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 flydende lim under samlingen. Den bredere del af afstivningen er en fane til håndtering under montering og kirurgisk indsættelse. Et reservoir på fanen forbindelse til kanalen. Komponenten er fremstillet af silicium ved anvendelse af standard microfabrication processer.

1. Silicium stiver med en væge kanal blev fremstillet af et silicium-på-insulator (SOI) wafer med en anordning lagtykkelse svarende til den ønskede tykkelse af afstivningen ( (figur 3B). Dernæst afstivningen geometrien defineret ved en længere etch, der stopper den begravet oxidlag (figur 3C). Endelig er stivere frigives ved våd-ætsning begravet oxidlag i 49% flussyre (figur 3D). Efter grundig skylning af afstivninger, suge dem i demineraliseret vand i 15 min.
2. Placer en pellet af polyethylenglycol (PEG) med en molekylvægt på 10.000 g / mol i reservoiret (figur 4). Opvarm afstivningen til 65 ° C, således at PEG smelter og væger ind i kanalen ved kapillarvirkning. Derefter afkøles til stuetemperatur for at størkne. Figur 5 viser en skematisk afbildning af flip chip Bonder oprettet. Placer afstivningen hovedet på bunden fase af flip chip bonder, derefter afhente afstivningen med værktøjet hovedet. Placer sonden op og ned på bunden fase. Brug af flip-chip bonder, justere afstivningen og sonden og sænk afstivningen og placere den på sonden.
3. Basen fase af flip chip Bonder bør have et varmeelement til at tilføre varme til substratet. Efter placering af afstivningen, opvarmes samlingen igen til 65 ° C. Tillad et minut PEG til omsmeltning og begynde at fylde i grænsefladen mellem sonden og afstivningen. Cool at størkne.
4. Vend samlingen igen og inspicere fra toppen. Genopvarmning efter behov for at gøre det muligt for PEG til fuldstændigt at fylde grænsefladen mellem proben og afstivningen. Dette kan vurderet visuelt, eftersom sonden er gennemsigtig. Da forsamlingen sidder på varmelegeme top-(sonde-) opad, manuelt placere 1-3 eXtra pellets af fast PEG onto fane, så de smelter over sonden, hvilket giver ekstra forstærkning i dette område (figur 6). Endelig lade forsamlingen til at køle så PEG størkner. På dette tidspunkt, er samlingen klar til kirurgisk indsættelse.

2. Indsættelse og Extraction

1. Monter probe-afstivende samling til en mikromanipulator, som illustreret i figur 7A ved at klæbe bagsiden af afstivningen til mikromanipulator arm fanen regionen. Dette kan gøres med dobbeltklæbende tape eller cement, men passe på ikke at kontakte sonden med lim. Midlertidigt fastgøre stik for enden af ​​sonden til mikromanipulator med et lille stykke af klæbemiddel kit, således at det let kan fjernes med lav kraft.
2. Placer sondesamlingen over målet og indsætte sonden med den ønskede indføring hastighed. Insertion hastigheder på 0,13-0,5 mm / sek blev brugt når man udvikler denne protokol. </ Li>
3. Fjern omgående stik for enden af sonden fra mikromanipulator blidt og lad den hvile på en nærliggende overflade, såsom en anden manipulatorarm (Figur 7B). Dette skal gøres, før PEG begynder at opløses for at undgå at fortrænge sonden.
4. Give tid til PEG at opløse. Denne mængde tid vil afhænge af PEG molekylvægt og areal af kontakt mellem proben og afstivningen. For eksempel, med PEG molekylvægt på 10.000 g / mol, en mikroelektrode sonde omkring 6 mm og en matchende stiver, der er 306 um bred, 15 minutter har vist sig at være en tilstrækkelig mængde tid. Afsnit 3 i protokollen præsenterer en metode til at teste den krævede opløsning tid. I løbet af denne tid, gælder phosphatbufret saltvand (PBS) ved hjælp af en pipette omkring fanen og indsætningspunktet at opløse enhver PEG, der er over målet (figur 7C).
5. Ved hjælp af en motoriseret micropositioner, begynder ekstraktion af afstivningen ved at anvende en forskydning af100 um ved en hastighed på 5 mm / sek. Denne indledende hurtige bevægelser hjælper til at overvinde statisk friktion og minimere sonde forskydning. Derefter fuldføre afstivningen udtræk ved en langsommere hastighed på ca 0,1 mm / sekund (figur 7D).
6. I tilfælde af en egentlig operation, fortsætter med de normale procedurer for at anvende gel, silikone, og / eller dental akryl på indføringsstedet at sikre og beskytte sonden, som påvist i ^21..

