生体溶解性接着剤で取り付けられている硬質補強材を用いた柔軟神経プローブの挿入
Summary
柔軟な神経微小電極プローブの挿入は、ポリエチレングリコール（PEG）を有する剛性補剛材にプローブを取り付けることによって有効になっている。独自の組立工程は、均一で再現性のある添付ファイルを確実にします。組織内に挿入した後、PEGを溶解し、補強材を抽出する。 インビトロ試験法は、アガロースゲル中の技術を評価する。
Abstract
生体適合性の薄膜ポリマーから作られる神経インタフェースデバイス用の微小電極アレイは、可撓性材料は、微動により引き起こされる有害な組織反応を最小限に抑えることができるので、機能的な寿命を延長していることが期待される。しかしながら、それらの柔軟性は、正確に神経組織内に挿入されるのを防止する。この記事では、一時的にプローブを正確に、外科的挿入を容易にするために、生体溶解性ポリエチレングリコール（PEG）を使用し、剛性補強材に柔軟な微小電極プローブを接続する方法を示しています。ユニークな補強材の設計は、プローブの長さに沿ったPEG接着剤の均一な分布を可能にする。フリップチップ、マイクロエレクトロニクスのパッケージで使用される一般的なツールは、補強材への正確で再現性の高いアライメントとプローブの取り付けを可能にします。プローブおよび補強材を外科その後PEGは補強材がプローブを出る抽出できるように溶解させ、一緒に移植される所定の位置に。最後に、 インビトロ試験法は、脳組織のアガロースゲルモデルにおける補強材抽出を評価するために使用される。移植のこのアプローチは、長い柔軟なプローブ（> 3ミリメートル）のために特に有利であることが判明している。また、両面フレキシブルなプローブを注入する実現可能な方法を提供する。今日まで、この技術は、ラット皮質からの種々 の生体内の記録データを取得するために使用されている。
Introduction
微小電極アレイは、神経科学の不可欠なツールだけでなく、このような人工装具などの新興臨床応用である。特に、貫通微小電極プローブは、脳、脊髄、および末梢神経細胞との密接な接触を介して神経活動の刺激と記録を可能にする。移植された神経プローブの主要な課題は、刺激および記録機能の安定性と寿命です。微小電極プローブや神経組織の間の相互作用のモデル化と実験的研究では、分解のための1メカニズムは、プローブと組織1-3の間のわずかな相対運動に起因する神経組織の微小断裂であることを示唆している。一つの解決策は、相対的な微動を最小化するために、より密接に神経組織の嵩剛性特性に一致する柔軟なプローブを製造することである。このように、ポリイミドやパリレン等の生体適合性の薄膜ポリマーは、マイクロエレクトロニクスのための良好な基質として採用されているtrodeプローブ4-8。
フレキシブルプローブのトレードオフは、それらが神経組織に挿入することが困難であることである。研究者は、望ましい機械的特性を維持しながら、柔軟なプローブの挿入を容易にするために様々なアプローチをとっている。デザインの一つのクラスは他の部分のコンプライアンスを維持しつつ、特定のセクション又は軸の剛性を高めるために、ポリマープローブの幾何学的形状を変更する。これは、リブまたは他の材料の層9,10を組み込むことによって達成された。別のアプローチは、生分解性材料11が充填されたポリマープローブの設計に3-Dチャネルを統合する。このプローブは、一時的に剛化、チャネル溶解し、ドレインアウト挿入後の材料することができる。ただし、恒久的に最終的な埋め込まれた装置のジオメトリを変更するこのような方法は、柔軟なプローブの望ましい機能の一部が損なわれることがあります。
Nを行う一つの方法最終的なプローブ形状を変えるotのは、一時的にデバイス12から14を補強するために、生分解性材料とポリマーデバイスをカプセル化することです。しかしながら、典型的な生分解性材料は、シリコンよりも小さい大きさのヤング率次数を有し、その結果、同一の剛性を達成するために、より大きな厚さを必要とするであろう。適切にプローブを塗布して、挿入をより困難に、より丸みを帯び、または丸い先端になることがあります。溶解可能なコーティングが露出しているため、また、それらを組織に接触、あるいは近接するとすぐに溶解するおそれがある。
