Summary
Innsetting av fleksible nevrale microelectrode prober blir aktivert ved å feste prober til stive avstivere med polyetylenglykol (PEG). En unik monteringsprosessen sikrer jevn og repeterbare vedlegg. Etter innføring i vevet, oppløser PEG og avstiveren ekstraheres. En in vitro testmetode evaluerer teknikk i agarosegel.
Abstract
Microelectrode arrays for neural grensesnitt-enheter som er laget av biokompatibel tynnfilm polymer forventes å ha utvidet funksjonelle levetid, fordi det fleksible materiale kan minimalisere uønskede vevsrespons som skyldes micromotion. Imidlertid forhindrer deres fleksibilitet at de blir nøyaktig inn i nervevevet. Denne artikkelen viser en fremgangsmåte for midlertidig å feste en fleksibel microelectrode probe til en stiv stiveren ved hjelp av biodissolvable polyetylenglykol (PEG) for å lette nøyaktig, kirurgisk innsetting av sonden. En unik stiver design tillater jevn fordeling av PEG limet langs lengden av sonden. Flip-chip binding, et vanlig verktøy som brukes i mikroelektronikk emballasje, muliggjør nøyaktig og repeterbar innretting og feste av proben til avstiveren. Sonden og stiver er kirurgisk implantert sammen, så at PEG er tillatt å løse opp, slik at stiveren kan ekstraheres etterlatende sondenpå plass. Til slutt, er en in vitro-test-metoden som brukes for å evaluere stiver ekstraksjon i en agarosegel modell av hjernevev. Denne tilnærmingen til implantasjon har vist seg spesielt fordelaktig for mer fleksible prober (> 3 mm). Det gir også en mulig metode for å implantere tosidige fleksible sonder. Til dags dato har teknikken blitt brukt til å hente ulike in vivo registrering av data fra rotte cortex.
Introduction
Microelectrode arrays er et viktig verktøy i nevrovitenskap samt nye kliniske applikasjoner som protetikk. Spesielt trengende mikro-elektrode sonder gjør det mulig stimulering og registrering av neuronal aktivitet ved nær kontakt med celler i hjerne, ryggmarg, og perifere nerver. En stor utfordring for implanterte nevrale prober er stabilitet og lang levetid av stimulering og opptaksfunksjoner. Modellering og eksperimentelle studier av interaksjonen mellom microelectrode prober og neural vev har antydet at en mekanisme for nedbrytning er mikro-riving av neural vev på grunn av liten relativ bevegelse mellom sonden og vev 1-3. En løsning er å dikte fleksible sonder som samsvarer nærmere bulk stivhetsegenskaper av nevrale vev for å minimere relativ micromotion. Som sådan har biokompatible tynnfilm polymerer som polyamid og parylene blitt vedtatt som gunstige substrater for microelecroden sonder 4-8.
En avveining av fleksible prober er at de er vanskelige å sette inn i nervevevet. Forskere har tatt ulike tilnærminger for lettere å plassere fleksible prober samtidig bevare de ønskede mekaniske egenskaper. En klasse av utførelser endrer polymer probe geometri for å øke stivheten i visse seksjoner eller-aksene og samtidig opprettholde samsvar med andre deler. Dette har blitt oppnådd ved å inkorporere ribber eller lag av annet materiale 9,10. En annen tilnærming integrerer en 3-D-kanalen i polymer probe utforming som er fylt med biologisk nedbrytbart materiale 11.. Denne probe kan bli midlertidig stivnet, og etter innsettingen av materialet i kanalen oppløses og renner ut. Imidlertid kan fremgangsmåter som disse som permanent modifisere geometrien til det endelige implanterte enhet kompromiss noen av de ønskelige trekk ved den fleksible probe.
En metode som gjør not forandre endelig probe geometri er å kapsle polymer enhet med biologisk nedbrytbart materiale til midlertidig stive enheten 12-14. Imidlertid typisk biologisk nedbrytbare materialer har Youngs moduli størrelsesordener mindre enn den for silisium og vil følgelig kreve større tykkelse for å oppnå samme stivhet. Tilstrekkelig belegning sonden kan resultere i en mer avrundet eller stump spiss, slik at innsettingen vanskeligere. Også, siden oppløselige belegg er utsatt for, er det en fare for at de løse opp umiddelbart ved kontakt, eller til umiddelbar nærhet med vevet.