3. Agarose Gel Test

Denne del af protokollen beskriver et sæt op og procedure for at undersøge udvinding af afstivningen i en 0,6% agarose-gel, som ligner de bulk-mekaniske egenskaber, pH og saltholdighed af hjernevæv ^17,22. Da gelen er næsten gennemsigtig gennem korte afstande, kan observeres stiver separation og sonde forskydning.

1. Der fremstilles en opløsning af 0,6% agarose i phosphatbufret saltvand (PBS). Bland på et elementveret temperatur for at opløse agarosepulver. Hæld opløsningen i en lavvandet akryl boks, gel bør være 3/4- 1 i dyb. Lad gelen opbevares ved stuetemperatur i en time.
2. Sikre, at den hærdede gel er mættet med PBS, således at det ikke tørrer ud, og opvarme gelen til 37 ° C.
3. Opsæt mikromanipulator, æske med agarosegel og mikroskopisk kamera system som vist i figur 8.
4. Sæt et glas henvisning referencepunkt indover gel ved at skubbe den mellem gelen og den side af kassen (figur 8). Brug en tand pick kvadratur funktionerne på reference referenceenergi for synsfeltet af den digitale mikroskop.
5. Monter sondekonstruktionen til mikromanipulator som beskrevet i trin 2.1.
6. Placer sondesamlingen over gelen ca 1 mm bag henvisningen fiducielle.
7. Sæt sonden ind i gelen ved hjælp af kameraet til at styre det til en ønsket dybde i synsfeltet. </ Li>
8. Bevæge Umiddelbart stik for enden af ​​sonden til at hvile på en nærliggende overflade.
9. Foretag eventuelle nødvendige justeringer af kameraets billede til at fokusere på sonden (reference fiducial funktioner kan være lidt ude af fokus). Tag et snapshot af sonden placering.
10. Tillad PEG at opløse (denne tid kan variere, og i virkeligheden kan være en parameter, der skal testes). Anvend PBS nær fanen for at opløse PEG der er over gelen.
11. Start videooptagelse hvis det ønskes, og begynde ekstraktion af afstivningen som beskrevet i trin 2.5. Når ekstraktion er færdig, tage endelig øjebliksbillede af sonde placering.
12. Brug billedbehandling værktøjer til at sammenligne billederne før og efter stiver udvinding. Brug funktionerne på reference referenceenergi, der er synlige i synsfeltet at registrere (justere) billederne. Kalibrer omfanget af billedet baseret på størrelsen af ​​kendte funktioner på proben. Måle afstanden af ​​probedeplacering.

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 afstivningen af silicium 4 viser en pellet af fast PEG, der blev anbragt i reservoiret af fanen. Figur, set gennem kameraet på flip chip bonder system. Når den blev opvarmet ved hjælp af varmelegemet indbygget i bunden fase af flip chip Bonder PEG smeltes og begyndte at væge ind i kanalen. Kameraet view tilladt os at overvåge fugtspredende processen indtil PEG helt fyldt kanalen, which tog cirka en time med PEG molekylvægt 10.000 g / mol. PEG blev derefter størkner igen og proben og afstivningen blev oprettet i flip chip Bonder som vist i fig. 5. Figur 9A viser et topbillede af en sonde og afstivende efter at være justeret og fastgjort med PEG fyldes ud grænsefladen. 9B viser et eksempel på en luftboble, hvor PEG er ikke til stede på grund af en partikel. Det sidste trin i samlingen er at tilføje PEG til fanen region over kablet del af sonden, for ekstra forstærkning under håndtering. Da dette område ikke vil blive indsat i målet, er det acceptabelt at have et større volumen af PEG her, som vist i figur 6. Denne samling fremgangsmåde er blevet anvendt til at fastgøre de forskellige former af prober til afstivninger, herunder multi-skaft enheder, som i vist i figur 10..

