إدراج مرنة العصبية عن طريق مجسات التقوية الصلبة المرفقة مع اصق Biodissolvable
Summary
يتم تمكين إدخال مرونة تحقيقات مسرى مكروي العصبية عن طريق ربط لتحقيقات التقوية جامدة مع البولي ايثيلين جلايكول (PEG). عملية تجميع فريد من نوعه يضمن موحدة والتعلق للتكرار. بعد الإدراج في الأنسجة، وPEG يذوب ويتم استخراج الميبس. طريقة الاختبار في المختبر بتقييم هذه التقنية في agarose هلام.
Abstract
ومن المتوقع أن قمنا بمد عمر وظيفية صفائف مسرى مكروي للأجهزة العصبية واجهة التي هي مصنوعة من حيويا رقيقة فيلم البوليمر لأن مادة مرنة يمكن تقليل استجابة الأنسجة الضارة التي تسببها micromotion. ومع ذلك، مرونتها يمنعهم من يتم إدراج بدقة في الأنسجة العصبية. يوضح هذا المقال طريقة لنعلق مؤقتا مسرى مكروي التحقيق مرنة لالميبس جامدة باستخدام biodissolvable البولي ايثيلين جلايكول (PEG) لتسهيل دقيقة، الإدراج الجراحية لجنة التحقيق. تصميم فريد من نوعه يسمح الميبس لتوزيع موحد لاصقة PEG على طول التحقيق. الترابط الوجه رقاقة، أداة شائعة تستخدم في مجال الالكترونيات الدقيقة التعبئة والتغليف، وتمكن محاذاة دقيقة وقابلة للتكرار والمرفقات من لجنة التحقيق إلى الميبس. التحقيق والميبس يتم زرعها جراحيا معا، ثم يسمح للPEG حل بحيث يمكن استخراج الميبس ترك التحقيقفي المكان. أخيرا، يتم استخدام طريقة الاختبار في المختبر لتقييم استخراج الميبس في نموذج agarose هلام من أنسجة المخ. وقد أثبت هذا النهج لزرع مفيد لأطول تحقيقات مرنة (> 3 ملم). كما يوفر وسيلة عملية لزرع تحقيقات مرنة الوجهين. حتى الآن، وقد استخدمت هذه التقنية للحصول المختلفة في الجسم الحي تسجيل البيانات من القشرة الفئران.
Introduction
صفائف مسرى مكروي هي أداة أساسية في علم الأعصاب وكذلك التطبيقات السريرية الناشئة مثل الأطراف الصناعية. على وجه الخصوص، اختراق تحقيقات الكهربائي الجزئي تمكين التحفيز وتسجيل نشاط الخلايا العصبية من خلال اتصال وثيق مع الخلايا في الدماغ والحبل الشوكي، والأعصاب الطرفية. ويتمثل التحدي الرئيسي لتحقيقات العصبية المزروع هو الاستقرار وطول العمر من التحفيز وتسجيل وظائف. وقد اقترح النمذجة والدراسات التجريبية للتفاعل بين تحقيقات مسرى مكروي والأنسجة العصبية التي آلية واحدة للتدهور هو تمزيق الصغيرة من الأنسجة العصبية بسبب الحركة النسبية طفيف بين التحقيق والأنسجة 1-3. حل واحد هو افتعال تحقيقات المرنة التي تتناسب بشكل وثيق خصائص صلابة الأكبر من الأنسجة العصبية من أجل تقليل micromotion النسبية. على هذا النحو، وقد تم اعتماد حيويا البوليمرات رقيقة مثل بوليميد وparylene بمثابة ركائز مواتية لmicroelectrode تحقيقات 4-8.
A المقايضة تحقيقات مرنة هو أنها يصعب إدراجها في الأنسجة العصبية. وقد اتخذت الباحثين الطرق المختلفة لتسهيل الإدراج تحقيقات مرنة مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية مرغوب فيه. فئة واحدة من التصاميم يعدل هندسة البوليمر التحقيق لزيادة صلابة في أقسام أو محاور معينة مع الحفاظ على الامتثال في أجزاء أخرى. وقد تم إنجاز هذا من خلال دمج الأضلاع أو طبقات من المواد الأخرى 9،10. نهج آخر يدمج قناة 3-D في تصميم البوليمر التحقيق التي يتم ملؤها بمواد قابلة للتحلل 11. هذا التحقيق يمكن تشديد مؤقتا، وبعد الإدراج المواد في قناة يذوب والمصارف بها. ومع ذلك، قد طرق مثل هذه أن تعديل الشكل الهندسي للجهاز مزروع النهائية بشكل دائم تنازلات بعض الميزات المرغوب فيه لجنة التحقيق مرنة.
أسلوب واحد أن يفعل نبعد التمديد تغيير هندسة نتائج التحقيق النهائي هو لتغليف الجهاز البوليمر مع المواد القابلة للتحلل لتشديد مؤقتا الجهاز 12-14. ومع ذلك، المواد القابلة للتحلل نموذجية لديك أوامر معاملات الرجوعية الشباب من حجم أصغر من أن من السيليكون وبالتالي سوف تتطلب سمك أكبر لتحقيق نفس صلابة. طلاء كاف التحقيق يمكن أن يؤدي إلى مزيد من غيض مدورة أو حادة، مما يجعل الإدراج أكثر صعوبة. أيضا، منذ يتعرضون الطلاء ذوبان، هناك خطر منهم بحل فور الاتصال، أو حتى مقربة، مع الأنسجة.