En annen klasse av metoder benytter ny probe substratmaterialer som reduserer i stivhet etter å ha blitt implantert i vev. Slike materialer omfatter formen minne polymerer 15 og en mekanisk adaptive nanocomposite 16. Disse materialer er i stand til å minske i elastisk modulus signifikant etter innsetting, og kan resultere i sonder som nærmere match de mekaniske egenskapene til nervevev. Imidlertid er den oppnåelige spekter av stivheten fortsatt er begrenset, slik at de ikke kan være i stand til å gi meget høy stivhet tilsvarende silisium-eller wolframtråder. Således i tilfelle av fleksible prober som er meget lang (for eksempel> 3 mm), eller som har meget lav stivhet, kan det fremdeles være nødvendig med en fremgangsmåte for midlertidig festing av en mer stiv avstiver.
Enda en lovende metode rapportert er å belegge et avstivet shuttle med en permanent selv montering monolayer (SAM) for å tilpasse overflaten samspillet mellom transport og fleksibel sonde 17. Etter tørking, kleber sonden til den belagte elektrotransport. Etter innsetting, vandrer vann på den hydrofile overflaten, separering av sonden fra veksel slik at transport kan utvinnes. Shuttle ekstraksjon med redusert probe forskyvning ble demonstrert (85 mikrometer). Imidlertid, med eneste elektrostatiske interaksjoner holder sonden til than shuttle, det er en viss risiko for probe glidning i forhold til shuttle før og under innsetting.
Vi har utviklet en fremgangsmåte hvor det fleksible probe er festet til en avstiver med et midlertidig biodissolvable klebende materiale som sikkert holder sonden under innføring. Sondene som benyttes ble laget av polyimid, som har en elastisitetsmodul av størrelsesorden 2-4 GPa. Avstiveren ble fremstilt fra silisium, med en elastisitetsmodul på ~ 200 GPa. Når den er festet, stivhet av silisium dominerer, tilrettelegging innsetting. Når den er satt inn i vevet, oppløser det adhesive materialet og stiveren er trukket ut for å gjenopprette sonden til sin opprinnelige fleksibilitet. Vi valgte polyetylenglykol (PEG) som biodissolvable klebemiddelmateriale. PEG har blitt brukt i implanterte applikasjoner som neural prober, vevsteknologi, og levering av legemidler 11,18,19. Noen bevis tyder på at PEG kan dempe neuroinflammatory respons i hjernenvev 18,20. Sammenlignet med andre mulige materialer, inkludert sukrose, poly-melkesyre-ko-glykolsyre (PLGA) og poly-vinylalkohol (PVA), har PEG en oppløsningstid i biologiske fluider som er av en passende skala for mange implantat operasjoner (av størrelsesorden titalls minutter, avhengig av molekylvekt). I tillegg er det fast ved romtemperatur og flytende ved temperaturer i området 50-65 ° C. Denne egenskapen gjør den spesielt egnet for vår presisjon monteringsprosessen. Videre, i likhet med den som er beskrevet i SAM 17, er oppløst PEG hydrofile, tilrettelegging utvinning av avstiveren. Denne fordelaktig tilnærming er aktivert av en roman stiver design og metodisk monteringsprosess som sikrer jevn limet dekning og nøyaktige og repeterbare justering. I tillegg til montasjeprosessen presenterer vi metode for å implementere den uttakbare stiver under kirurgi, så vel som en in vitro-fremgangsmåte til å evaluere ekstraksjon av STIffener.