In vitro agarosegel test er blevet anvendt til Qualitatively vurdere forskellige parametre, såsom PEG molekylvægt, fristen for PEG til at opløse, og stiver geometri. Med hver kombination af PEG og stiver geometri blev et fast beløb af fristen for opløsning. Derefter blev ekstraktion forsøgt under iagttagelse probedeplacering i realtid. Hvis sonden blev trukket væsentligt (> 200 um) uden synligt adskille eller glidende i forhold til afstivningen, konkluderede vi, at PEG ikke var fuldt opløst. Tabel 1 giver nogle repræsentative observationer af PEG opløsning med varierende tidspunkter og varierende molekylvægt med en stiver der er 6 mm lang og 306 um brede. En anden observation i efterfølgende forsøg var, at når afstivningen er mere snæver (fx 220 um) blev PEG opløst i kortere tid (så lidt som 5 min.) Dette skyldes sandsynligvis den klæbende kontaktflade blev nedsat, og som følge heraf var der en mindre mængde PEG at opløse. Parametre, der ikke synes at påvirke PEGopløsning eller probedeplacering var afstivende tykkelse (tykkelse i området fra 20 um til 100 um blev testet) og antallet af fugtspredende kanaler (1 vs 3).

Den in vitro-test er også blevet anvendt til at kvantificere gennemsnitlige probedeplacering for en given probe / stiver / klæbemiddel konfiguration. I dette eksempel, blev testen udført ved anvendelse af indsættelses / ekstraktion sekvensen illustreret i figur 7, hvor probe-afstivende samling indsættes i agarosegel er forbindelsesenden flyttet til en nærliggende overflade, PEG lov til at blive opløst, og stiver endelig ekstraheret forlader sonden på plads. Den eksperimentelle oprettet i Figur 8 viser probe-afstivningen fæstnet til mikromanipulator arm og placeret over gelen. Henvisningen referenceenergi var et lille glas chip med et array af guld prikker placeret mod akryl boks i synsfeltet af det digitale mikroskop.

Figur 11 viser snapshots før og efter ekstraktion af en stiver fra en sondekonstruktion, der blev testet i agarosegel. De lyse guld funktioner i billederne er fra henvisningen fiducial og blev brugt som reference-funktioner til at tilpasse billederne til hinanden. Den kendte afstanden mellem elektroderne (200 um) blev anvendt til at kalibrere pixelstørrelse, eftersom denne dimension er mindre følsom over for variationer i produktionsprocessen. Netto probedeplacering grund afstivende ekstraktion blev anslået til at være 28 ± 9 um (middelværdi ± standardafvigelse, n = 5).

Til dato har den foreslåede metode er blevet udvidet til at omfatte egentlig en imal kirurgi ved flere lejligheder at implantere en sonde ind i en rotte cortex. Efter samling blev proben og 50 um tyk afstivende steriliseret sammen i EtOH ved stuetemperatur. Indsættelsen og ekstraktion blev udført med en mikromanipulator fastgjort til en stereotaktisk ramme. Probe-afstivende konstruktion blev indsat ved 0,13 mm / sek cirka 4 mm ind i cortex af en rotte. Efter 15 minutter blev afstivningen ekstraheret efterlod sonden på plads. Efter genvinding fra kirurgi, neurale optagelser, som vist i figur 12, blev succesfuldt opnået fra den vågne dyr viser levedygtigheden af denne metode i reelle operationer ^23. Denne implantation teknik er også blevet anvendt til at opnå in vivo optagelser med dobbeltsidede arrays, der har elektroder på både forsiden og bagsiden, som vist i figur 13..

pload/50609/50609fig1.jpg "/>
Figur 1. Skematisk af et typisk neuralt sonde og den foreslåede afstivningen. En typisk tynd-film polymer proben har en eller flere elektroder på sondeenden. Metal spor løber fra elektroderne langs længden af ​​kabeldelen og afslutte på en pude, der er fastgjort til en elektrisk konnektor. Afstivningen længde (i dette tilfælde cirka 10 mm) afhænger af indstiksdybden af ​​sonden, og en bredere fane på afstivningen tillader håndtering. (Billede venligst udlånt Diana George)

Figur 2. Stiver design detaljer. En fugtspredende kanal udnytter kapillarvirkning at distribuere en flydende lim, der er blevet deponeret i reservoiret. Reservoiret er på en bredere fane region, der letter håndteringen. (Billede venligst udlånt Diana George)

Figur 3.. Fabrication sekvens for silicium stiver. Silicium stiver er fremstillet på et silicium-på-insulator (SOI) wafer (A). Først fugtspredende kanaler er kemisk ætset med standard Bosch fremgangsmåde (B). Dernæst afstivningen geometrien defineret ved en længere etch der stopper på begravet oxidlag (C). Endelig er stivere frigives ved våd-ætsning begravet oxidlag i 49% flussyre (D).

