A Novel Method of Microendoscopic GRIN Lens Implantation for In Vivo Imaging of Mouse Neural Tissue

Abstract

Työn tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa luotettava, nopea ja tarkka keino mikroendoskooppisten GRIN-linssien implantoimiseksi.

Aikaisemmat implantointitavat toteutettiin manuaalisesti (käsin), jonka seurauksena implantointi oli usein epätarkkaa. Implantointi oli jaettu kahteen eri vaiheeseen virusvektori ekspressioviiveen seurauksena, joka vaikutti negatiivisesti implantointitarkkuuteen. Tämä prosessi yhdistettiin yhdeksi kirurgiaksi suunnitteluratkaisun avulla käyttäen kahta neulankärkeä, jotka ovat yleisiä käyttötavaroita neurologiseen tutkimukseen erikoistuneissa laboratorioissa.

Laite koostuu lukuisista 3D-tulostetuista osista, vertikaalisista ruuviaktuaattoreista, kontaktisensoreista, Arduino-piiristä sekä ruiskumännästä ja kahdesta neulasta. 3D-tulostetut osat tulostettiin Prusa i3 Mk2 -tulostimella 0.4- ja 0.12 mm suutikärkiä käyttäen PLA- muovista. Kontrollointiohjelmisto kirjoitettiin C# -kielellä Arduino IDE:tä hyödyntäen.

Laitteen toimivuus varmistettiin agargeelillä, jolla simuloitiin aivokudosta. Laite omaa minimaalisen X- ja Y-aksiaalisen heilumisen ja mitättömän Z-aksiaalisen heilumisen. Laite on kykeneväinen lukuisiin yhtäjaksoisiin implantointikirurgioihin sekä on helposti ja halvasti tuotettavissa.

The goal of this thesis was to engineer a reliable, fast and accurate method for microendoscopic GRIN lens implantation.

The previous method involved manual installation and often proved inaccurate due to relatively small margin of error in implantation. Additionally, the process was divided into two separate surgeries due to viral vector expression delay. To mimic the previous process a mechanical solution was implemented.

The solution involved designing a 3D-printed ensemble capable of accurately implanting a GRIN lens to a desired location without causing unnecessary trauma to surrounding tissue. The implantation process was combined to a single surgery with design solutions and utilized two injection needles which are commonplace equipment in laboratories specialized in neurological research and animal testing.

The ensemble is comprised of multiple 3D-printed chasses, vertical screw actuators, contact sensors, Arduino chip and a syringe with two needles. The parts were printed with PLA on a Prusa i3 Mk2 with 0.4 and 0.12mm nozzles. All designs were made in Autodesk fusion 360. The control software was written in C# using Arduino libraries.

The ensemble was tested using simulated neural matter via agar gel. The ensemble holds minimal X- and Y-axial sway and negligible Z-axial sway. Additionally, the ensemble is capable of multiple surgeries in a row and is easily and cheaply manufactured.