Protokollen som presenteres her forutsetter at brukeren besitter en fleksibel polymer microelectrode probe. Den del av protokollen gjelder fabrikasjon av avstiveren og montering av denne probe til en avstiver foruts tilgang til vanlige verktøyene som finnes i en microfabrication anlegg. Protokollen om innsetting og uttak vil trolig bli utført i et nevrovitenskap-orientert laboratorium.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
En. Montering av Probe til Stiffener
Denne delen av protokollen beskriver fremstilling av en silisium stiver, og montering av en tynn-film polymer proben til avstiveren. Figur 1 illustrerer en typisk polymer neural sonden sammen med den foreslåtte avstiver. Detaljene av avstiveren utforming er vist i figur 2. Det nye trekket ved denne utforming er den grunne "wicking" kanal som går langs dens lengde, som benyttes for å fordele flytende lim under monteringen. Den bredere del av stiveren er en kategori for håndtering ved montering og kirurgisk innsetting. Et reservoar i kategorien kobles til kanalen. Komponenten er fremstilt av silisium ved anvendelse av standard microfabrication prosesser.
- Den silisium stiver med en transporterende kanal ble fremstilt fra en silisium-på-isolator (SOI) skive med en enhet tykkelse som tilsvarer den ønskede tykkelse av stiverens (
- Plasser en pellet av polyetylenglykol (PEG) med molekylvekt 10 000 g / mol til reservoaret (figur 4). Varm opp stiver til 65 ° C, slik at PEG smelter og transporterer inn i kanalen ved kapillærvirkning. Deretter avkjøles til romtemperatur for å stivne. Fig. 5 viser et skjematisk av flip chip Perpender oppstilling. Plasser stiver opp ned på undertrinnet til flipp-chip Perpender, deretter plukkes opp stiver med verktøyhodet. Plasser sonden opp ned på basefasen. Bruke flip chip bønder, justere stiver og sonden og senk stiver og plasser det i sonde.
- Basen fasen av flip chip Perpender bør ha et varmeelement for å anvende varmen til substratet. Etter å ha plassert stiver, oppvarme sammenstillingen igjen til 65 ° C. Tillat i ett minutt mens PEG til omsmelting og begynne å fylle grenseflaten mellom sonden og stiver. Kule å stivne.
- Snu forsamlingen over og inspisere fra toppen. Varm opp etter behov for å tillate at PEG til å fylle grenseflaten mellom sonden og stiver. Dette kan evalueres visuelt ettersom sonden er gjennomsiktig. Som forsamlingen sitter på varmeapparatet topp (probe-) siden opp, manuelt plassere 1-3 extra pellets av fast PEG ut mot fliken, slik at de smelter over sonden, som gir ekstra armering i denne regionen (figur 6). Endelig tillater sammenstillingen å avkjøles, slik at PEG størkner. På dette punktet, er sammenstillingen er klar for kirurgisk innsetting.
2. Innsetting og Utvinning
- Monter probe-stiver enheten til en mikromanipulator som illustrert i figur 7A ved å feste baksiden av stiveren til mikromanipulator arm på fliken region. Dette kan gjøres med dobbeltsidig tape eller sement, men tar seg ikke å kontakte sonden med lim. Sikre midlertidig kontakten enden av sonden til mikromanipluatoren med et lite stykke selvklebende kitt slik at det lett kan fjernes med lav kraft.
- Plasser sonden enheten rundt målet og målenålen med den ønskede innføringshastighet. Innleggelse hastigheter på 0,13 til 0,5 mm / sek ble brukt under utviklingen av denne protokollen. </ Li>
- Umiddelbart fjerne kontakten enden av sonden fra mikromanipluatoren forsiktig og la den hvile på en nærliggende overflate, for eksempel en ny manipulator arm (figur 7B). Dette må skje før PEG begynner å løse seg opp for å unngå forskyvning av sonden.
- Gi tid til PEG å oppløse. Dette tidsrom avhenger av PEG molekylvekt og kontaktområdet mellom sonden og stiver. For eksempel, med PEG molekylvekt på 10.000 g / mol, et microelectrode probe omtrent 6 mm og en samsvarende stiver som er 306 mikrometer brede, 15 min er funnet å være en tilstrekkelig tidsperiode. § 3 i protokollen presenterer en fremgangsmåte for å teste den nødvendige oppløsningstid. I løpet av denne tid, gjelder fosfatbufret saltvann (PBS) under anvendelse av en dråpeteller rundt tappen og innføringspunktet for å løse opp ethvert PEG som er over målet (figur 7C).