Figur 4.. Polyethylenglycol i afstivningen reservoiret. En flage polyethylenglycol placeres i reservoiret i afstivningen. Når opvarmet, vil det smelte, fylde reservoiret, og flowi væge kanal.

Figur 5. Skematisk af flip-chip bonding. Afstivningen holdes med kanalen ned ved et vakuum på værktøjet leder af flip-chip bonder. De neurale sonde ligger på basen scenen nedad.

Figur 6. Polyethylenglycol på fanen stiver. Ekstra polyethylenglycol er generøst anvendt på fanen afstivningen som forstærkning. Kablet del af en polyimid probe er synlig på toppen af ​​afstivningen.

Figur 7. Skematisk isertion og udvinding sekvens. A) Sonden-stiver samling er indsat i vævet ved hjælp af mikromanipulator. B) Stikket ende flyttes til et nærliggende overflade. C) PBS gælder opløse PEG på fanen afstivningen. D) afstivningen er udvundet, forlader proben i målet.

Figur 8.. In vitro test sat op. Sæt op til test sonde isætning og stiver udvinding i 0,6% agarose gel i phosphatpufret saltvand. Probe-stiver er fæstnet til mikromanipulator arm og placeret over målet af gel nær reference referenceenergi. En digital mikroskop bruges til at observere proben og afstivningen i agarosegelen.

Figur 9. Probe klæbet til afstivningen. A) Top henblik på en sonde fastgjort til en stiver med god tilpasning og komplet lim dækning. B) Et eksempel på et hul i den klæbende dækning på grund af en partikel.

Figur 10. Eksempel på en multi-skaft probe. Den foreslåede samleprocessen blev anvendt til at vedhæfte denne fire-skaft probe til en matchende silicium afstivende.

Figur 11. Eksempel på stiver udvinding resultater. Snapshots fra før (øverst) og efter (nederst) afstivende ekstraktion med et tyndfilm-polyimid sonde i agarosegel. De lyse guld prikker er påreference fiducial og bruges som reference-funktioner til at sammenligne billederne og måle sonden forskydning. Den anslåede forskydning af sonden er 28 ± 9 um (middelværdi ± standardafvigelse, n = 5).

Figur 12. Eksempel fysiologiske optagelser. Disse enkelt neuron spidser blev opnået fra et fleksibelt mikroelektrode probe implanteret med en aftagelig afstivning som beskrevet i denne protokol.

Figur 13. LFP optagelser fra en dobbelt-sidet sonde. Indsættelse med en aftagelig stiver aktiveret test af et fleksibelt array, der havde elektroder på både for-og bagside overflader. Disse LFP optagelser viste comparable elektrode ydeevne på begge sider efter implantation.

			PEG opløst efter:
Probe længde (mm)	Stiver bredde (mM)	PEG molekylvægt (g / mol)	10 min	15 min	30 min
6	306	6.000	ja		ja
		10.000		ja
		20.000	nej		ja

Tabel 1. PEG opløsning gang i 0,6% agarosegel. Observationer opløsning af PEG med forskellige molekylvægteanvendes til at fastgøre en fleksibel sonde til en silicium stiver, efter varierende mængder af tid.

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 at være en nødvendig teknologi for ansøgninger i dyb brain stimulation (DBS), rygmarven stimulation og perifere nerve grænseflader.

