생체 내 신경 녹음을 위한 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이 의 제조
Summary
여기서 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하고 생체 내 신경 기록용으로 활용하는 방법을 설명합니다.
Abstract
이식형 마이크로전극 기술은 뇌 질환과 부상의 신경 기반에 대한 깊은 이해를 얻기 위해 마이크로 스케일에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 전극이 개별 셀의 규모로 소형화됨에 따라 인터페이스 임피던스의 상응하는 상승은 기록된 신호의 품질을 제한합니다. 또한, 기존의 전극 재료는 뻣뻣하고, 전극과 주변 뇌 조직 사이에 상당한 기계적 불일치를 초래하며, 이는 결국 장치 성능의 저하로 이어지는 염증 반응을 유도합니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 당사는 최근 발견된 나노 물질인 Ti3C2 MXene을 기반으로 유연한 마이크로 전극을 제조하는 공정을 개발했으며, 이는 수성 분산에서 매우 높은 부피 정전 용량, 전기 전도성, 표면 기능 및 가공성을 보유하고 있습니다. Ti3C2 MXene 마이크로 전극의 유연한 어레이는 Ti3C2 MXene 필름의 높은 전도도 및 높은 비표면적으로 인해 현저하게 낮은 임피던스를 가지며, 신경 활동을 기록하기 위해 정교하게 민감한 것으로 입증되었습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene을 유연한 폴리머 기판의 마이크로 전극 어레이로 마이크로 패터닝하는 새로운 방법을 설명하고 생체 내 마이크로 전극전극 기록사용에 대한 용도를 간략하게 설명합니다. 이 방법은 바이오 일렉트로닉스의 다양한 다른 응용 분야에 임의의 크기 또는 형상의 MXene 전극 어레이를 생성하기 위해 쉽게 확장 될 수 있으며 Ti3C2 MXene 이외의 다른 전도성 잉크와 함께 사용하도록 조정할 수도 있습니다. 이 프로토콜은 솔루션 기반 전도성 잉크에서 마이크로 전극의 간단하고 확장 가능한 제조를 가능하게하며, 특히 친수성 Ti3C2 MXene의 고유 특성을 활용하여 고충실도 신경 마이크로 전자에 대한 탄소 기반 나노 물질의 광범위한 채택을 오랫동안 방해한 많은 장벽을 극복 할 수 있습니다.
Introduction
신경 회로의 기본 메커니즘과 질병 이나 부상에서 역학이 어떻게 변경 되는지 이해 하는 것은 광범위 한 신경 및 신경 근육 질환에 대 한 효과적인 치료 개발을 위한 중요 한 목표. 마이크로 전극 기술은 미세한 공간 및 시간적 척도에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 마이크로 스케일 전극에서 높은 신호 대 잡음 비(SNR)로 안정적인 기록을 얻는 것은 특히 어려운 것으로 입증되었습니다. 전극의 치수가 감소되어 셀룰러 스케일에 가까워지면 전극 임피던스의 상응하는 상승은 신호 품질1을저하시게 됩니다. 또한, 수많은 연구는 기존의 실리콘과 금속 전자 재료로 구성된 단단한 전극이 신경 조직에 상당한 손상과 염증을 생성한다는 것을 보여주었습니다, 이는 장기기록2,3,4,5에대한 그들의 유용성을 제한합니다. 이러한 사실을 감안할 때, 전극 조직 인터페이스 임피던스를 감소시키고 부드럽고 유연한 폼 팩터에 통합 할 수있는 새로운 재료로 마이크로 전극을 개발하는 데 상당한 관심이 있었습니다.
전극-조직 계면 임피던스를 감소시키기 위한 하나의 일반적으로 사용되는 방법은 세포외 유체의 이온 종들이 전극, 또는 전극의 “유효 표면적”과 상호 작용할 수 있는 영역을 증가시키고 있다. 이것은 나노 패터닝6,표면 거칠게7,또는 다공성 첨가제8,9와전기 도금을 통해 달성 될 수있다. 나노물질은 본질적으로 높은 비표면적이고 유리한 전기적 및 기계적성질(10)의독특한 조합을 제공하기 때문에 이 분야에서 상당한 주목을 받고 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 전극 임피던스11,12,13,그래핀 옥사이드를 부드럽고 유연한 독립형 프로브전극(14)으로가공하여, 레이저-파이롤리징 다공성 그래핀을 유통, 저임피안스 마이크로전지(micro-ECoG) 전극(15)에 활용하여 온 코팅으로 사용되어 왔다. 그들의 약속에도 불구하고, 확장 가능한 조립 방법의 부족은 신경 상호 파는 전극을 위한 나노 물질의 광범위한 채택을 제한했습니다. 탄소계 나노물질은 특히 소수성이며, 따라서 계면활성제16,초산제17,또는 표면 기능화(18)를 사용하여 용액 처리 제조 방법을 위한 수성 분산을 형성하는 반면, 화학적 증착(CVD)과 같은 대체 제조 방법은 일반적으로 많은 중합체 기질(19,20, 20, 20) 및 양면성 기질과 호환되지 않는 고온을 필요로 한다. ,22.