- Ved hjelp av en motorisert micropositioner, begynne ekstraksjon av stiveren ved å bruke et volum på100 um med en hastighet på 5 mm / sek. Denne første raske bevegelser bidrar til å overvinne enhver statisk friksjon og minimere probe fortrengning. Deretter fullføre stiver utvinning med lavere hastighet på ca 0,1 mm / sekund (figur 7D).
- I tilfelle av en aktuell operasjon, fortsetter den vanlige fremgangsmåte å anvende gel, silikon, og / eller dental akryl ved innføringsstedet for å sikre og beskytte sonden, som vist i 21.
Tre. Agarosegel Test
Denne delen av protokollen beskriver en oppstilling og fremgangsmåte for å undersøke utvinning av avstivningsplaten i en 0,6% agarose-gel som er omtrent lik bulk mekaniske egenskaper, pH og salinitet av hjernevev 17,22. Siden geleen er nesten gjennomsiktig gjennom korte avstander, kan stiver separasjon og probe forskyvning holdes.
- Tilbered en løsning av 0.6% agarose i fosfatbufret saltvann (PBS). Bland i en elegende temperatur for å løse opp agarose pulver. Hell blandingen i et grunt akryl boks; gel bør være 3/4- 1 i dyp. La det gelen satt ved romtemperatur i en time.
- Påse at den herdede gelen er mettet med PBS slik at den ikke tørke ut, og oppvarme gelen til 37 ° C.
- Sett opp mikromanipulator, boks av agarose gel, og mikroskopisk kamerasystem som vist i figur 8..
- Sett i en glass referanse fiducial inn i boksen for gel ved å skyve det mellom gelen og den side av boksen (fig. 8). Bruk en tann pick til torget funksjonene på referansen fiducial til synsfeltet av det digitale mikroskop.
- Monter probe enheten til mikromanipulator som beskrevet i trinn 2.1.
- Plasser sondesammenstilling over gel omtrent 1 mm bak referanse fiducial.
- Sett sonden inn i gelen, ved hjelp av kameraet for å lede det til en ønsket dybde i synsfeltet. </ Li>
- Umiddelbart flytte kontakten enden av sonden til å hvile på en nærliggende overflate.
- Gjør eventuelle nødvendige justeringer av kamerabildet til å fokusere på sonden (referanse fiducial funksjonene kan være litt ute av fokus). Ta et bilde av sonden plassering.
- Tillat PEG for å oppløse (denne tid kan variere, og i virkeligheten kan være en parameter som skal testes). Påfør PBS nær fanen for å oppløse PEG som er over gel.
- Start bildeoverføring hvis ønskelig, og begynne ekstraksjon av stiveren, som beskrevet i trinn 2.5. Når filene er pakket ut, ta et siste bildet av sonde plassering.
- Bruk bildebehandlingsverktøy for å sammenligne bildene før og etter stiver utvinning. Bruk funksjonene i referanse fiducial som er synlige i betraktningsfeltet for å registrere (justere) bildene. Kalibrer målestokk av bildet basert på størrelsen av kjente egenskaper for proben. Mål avstanden til sonden fortrengning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne innføringsteknikk ble brukt i forbindelse med tynn-film LLNL polyimid prober, som har passert ISO 10993 biokompatibilitet standarder og er beregnet for kronisk implantasjon. En typisk tynn-film polyimid sonde er vist på figur 1 sammen med et silisium stiver som er omtrent 10 mm lang i det smale området. Denne stiver har en transporterende kanal som går langs dens lengde, som vist i figur 2.. Figur 3 illustrerer mimcrofabrication prosessen som brukes til å opprette denne stiver av silisium. Figur 4 viser en pellet av fast PEG som ble plassert i reservoaret av fanen, sett gjennom kameraet på baks chip bønder system. Når den ble oppvarmet ved hjelp av varmeapparatet er bygget inn i bunnen stadium av flip chip Perpender, PEG smeltet og begynte å transportere inn i kanalen. Kameraet visningen tillatt oss å overvåke fukttransporterende prosessen til PEG helt fylt kanalen, hh tok omtrent en time med PEG med molekylvekt 10.000 g / mol. PEG ble deretter størknede og sonden, og stiveren ble satt opp i flip chip bønder som vist i figur 5.. Figur 9A viser et toppriss av en probe, og stiveren etter at den er innrettet og festet, med PEG ved fullstendig fylling av grensesnittet. Figur 9B viser et eksempel på en luftboble, hvor PEG er ikke til stede på grunn av en partikkel. Det siste trinn i monteringen er å tilsette PEG til kategorien region over kabelen del av sonden, for ekstra armering under håndtering. Ettersom dette området ikke vil bli satt inn i målet, er det akseptabelt å ha et større volum av PEG her, som vist i figur 6.. Denne montering metoden har vært brukt til å feste forskjellige former av probene til avstivere, inklusive fler tange-enheter, som i vist i figur 10..