方法の別のクラスは、組織内に移植された後、剛性が低減する新規プローブ基板材料を使用する。このような材料は、形状記憶ポリマー15と機械的に適応ナノ複合材料16を含む。これらの材料は、挿入後の弾性率が著しく低下することができ、より密接にMATCプローブをもたらすことができる時間神経組織の機械的特性。しかしながら、剛性の達成可能な範囲は依然として限られているので、シリコン又はタングステンワイヤに非常に高い剛性と等価を提供することができない可能性がある。極めて低い剛性を有する非常に長い（ 例えば、> 3 mm）であるか、または可撓性のプローブの場合には、一時的に、より剛性の補強材を取り付ける方法が依然として必要とされ得る。
報告されたまた別の有望な方法は、コーティングするために、シャトルと柔軟なプローブ17との間の表面の相互作用をカスタマイズするための恒久的な自己組織化単分子膜（SAM）で補強シャトルです。乾燥時には、プローブは静電塗装、シャトルに準拠しています。挿入後、水をシャトルが抽出できるように、シャトルからプローブを分離する、親水性表面上に移行する。減少プローブ変位とのシャトル抽出（85μm）を実証した。ただし、静電相互作用がTにプローブを保持した彼シャトルは、挿入前との間にシャトルに比べてプローブの滑りのいくつかのリスクがあります。
我々は、可撓性プローブがしっかりと挿入中にプローブを保持するテンポラリ生体溶解性接着材料を有する補強材に付着させる方法を開発した。使用したプローブは2-4 GPaの程度の弾性率を有するポリイミドで作られていた。補強材を約200 GPaの弾性率と、シリコンから製造した。取り付けられたとき、シリコンの剛性は、挿入を容易にする、支配する。一度組織に挿入、接着材料は溶解し、補強材は、その初期の柔軟性にプローブを復元するために抽出される。我々は、生体溶解性接着材料として、ポリエチレングリコール（PEG）を選択した。 PEGは、例えば、神経プローブ、組織工学、薬物送達11,18,19等の移植された用途で使用されている。いくつかの証拠は、PEGは、脳内の神経炎症応答を弱める可能性が示唆されました組織18,20。スクロース、ポリ乳酸 – コ – グリコール酸（PLGA）、およびポリビニルアルコール（PVA）を含む他の可能な材料に比べ、PEGの順に（多くのインプラント手術のために適切なスケールである生物学的液体中の溶解時間を有する分子量に応じて数十分）。また、50〜65℃の範囲の温度、室温と液体で固体このプロパティは、我々の精密組立プロセスのために特に適している。また、SAMと同様の17に記載され、溶解したPEGは、補強材の抽出を容易にする、親水性である。この有利なアプローチは、均一な接着剤の適用範囲および正確で再現性のある位置合わせを確実に新たな補強材の設計および系統的な組立工程で有効になっています。組立工程に加えて、我々は、手術中に取り外し可能な補強材を実現する方法、ならびにSTIの抽出を評価するためのインビトロ手順を示しffener。
ここに提示されたプロトコルは、ユーザーが柔軟なポリマー微小電極プローブを有していることを前提としています。補強材は、このプローブの補強材とアセンブリの製造を関連プロトコルの一部は、微細加工施設で見られる一般的なツールへのアクセスを前提としています。挿抜に関するプロトコルは、おそらく神経科学指向の実験室で行われることになる。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明する方法は、生体溶解性接着剤を用いて別々の補強材に薄膜ポリマープローブを取り付けるための十分に制御された方法を提供する。また、これらの取り外し可能な補強材と所定のプローブ·補強材構成に対して、in vitroでの手順を検証する技術を実現するための推奨の外科的処置がある発表した。補強材を任意に硬質にすることができるので、方法は、比較的長いプローブ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、NIH NIDCD Y1-DC-8002から01によってサポートされていました。この作業は、契約DE-AC52-07NA27344下ローレンス·リバモア国立研究所で、米国エネルギー省の後援の下で行った。
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).