Romanen stiver med en væge kanal og flip-chip baserede montage proces er velegnet til forskellige materialer og probekonfigurationer. Geometrisk betyder afstivningen ikke at matche sonden fodaftryk og kunne for eksempel være smallere end proben. Tykkelsen af ​​sti ffener kan også variere. Mens vi har beskrevet en stiver fremstillet af silicium, med andet materiale, kan det være muligt at opnå mere ønskelige mekaniske egenskaber for visse anvendelser. Samleprocessen er også velegnet til andre typer af flydende klæbemiddel. PEG er særlig let at arbejde med på grund af dets evne til at størkne og omsmeltet flere gange. I tilfælde af andre flydende klæbemidler, der ikke har denne egenskab, kan være nødvendigt at ændre konstruktionen sekvens. Det er muligt at anvende en forskellig molekylvægt for PEG. En højere molekylvægt vil tage længere tid at opløse, hvilket kan være ønskeligt under operationen. Kontakten området mellem sonden og afstivningen vil også påvirke den nødvendige tid til at opløse klæbemidlet efter sonde indsættelse. Det anbefales, at sonden-stiver konfiguration med den valgte molekylvægt testes in vitro, som beskrevet i afsnit 3 til at karakterisere den tid, der kræves for at opløse klæbemidlet.

_content "> Vi fandt, at netop styre udvinding hastighed er afgørende for at ekstrahere afstivningen med minimal probedeplacering. Specifikt en indledende hurtig bevægelse hjælper til at overvinde statisk friktion og adskille afstivningen fra sonden. Efter dette resten af ​​ekstraktionen kan være afsluttet ved en lavere hastighed med ubetydelig ekstra sonde forskydning, som observeret i agarosegelen test. Mange neurovidenskab laboratorier anvender KOPF stereotaxisk systemer, og der er en motoriseret mircopositioner modul fra KOPF (fx Model 2662), som kan føjes til disse systemer. Vi valgte en Newport motoriseret aktuator, fordi det havde lignende dynamiske præstationer, men var billigere og havde mere fleksibel hastighedskontrol. (Det var nødvendigt at fremstille et simpelt beslag til at fastgøre aktuatoren til vores micropositioner system.) Den KOPF systemet kan anvende to udvinding hastigheder svarende til protokollen vi udviklede. Men den maksimale hastighed KOPF aktuatoren er 4 mm / sek, mensvi anvendte 5 mm / sek for den første forskydning ved hjælp af Newport aktuatoren.

Under in vitro og in vivo test blev indføring af sonden-afstivende samling udføres enten med en manuelt drevet mikromanipulator eller en motoriseret mikromanipulator med hastigheder spænder 0,13-0,5 mm / sek. Ingen beskadigelse eller delaminering af proben blev iagttaget. Højere indsættelse hastigheder er ikke blevet evalueret for at bestemme risikoen for skader på sonden-afstivningen forsamling.

Ændringer indsættelse / udtræk procedure er i gang for at gøre processen mere robust. I særdeleshed er en meget følsom skridt at flytte stik for enden af ​​sonden ud af mikromanipulator på en nærliggende overflade. Der er en risiko i dette trin for at forstyrre sonden før det er blevet sikret. Det er også muligt at bøje i kablet kan forårsage stress på den indsatte del af sonden, der fører til utilsigtet forskydning af probenefter stiver ekstraktion. I øjeblikket er disse risici afbødes ved anvendelse af en probe med et kabel, der er mindst 2,5 cm lang. Det er imidlertid ønskeligt, at indsættelses / udvindingsprocessen være mindre afhængig af sonden design. Ændringer på mikromanipulator værktøj ende eller tilsætning af rastende armaturer, der kan midlertidigt understøtter stikket vil sandsynligvis give mere pålidelig udvinding af afstivningen.

Der er flere åbne spørgsmål, der kan føre til fremtidige undersøgelser strækker sig fra denne metode. Først, mens 0,6% agarose gel forudsat den bedst kendte in vitro hjernevæv surrogat og tilladt billeddannelse analyse af probedeplacering det ikke ligefrem replikere hjernevæv. Undersøgelser er nødvendige for at undersøge placering og forskydning af sonden in vivo. For det andet er der behov for langvarig implantation og histologiske undersøgelser for at kvantificere fordelene ved den fleksible probe med en aftagelig stiver. Sådanne undersøgelser kan undersøge teorienat sonden overensstemmelse reducerer mikrobevægelse og strækker elektrode ydeevne. Endelig vil det være gavnligt at mere præcist karakterisere nedbrydningshastighed af PEG. Dette kan hjælpe med bedre tuning af opløsningstider for bestemte kirurgiske behov. Sådanne målinger kan også kvantificere hvor længe opløst PEG forbliver mellem proben og afstivningen, hvilket er vigtigt, da den hydrofile karakter af PEG letter ekstraktion af afstivningen.

Materials

Name	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