Den in vitro agarosegel test har vært brukt til å Qualitatively vurdere ulike parametere som PEG molekylvekt, tid tillatt for PEG å oppløses, og stiver geometri. Med hver kombinasjon av PEG og stiver geometri, ble en viss tid tillatt for oppløsning. Deretter ekstraksjon ble forsøkt mens observere sonde forskyvning i sanntid. Hvis sonden ble trukket betydelig (> 200 um) uten synlig separering eller glir i forhold til stiveren, konkluderte vi at PEG ikke var fullt oppløst. Tabell 1 viser noen representative observasjoner av PEG oppløsning med varierende tider og varierende molekylvekt med en avstiver som er 6 mm lange og 306 mikrometer brede. En annen observasjon i de etterfølgende tester var at når avstiveren er smalere (f.eks 220 mm), ble PEG oppløst i kortere tid (så lite som 5 minutter). Dette er sannsynligvis fordi limet kontaktområdet ble redusert, og som et resultat, var det et mindre volum av PEG til å løse seg opp. Parametere som ikke ser ut til å påvirke PEGoppløsning eller probe forskyvning var stiver tykkelse (tykkelse i området fra 20 til 100 mikron ble testet) og antall transporterende kanaler (1 g. 3).
Den in vitro-test er også blitt brukt til å kvantifisere gjennomsnittlig probe forskyvning for en gitt sonde / stiver / klebemiddel-konfigurasjon. I dette eksempel ble testen utført ved hjelp av innsetting / ekstraksjon sekvensen illustrert i Figur 7, karakterisert ved at probe-stiver sammenstillingen settes inn i agarosegel, blir kontaktenden flyttes til en nærliggende overflate, blir PEG lov til å oppløses, og stiver er endelig ekstrahert forlate sonden på plass. Den eksperimentelle oppstilling i figur 8 viser at probe-stiver sammenstillingen er festet til den mikromanipulator arm og plassert over gel. Referanse fiducial var en liten glass-brikke med en rekke gull prikker plassert mot akryl boksen i synsfeltet til den digitale mikroskop.
Figur 11 viser øyeblikks før og etter ekstraksjon av en avstiver fra en sondesammenstilling som ble testet i agarosegel. Lyset gull egenskaper i bildene er fra referanse fiducial og ble brukt som referanse funksjoner for å justere bilder av hverandre. Den kjente banen mellom elektrodene (200 pM) ble anvendt for å kalibrere pikselstørrelsen, siden denne dimensjonen er mindre følsom for variasjoner i fabrikasjonsprosessen. Netto probe forskyvning på grunn av stiver ekstraksjon ble beregnet til å være 28 ± 9 mikrometer (gjennomsnitt ± standard avvik, n = 5).
