Biodissolvable Yapıştırıcı ile Attached sert katılaştıncılar kullanma Esnek Sinir Sondalar ekleme
Summary
Esnek sinir mikroelektrodlu prob yerleştirilmesi polietilen glikol (PEG) ile sert katılaştmcılarla sondalar takılarak etkindir. Benzersiz bir montaj işlemi üniforma ve tekrarlanabilir eki sağlar. Doku içine yerleştirilmesinden sonra, PEG çözdüğü ve takviye ekstre edilmiştir. Bir in vitro test yöntemi, agaroz jel tekniği değerlendirir.
Abstract
Esnek malzeme mikro-neden olduğu olumsuz doku yanıtı en aza indirir, çünkü biyo-uyumlu bir ince film polimerden yapılmış nöral arabirim cihazları için Mikroelektrod diziler fonksiyonel kullanım süresi uzatılabilir olması bekleniyor. Ancak, esneklik doğru sinir doku içine sokulan engeller. Bu makalede, geçici olarak, sondanın kesin, cerrahi sokulmasını kolaylaştırmak için biodissolvable polietilen glikol (PEG) kullanılarak sert bir takviyenin esnek bir mikroelektrot sonda takmak için bir yöntemi gösterir. Benzersiz bir takviye tasarım probun uzunluğu boyunca PEG yapışkan maddenin eşit olarak dağılımı için izin verir. Flip-çip bağlama, mikro paket olarak kullanılan bir araç, takviyenin doğru ve tekrarlanabilir hizalama ve prob takılmasını sağlar. Sonda ve takviye cerrahi sonra PEG takviye prob bırakarak elde edilebilir, böylece çözmek için bırakılır, birlikte implanteyerinde. Son olarak, bir in vitro test yöntemi, beyin dokusu, bir agaroz jel modelinde takviye çıkarma değerlendirmek için kullanılır. İmplantasyondan Bu yaklaşım (> 3 mm) daha esnek bir prob için özellikle avantajlı olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca çift taraflı esnek problar implant uygulanabilir bir yöntem sağlar. Bugüne kadar, tekniğin sıçan korteks çeşitli in vivo kayıt verileri elde etmek için kullanılmıştır.
Introduction
Mikroelektrod diziler bir nörobilim önemli bir araç yanı sıra protez gibi gelişen klinik uygulamalardır. Özellikle, delici mikro elektrot sondalar, beyin, omurilik, ve periferal sinirlerde hücreleri ile yakın temas yoluyla nöronal aktivitenin uyarılmasını ve kayıt sağlar. Implante nöral problar için büyük bir meydan okuma uyarım ve kayıt fonksiyonları istikrar ve uzun ömürlü. Mikroelektrot prob ve nöral doku arasındaki etkileşimin modellenmesi ve deneysel çalışmalar bozulması için, bir mekanizma nedeniyle sistemi ve doku 1-3 arasında küçük nispi hareketi sinir dokusunun mikro yırtılma olduğunu ileri sürmüşlerdir. Bir çözelti, daha yakın nispi mikro-en aza indirmek için nöral doku toplu sertlik özelliklerine uygun problar, esnek imal etmektir. Bu nedenle, böyle bir polimid ve Parylene gibi biyo-uyumlu polimerler, ince film Mikroelektronikler için uygun alt-tabakalar olarak kabul edilmiştirtrode 4-8 inceledi.
Esnek probların bir değiş tokuş nöral doku içine eklemek zor olmasıdır. Araştırmacılar, arzu edilen mekanik özellikleri korurken esnek bir prob sokulmasını kolaylaştırmak için çeşitli yaklaşımlar geliştirmişlerdir. Tasarımlar bir sınıfı diğer bölgelerinde uyumu muhafaza ederken, belirli bir bölüm veya eksende sertliğini arttırmak için polimer prob geometri değiştirir. Bu kaburgalar ya da başka malzemeler 9,10 katmanları dahil edilmesi ile başarılmıştır. Diğer bir yaklaşım, biyolojik olarak parçalanabilir malzeme 11 ile doldurulur polimer Sonda tasarımı bir 3-D kanal bütünleştirir. Bu prob geçici kasıldı edilebilir ve kanal bitip kanalizasyon dışarı yerleştirilmesi malzeme sonra. Bununla birlikte, sürekli olarak son implante edilmiş cihazın geometrisini değiştirmek gibi, bu gibi yöntemler, esnek probun arzu edilen bazı özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilir.
N yapar Bir yöntemNihai sonda geometrisini değiştirmek ot geçici cihazı 12-14 sertleştirmek için biyolojik malzeme ile polimer cihaz kapsüllemek olmaktadır. Bununla birlikte, tipik biyolojik olarak bozunabilir malzeme silisyum daha küçük büyüklükte Young modülleri emir ve bunun sonucunda aynı sertliği elde etmek için daha büyük bir kalınlık gerektirir. Yeterli prob yerleştirme daha zor hale daha yuvarlak veya künt ucu neden olabilir kaplama. Erir kaplamalar maruz beri Ayrıca, doku ile temas halinde hemen çözülmesi bunların risk, hatta yakınlığı vardır.