فئة أخرى من طرق يستخدم المواد الركيزة التحقيق الرواية التي تقلل من تصلب في بعد أن زرعها في الأنسجة. وتشمل هذه المواد شكل البوليمرات الذاكرة 15 وبمركب متناهي في الصغر على التكيف ميكانيكيا 16. هذه المواد هي قادرة على انخفاض في معامل المرونة بشكل ملحوظ بعد الإدراج، ويمكن أن يؤدي إلى أن تحقيقات MATC عن كثبح الخواص الميكانيكية للأنسجة العصبية. ومع ذلك، فإن مجموعة تحقيقه من صلابة لا تزال محدودة، لذلك فإنها قد لا تكون قادرة على توفير مستوى عال جدا تعادل صلابة لالسيليكون أو التنغستن الأسلاك. وبالتالي في حالة مرنة تحقيقات التي هي طويلة جدا (على سبيل المثال> 3 ملم) أو التي لديها منخفضة للغاية وصلابة، وربما لا تزال هناك حاجة إلى طريقة لربط مؤقتا الميبس أكثر جمودا.
بعد طريقة واعدة أخرى ذكرت هو معطف مكوك تشنج مع الذاتي تجميع أحادي الطبقة الدائمة (SAM) لتخصيص سطح التفاعل بين المكوك والتحقيق مرنة 17. عندما تجف، والتحقيق تتمسك المكوك المغلفة كهربية. بعد الإدراج، يهاجر المياه على سطح ماء، وفصل لجنة التحقيق من المكوك بحيث يمكن استخراج المكوك. وقد تجلى استخراج المكوك مع انخفاض النزوح التحقيق (85 ميكرون). ومع ذلك، مع التفاعلات كهرباء الوحيد الذي عقد لجنة التحقيق لركان المكوك، هناك بعض المخاطر من التحقيق انزلاق النسبية للمكوك قبل وأثناء الإدراج.
قمنا بتطوير الطريقة التي يتم إرفاق التحقيق مرنة لالميبس بمادة لاصقة biodissolvable المؤقتة التي تتولى التحقيق بشكل آمن أثناء الإدراج. تم إجراء تحقيقات المستخدمة من بوليميد، والذي يحتوي على معامل المرونة بناء على أمر من 2-4 برنامج العمل العالمي. كانت ملفقة والميبس من السيليكون، مع معامل مرونة من ~ 200 برنامج العمل العالمي. عندما تعلق، وصلابة من السيليكون يهيمن، وتسهيل الإدراج. مرة واحدة إدراجها في الأنسجة، والمواد اللاصقة يذوب ويتم استخراج الميبس لاستعادة مسبار لمرونته الأولي. اخترنا غليكول البولي إيثيلين (PEG) كمادة لاصقة biodissolvable. وقد استخدمت في التطبيقات PEG المزروع مثل المجسات العصبية وهندسة الأنسجة، وتسليم المخدرات 11،18،19. وقد اقترح بعض الأدلة على أن PEG قد تخفف استجابة neuroinflammatory في الدماغالأنسجة 18،20. مقارنة مع المواد الأخرى الممكنة، بما في ذلك السكروز، اللبنيك، وحامض الجليكوليك المشترك بولي (PLGA)، والبولي فينيل الكحول (PVA)، PEG لديه الوقت للانحلال في السوائل البيولوجية التي هي في حجم مناسب للعديد من العمليات الجراحية زرع (بناء على أمر من عشرات من الدقائق، اعتمادا على الوزن الجزيئي). بالإضافة إلى ذلك، فمن الصلبة في درجة حرارة الغرفة والسائلة في درجات حرارة تتراوح 50-65 درجة مئوية. هذه الخاصية يجعلها مناسبة بشكل خاص لدينا عملية التجميع الدقة. وعلاوة على ذلك، على غرار SAM صفها في 17، وحلت PEG هو ماء، وتسهيل استخراج الميبس. يتم تمكين هذا النهج المفيد من خلال تصميم الميبس الرواية وعملية التجميع المنهجي التي تضمن تغطية لاصقة موحدة ومحاذاة دقيقة وقابلة للتكرار. بالإضافة إلى عملية التجميع، نقدم طريقة تنفيذ الميبس القابلة للإزالة أثناء الجراحة، وكذلك إجراء في المختبر لتقييم استخراج الأمراض المنقولة جنسياffener.
بروتوكول الواردة في هذه الوثيقة يفترض أن المستخدم يمتلك مرونة البوليمر مسرى مكروي التحقيق. من جانب البروتوكول المتعلق تلفيق من الميبس وتجميع هذا التحقيق إلى الميبس يفترض الوصول إلى الأدوات المشتركة التي وجدت في منشأة التصنيع الدقيق. البروتوكول المتعلق الإدراج واستخراج من المرجح أن يؤديها في مختبر علم الأعصاب المنحى.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة الموصوفة هنا يوفر عملية تسيطر عليها بشكل جيد لنعلق تحقيقات البوليمر الأغشية الرقيقة إلى التقوية منفصلة مع مادة لاصقة biodissolvable. كما قدم هو إجراء العمليات الجراحية الموصى بها لتنفيذ هذه التقوية القابلة للإزالة وتقنية للتحقق من صحة الإجراءات المتبعة في المخ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة NIDCD Y1-DC-8002-01. تم تنفيذ هذا العمل تحت رعاية وزارة الطاقة في الولايات المتحدة من قبل مختبر لورانس ليفرمور الوطني في إطار العقد 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).