Til dags dato, har den foreslåtte metoden blitt utvidet til faktisk en imal kirurgi ved flere anledninger å implantere en sonde inn i et rotte cortex. Etter montering, ble proben og 50 mikrometer tykk stiveren steriliseres sammen i EtOH ved romtemperatur. Innsettingen og ekstraksjon ble utført med en mikromanipulator festet til en stereotaksisk ramme. Sonden-stiver sammenstillingen ble satt på 0,13 mm / sek ca 4 mm inn i cortex til en rotte. Etter 15 minutter ble den stiver ekstrahert, slik at sonden på plass. Etter gjenvinning fra kirurgi, neural opptak, som vist i figur 12, ble det med hell oppnådd fra våkne dyr demonstrere gjennomførbarheten av denne metoden i reelle operasjoner 23. Denne implantasjonen teknikken har også blitt brukt for å oppnå in vivo-opptak med dobbeltsidige matriser som har elektroder på både forsiden og baksiden, slik som vist i figur 13..
pload/50609/50609fig1.jpg "/>
Figur 1. Skjematisk fremstilling av en typisk neural sonde og den foreslåtte stiver. Typisk tynnfilmpolymer probe har en eller flere elektroder på sonden enden. Metall spor går fra elektrodene langs lengden av kabelparti og ender på en blokk som er festet til et elektrisk tilkoblingsorgan. Avstiveren lengde (i dette tilfelle omtrent 10 mm) avhengig av innføringsdybden av sonden, og en bredere kategori på avstiveren muliggjør håndtering. (Bilde gjengitt med Diana George)
Figur 2. Stiver designdetaljer. Et vekekanal utnytter kapillarvirkning til å fordele en flytende klebemiddel som er blitt avsatt i reservoaret. Reservoaret er i en bredere kategori region som letter håndteringen. (Bilde gjengitt med Diana George)
Figur 3. Fabrication sekvens for silisium stiver. Den silisium stiver er fabrikkert på en silisium-på-isolator (SOI) skive (A). Først wicking kanaler er tørr-etset ved bruk av standard Bosch-prosessen (B). Deretter blir stiver geometri definert ved en lengre etch som stopper på begravet oksidlag (C). Endelig er de avstivere utgitt av våt-etsing begravet oksidsjiktet i 49% flussyre (D).
Figur 4. Polyetylenglykol i stiver reservoaret. A flake av polyetylen-glykol som er lagt inn i reservoaret av avstivningsplaten. Når oppvarmet, vil den smelte, fylle reservoaret, og strømningsinn i vekekanalen.
Figur 5. Skjematisk av flip-chip bonding. Avstiveren holdes med kanalen ned ved et vakuum på verktøyet leder av flip-chip bønder. Det nevrale probe ligger på basen scenen med ansiktet ned.
Figur 6. Polyetylenglykol på tab stiver. Ekstra polyetylenglykol er sjenerøst søkt på tappen på stiver som forsterkning. Kabelen del av en polyimid-probe er synlig på toppen av avstiveren.
Figur 7. Skjematisk av isertion og utvinning sekvens. A) Sonden-stiver montering settes inn i vev ved hjelp mikromanipluatoren. B) Kontakflaten er flyttet til en nærliggende overflate. C) PBS er gjelder å oppløse PEG på tappen på den hardere. D) Det stiver er pakket ut, forlater sonden i målet.
Figur 8. In vitro test satt opp. Oppsettet for testing probe innsetting og stiver ekstraksjon i 0,6% agarose-gel i fosfatbufret saltvann. Sonden-stiver sammenstillingen er festet til mikromanipulator arm og plassert over gel målet nær referanse fiducial. En digital mikroskop benyttet for å observere sonden og stiver på agarosegel.
Figur 9. Probe følges stiver. A) sett ovenfra av en sonde festet til en avstiver med god innretting og fullstendig klebe dekning. B) Et eksempel på et hull i klebemidlet dekning på grunn av en partikkel.
Figur 10. Eksempel på en multi-skaft probe. Forslaget monteringsprosessen ble brukt til å feste denne fire-skaft probe til et tilsvarende silisium-stiver.