Yöntemlerin bir başka sınıfı, doku içine implante edildikten sonra sertlikteki düşüren yeni prob substratı malzemeler kullanmaktadır. Bu tür malzemeler, şekil belleği olan polimerler 15 ve bir mekanik uyarlanabilir nanokompozit 16 içerir. Bu maddeler yerleştirildikten sonra önemli ölçüde esneme modülü olarak azaltmak mümkün, ve daha yakından hizmeti t prob ile sonuçlanabilirnöral doku h mekanik özellikleri. Ancak, sertlik ulaşılabilir aralığı hala sınırlı, bu yüzden silikon veya tungsten teller çok yüksek sertlik eşdeğer sağlamak mümkün olmayabilir. Bu nedenle, son derece düşük bir sertliğe sahip çok uzun (örneğin,> 3 mm) veya esnek olan sondaların durumunda, geçici olarak daha sert bir sertleştirici tutturulmasına yönelik bir yöntem yine de gerekebilir.
Rapor Yine başka umut verici bir yöntem kat mekik ve esnek sonda 17 arasındaki yüzey etkileşimi özelleştirmek için kalıcı bir öz-montaj tek tabaka (SAM) ile bir sertleşme servis edilir. Kuru, prob elektrostatik kaplı mekik yapışır. Yerleştirilmesinden sonra, su servis elde edilebilir, böylece transfer gelen prob ayıran, hidrofilik yüzey üzerine hareket eder. Azaltılmış prob deplasman Servisi ekstraksiyon (85 mikron) saptandı. Ancak, elektrostatik etkileşimler t için sonda tutano mekik, yerleştirilmesinden önce ve sırasında mekik göre sonda kayma bazı riski vardır.
Bu esnek prob güvenli bir sokma esnasında probun tutan bir geçici biodissolvable yapışkan bir madde ile bir katılaştırıcı ile bağlı olduğu bir yöntem geliştirdik. Kullanılan sondalar 2-4 GPa sırasına elastik modülüne sahip polimid, yapılmıştır. Takviye ~ 200 GPa arasında bir elastik modül ile, silikondan imal edilmiştir. Bağlı olduğunda, silikon sertliği sokulmasını kolaylaştırmak, hakimdir. Sonra doku içine yerleştirilen, yapışkan malzeme çözdüğü ve takviye başlangıç esnekliği için sonda geri ekstre edilmiştir. Biz biodissolvable yapışkan malzeme olarak polietilen glikol (PEG) seçilir. PEG gibi sinir probları, doku mühendisliği ve ilaç dağıtım 11,18,19 olarak implante uygulamalarda kullanılmaktadır. Bazı kanıtlar PEG beyinde nöroenflamatuar yanıtı zayıflatabilir önerdidoku 18,20. Sukroz, poli laktik-ko-glikolik asit (PLGA) ve polivinil alkol (PVA) de dahil olmak üzere diğer muhtemel malzemeler ile karşılaştırıldığında, PEG sırasına (çok sayıda implant ameliyatları için uygun bir ölçek olan biyolojik sıvılar içinde bir erime süresi vardır molekül ağırlığına bağlı olarak on dakika). Buna ek olarak, değişen sıcaklıklarda, oda sıcaklığında sıvı ve katı olan 50-65 ° C arasında Bu özellik, bizim hassas montaj işlemi için özellikle uygun hale getirir. Ayrıca, SAM benzer 17 'de açıklanan çözünmüş PEG takviyenin çıkarılmasını kolaylaştıran, hidrofiliktir. Bu avantajlı yaklaşım üniforma kaplanmasını ve doğru ve tekrarlanabilir uyum sağlamak yeni bir takviye tasarım ve metodik montaj sürecinde etkindir. Montaj işlemi için ek olarak, ameliyat esnasında çıkarılabilir takviyesi uygulanması yöntemini, hem de sti çıkarılması değerlendirmek için bir in vitro prosedür mevcutffener.
Bu tarifnamede sunulan protokol, kullanıcı, esnek bir polimer mikroelektrot probu sahip olduğunu varsayar. Bir takviyenin bu sonda takviyenin ve montaj imalat ilişkin protokolünün parçası mikroimalat tesiste bulunan ortak araçlarına erişim varsayar. Ekleme ve çıkarma ile ilgili protokol, olası bir nörolojik odaklı laboratuarda gerçekleştirilecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada tarif edilen metot, bir biodissolvable yapıştırıcı ile ayrı bir takviye için ince film polimer probları takmak için, iyi kontrol edilen bir işlem sağlar. Ayrıca, bu gibi çıkarılabilir bir takviye ve belirli bir prob-sertleştirici konfigürasyon için in vitro prosedür doğrulamak için bir tekniği uygulamak için önerilen cerrahi prosedür sunulmuştur. Isteğe bağlı olarak sert bir takviye yapılabilir için, bu yöntem nispeten uzun sondalar (> 3 mm) yerleştirilmesini kolaylaş…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH NIDCD Y1-DC-8002-01 tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma Sözleşme DE-AC52-07NA27344 altında Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı tarafından ABD Enerji Bakanlığı'nın himayesinde gerçekleştirildi.
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).
