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Development, characterization, and application of compliant intracortical implants
2021 & 2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-02
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-11377
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/836520/files/836520.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PEDOT:PSS (frei) ; Parylene-C (frei) ; compliant neural probe (frei) ; flexible MEAs (frei) ; in vivo MEA recording (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Seit mehr als einem halben Jahrhundert ermöglichen Neuroprothesen außerordentlich Erfolge in der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen, welche die zweithäufigste Todesursache weltweit darstellen. Vor allem mit Stimulationselektroden, wie zum Beispiel der Tiefen Gehirnstimulation, konnten bedeutende klinische Ergebnisse erzielt werden. Da das Messen der neuronalen Aktivität über einen längeren Zeitraum oder sogar eine bidirektionale Kommunikation immer noch eine Herausforderung darstellt, wurde in den letzten Jahren viel Aufwand betrieben, um einerseits die Dimensionen der Implantate zu optimieren und andererseits diese aus organischen Materialien herzustellen. Angelehnt an diese Ansätze war das Ziel der Arbeit, flexible intrakortikale Implantate zu entwickeln, die sich besonders für eine chronische Anwendung eignen. Zu diesem Zweck wurden Implantate mit vier Schafte und einer Querschnittsfläche pro Schaft von 250 µm2 designt, die vom Aufbau her den Michigan Implantaten ähneln. Außerdem wurde das biokompatible und weiche Polymer, ParyleneC, für die Herstellung der Implantate verwendet, um die mechanischen Unterschiede zwischen Implantat und Gewebe zu verringern. Mit dem Ziel die Impedanz der Elektroden zu reduzieren und eine gute Qualität der Messungen zu gewährleisten, wurde eine Elektrodenbeschichtung bestehend aus dem leitfähigen Polymers PEDOT:PSS produziert. Die 113 µm2 große Elektrode wurden mit 610 nm dickem PEDOT:PSS beschichtet, was eine Impedanz von 2.650 MOhm∙µm2 ergab. Da die flexiblen Schafte während der Implantation mechanisch verstärkt werden müssen, wurde ein Shuttlesystem bestehend aus einer Polyethyleneglycol Beschichtung entwickelt. Dieses System ermöglicht es, die weichen und flexiblen Schafte ohne sperrige Beschichtung in das Gehirn einzuführen und verringert dadurch das akute Trauma. Die Implantate in Kombination mit dem Shuttlesystem konnte erfolgreich in das Barrel-Kortex von Mäusen eingesetzt werden, um neuronal Ableitungen durchzuführen. Mit Hilfe der Elektroden konnten gleichzeitlich hoch- und niederfrequente Signale aufgenommen werden, außerdem war es möglich zwischen Signalen von einzelnen und mehreren Neuronen zu differenzieren. Darüber hinaus wiesen im Vergleich zu gängigen, harten Implantaten die Aufnahmen mit den flexiblen Implantaten einen höheren Anteil an qualitativ hochwertigen Signalen (SNR>4) auf. Diese vielversprechenden Ergebnisse bilden die Grundlage für die folgenden chronischen Implantationen, um ihre langfristige Stabilität zu überprüfen und bringen die Wissenschaft näher an das Ziel chronisch stabile Implantate herzustellen, die sich optimal in das Nervengewebe einfügen.Over more than half a century, neural interfaces enabled various breakthroughs to treat patients suffering from neurodegenerative diseases. Up to now, only a few neural devices were able to demonstrate significant clinical impact, such as deep brain stimulation and cochlear implants. However, these probes are exclusively used for stimulating neural activity. As long-term monitoring of, or even bi-directional communication with, the brain still remains challenging, much effort has been devoted in the last years to optimize probe dimensions and to implement low Young's modulus polymers as substrate materials for the device fabrication. With the goal to produce next-generation, compliant, intracortical probes suitable for chronic implantation, a Michigan-style array was designed by minimizing the probe dimensions and reducing the mismatch between the device and tissue. To this end, an array consisting of four shanks with cross-sections per electrode of 250 µm2 were produced using ParyleneC, a biocompatible and soft polymer, as substrate material. Furthermore, to obtain high quality recordings, a low impedance coating was established utilizing spin-coated PEDOT:PSS. The recording sites with a geometric surface area of 113 µm2 were covered with 610 nm thick PEDOT:PSS, resulting in an impedance of 2.650 MOhm∙µm2. As compliant probes need to be mechanically reinforced during implantation, a tissue-friendly insertion system was developed to reduce the effective length of the intracortical probes by introducing a temporary polyethylene glycol coating. The soft and flexible shanks, with a length of 2mm, were successfully implanted into the mouse barrel cortex without inserting the bulky coating, which minimized the acute trauma during insertion. The compliant implants were able to simultaneously detect local field potentials as well as single-unit and multi-unit activities with a maximum SNR of 7. Additionally, more quality units (SNR>4) were isolated from the recordings using compliant devices in contrast to commercially available traditional stiff probes. These promising outcomes lay the groundwork for future long-term stability validations of compliant intracortical implants and is one step closer towards designing chronically stable devices with seamless biointegration.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021199040
Interne Identnummern
RWTH-2021-11377
Datensatz-ID: 836520
Beteiligte Länder
Germany
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