Figur 11. Eksempel på avstivningsringene ekstraksjon resultater. Øyeblikksbilder fra før (top) og etter (bunn) stiver ekstraksjon med et tynn-film-polyimid-probe i agarosegel. Lyset gull prikker er påreferanse fiducial og blir brukt som referanse funksjoner for å sammenligne bildene og måle sonde fortrengning. Den beregnede forskyvning av sonden er 28 ± 9 mikrometer (gjennomsnitt ± standard avvik, n = 5).
Figur 12. Eksempel på fysiologiske opptak. Disse enkelt neuron toppene ble oppnådd fra en fleksibel microelectrode sonde implantert med en avtagbar stiver som beskrevet i denne protokollen.
Figur 13. LFP opptak fra en dual-sided probe. Innføring med en flyttbar stiver aktivert testing av et fleksibelt utvalg som hadde elektroder på både foran og bak overflater. Disse LFP innspillinger demonstrerte comparable elektrodeytelse på begge sider etter implantasjon.
| PEG oppløst etter: | |||||
| Probelengde (mm) | Stiver bredde (mikrometer) | PEG molekylvekt (g / mol) | 10 min | 15 min | 30 min |
| 6 | 306 | 6000 | ja | ja | |
| 10000 | ja | ||||
| 20000 | no | ja | |||
Tabell 1. PEG oppløsning time i 0,6% agarose-gel. Observasjoner på oppløsning av PEG med forskjellige molekylvekterbrukes til å feste en fleksibel sonde til et silisium stiver, etter varierende tidsrom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Fremgangsmåten er beskrevet her gir en godt kontrollert prosess for å feste tynnfilmspolymer prober til atskilte avstivere med en biodissolvable klebemiddel. Også presentert er den anbefalte kirurgisk prosedyre for å implementere disse flyttbare avstivere og en teknikk for å bekrefte fremgangsmåten in vitro for en gitt probe-stiver konfigurasjon. Siden stiver kan gjøres vilkårlig stivt, kan fremgangsmåten lettere å plassere relativt lange prober (> 3 mm). Som sådan, er innsettings fremgangsmåte forventes å være en slik teknologi for anvendelser på dypt hjernestimulasjon (DBS), ryggmargsstimulering, og perifere nerve grensesnitt.
Den nye stiver med en transporterende kanal og flip-chip basert sammenstillingsprosessen er egnet for ulike materialer og probe-konfigurasjoner. Geometrisk, blir avstiveren ikke å samsvare med sonden fotavtrykk og kan for eksempel være smalere enn proben. Tykkelsen av STI ffener kan også variere. Mens vi har beskrevet en avstiver laget av silisium, med andre materialer, kan det være mulig å oppnå mer ønskelige mekaniske egenskaper for visse anvendelser. Monteringen prosessen er også egnet for andre typer av flytende klebemiddel. PEG er særlig lett å arbeide med på grunn av dens evne til å bli størknet og smeltes flere ganger. I tilfelle av andre flytende klebemidler som ikke har denne egenskap, kan monteringssekvensen må endres. Det er mulig å bruke en annen molekylvekt for PEG. En høyere molekylvekt vil ta lengre tid for å løse opp, noe som kan være ønskelig under operasjon. Kontaktflaten mellom proben og stiver vil også påvirke tiden som er nødvendig for å løse opp limet etter at sonden innsetting. Det anbefales at sonden-stiver-konfigurasjon med den valgte molekylvekt bli testet in vitro som beskrevet i del 3 for å karakterisere den tid som er nødvendig for å løse opp limet.
