voor een bepaalde probe-versteviger configuratie implementeren. Aangezien de verstijver willekeurig starre kan worden gemaakt, kan de werkwijze inbrengen van relatief lange probes (> 3 mm) vergemakkelijken. Als zodanig wor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door NIH NIDCD Y1-DC-8002-01. Dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder Contract 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).