_content "> Vi har funnet at nøyaktig styring av utvinningshastigheten er kritisk for ekstrahering av stiveren med minimal forskyvning probe. Nærmere bestemt bidrar til en initiell rask bevegelse for å overvinne statisk friksjon og separere den stiveren fra sonden. Deretter resten av ekstraksjon kan være ferdig med lavere hastighet med ubetydelig ekstra probe fortrengning, som observert i agarosegel test. Mange nevrovitenskap laboratorier bruker Kopf stereotaksiske systemer, og det er en motorisert mircopositioner modul fra KOPF (f.eks Model 2662) som kan legges til disse systemene. Vi valgte en Newport motorisert aktuator fordi det hadde lignende dynamisk ytelse, men var billigere og hadde mer fleksibel hastighetskontroll. (Det var nødvendig å dikte opp en enkel brakett for å feste aktuatoren til vår micropositioner system.) Den KOPF system kan gjelde to utvinning tilsvarende hastighet protokollen vi utviklet. Imidlertid er den maksimale hastighet av KOPF aktuatoren 4 mm / sek, mensvi brukte 5 mm / sek for den første forskyvning ved hjelp av Newport aktuator.Under in vitro-og in vivo-test, ble innsetting av sonde-stiver montering utføres enten med en manuelt drevet mikromanipulator, eller en motorisert mikromanipulator, med hastigheter som strekker seg 0,13 til 0,5 mm / sek. Ingen skade på eller delaminering av proben ble observert. Høyere innføringshastighet er ikke vurdert for å bestemme risiko for skade på sonden-stiver sammenstillingen.
Modifikasjoner på innsetting / ekstraksjonsmetode er i gang for å gjøre prosessen mer robust. Spesielt er en meget følsom trinn bevegelige kontaktenden av sonden ut av mikromanipulator på en nærliggende overflate. Det er en risiko i dette trinnet for å forstyrre sonden før den er blitt festet. Det er også mulig at svingen i kabelen kan føre til stress for den innsatte delen av sonden, noe som fører til uønsket forskyvning av sondenetter stiver utvinning. For tiden er disse risikoene reduseres ved hjelp av en sonde med en ledning som er minst 2,5 cm lang. Imidlertid er det ønskelig at innsettings / uttrekkingsprosessen være mindre avhengig av sonden design. Modifikasjoner mikromanipluatoren verktøyenden eller tillegg av rast inventar som midlertidig kan støtte kontakten vil trolig tillate mer pålitelig utvinning av stiver.
Det er flere åpne spørsmål som kan føre til fremtidige studier som strekker seg fra denne metoden. Først, mens 0,6% agarose-gel ga best kjente in vitro hjernevev surrogat og tillatt avbildningsanalyse av probe forskyvning, er det ikke helt replikere hjernevev. Studier for å undersøke plassering og forskyvning av sonden in vivo. For det andre, er langtids implantasjon og histologisk testing er nødvendig for å kvantifisere fordelene med den fleksible probe med en avtagbar stiver. Slike studier kan undersøke teorienat sonden etterlevelse reduserer micromotion og forlenger elektrode ytelse. Endelig vil det være fordelaktig til mer nøyaktig å karakterisere nedbrytningshastigheten av PEG. Dette kan bistå i bedre tuning av oppløsningstider for spesielle kirurgiske behov. Slike målinger kan også kvantifisering av hvor lang tid det oppløste PEG forblir mellom sonden og stiveren, noe som er viktig fordi den hydrofile naturen av PEG forenkler utvinning av avstiveren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av NIH NIDCD Y1-DC-8002-01. Dette arbeidet ble utført i regi av US Department of Energy ved Lawrence Livermore National Laboratory under kontrakt DE-AC52-07NA27344.
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 |
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).
- Parylene microprobes with engineered stiffness and shape for improved insertion. Egert, D., Peterson, R. L., Najafi, K. Proceedings of Transducers '11, Beijing, China, , (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).
- Improving mechanical stiffness of coated benzocyclobutene (bcb) based neural implant. Singh, A., Zhu, H., He, J. Proceeding of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, , 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).
- An ultra-compliant, scalable neural probe with molded biodissolvable delivery vehicle. Gilgunn, P. J., Khilwani, R., et al. Proceedings of the 2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), , 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).
- Effects of adsorbed proteins and an antifouling agent on the impedance of silicon-based neural microelectrodes. Sommakia, S. S., Rickus, J. L., Otto, K. J. Proceedings of the 31st Annual IEEE EMBC International Conference, , 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).
- Removable silicon insertion stiffeners for neural probes using polyethylene glycol as a biodissolvable adhesive. Felix, S., Shah, K. G., George, D., Tolosa, V., Tooker, A., Sheth, H., Delima, T., Pannu, S. Proceedings of the International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society, , 871-874 (2012).