최근에는 MXenes로 알려진 2차원(2D) 나노 물질의 부류가 높은 전도도, 유연성, 체적 정전 용량 및 고유의 친수성의 뛰어난 조합을 제공하는 것으로 기술되어 신경 간광 전극23에대한 유망한 나노 물질 클래스가 되었습니다. MXenes는 계층화된 전구체에서 A 소소를 선택적으로 에칭하여 가장 일반적으로 생성되는 2D 전이 금속 탄화및 질화 제품군입니다. 이들은 일반적으로 일반적인 수식 Mn+1AXn을가진 MAX 단계이고, 여기서 M은 초기 전이 금속이고, A는 주기율표의 그룹 12-16 원소이고, X는 탄소 및/또는 질소, 및 n =1, 2, 또는 324이다. 2차원 MXene 플레이크는 하이드록실(−OH), 산소(−O) 또는 불소(−F)를 포함할 수 있는 표면 종료 작용기들을 갖는다. 이러한 작용기는 MXenes를 본질적으로 친수성으로 만들고 유연한 표면 수정 또는 기능화를 가능하게 합니다. MXenes의 큰 클래스의, Ti3C2는 가장 광범위하게 연구되고특징 25,26,27. Ti3C2는 활성파(~60-100 F/cm3)29,초경 유래 탄소(180F/cm3)30,그래핀 겔 필름(~260 F/cm 3)31보다28개(1,500F/cm 3)상당히 높은 부피 정전 용량을 나타낸다. 또한 Ti3C2는 매우 높은 전자 전도도 (~ 10,000 S /cm)를 나타내며, 그 생체 적합성은 여러연구에서33,34,35,36에서입증되었습니다. Ti3C2 필름의 대용량 정전 용량은 정전 용량 전하 전달을 나타내는 전극이 잠재적으로 유해한 가수 분해 반응을 피할 수 있기 때문에 생물학적 감지 및 자극 응용 분야에 유리합니다.
우리 그룹은 최근 높은 SNR36을가진 생체 내에서 마이크로 전극질 (micro-ECoG) 및 피질 내 신경 스파이크 활동을 모두 기록 할 수있는 솔루션 처리 방법을 사용하여 제조 된 유연한 박막 Ti3C2 마이크로 전극 어레이를 입증했습니다. 이러한 MXene 전극은 MXene의 높은 전도도 및 전극의 높은 표면적에 기인할 수 있는 크기 일치금(Au) 전극에 비해 임피던스를 현저히 감소시켰습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene의 평면 미세 전극 어레이를 유연한 파릴렌-C 기판에서 제작하고 수술 중 마이크로 ECoG 기록을 위해 생체 내에서 활용하는 주요 단계를 설명합니다. 이 방법은 MXene의 친수성 특성을 활용하여 안정적이고 수성 현탁액을 달성하기 위해 계면 활성제 또는 초산제를 사용하지 않아도 간단하고 확장 가능한 솔루션 처리 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 처리성 용이성은 다른 탄소 나노 물질을 기반으로 하는 장치의 광범위한 채택에 큰 제약이 되어 온 산업 규모의 MXene 바이오 센서의 비용 효율적인 생산을 가능하게 할 수 있습니다. 전극 제조의 주요 혁신은 스핀 코팅 후 MXene을 마이크로 패턴화하는 희생 중합체 층의 사용에 있으며, 용액 처리 폴리에 대한 문헌으로부터 적응된 방법(3,4-에틸렌디옥시티오텐):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) 마이크로전극(PEDOT:PSS)마이크로전극37,이전에는 설명되지 않았지만, 이전에는 MX에 대해 설명되지 않았다. Ti3C2의뛰어난 전기적 특성은 가공성 및 2D 형태와 결합되어 신경 인터페이스에 매우 유망한 재료입니다. 특히 Ti3C2는 마이크로 스케일 전극 성능을 위한 1차 제한 인자인 전극 기하학적 영역과 전기 화학 적 인터페이스 임피던스 사이의 근본적인 절충을 극복하는 경로를 제공합니다. 또한 이 프로토콜에 설명된 제조 절차는 다양한 기록 패러다임에 대한 다양한 크기와 형상의 MXene 전극 어레이를 생산하도록 조정할 수 있으며 MXene 외에 다른 전도성 잉크를 통합하도록 쉽게 조정할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 프로토콜에 기재된 MXene 합성 및 박리 절차(HF/HCl/LiCl)는 LiF/HCl(인 시투 HF) 에칭 배지26을채택한 MILD 에칭 접근법으로부터 구축되었다. MILD 접근법은 큰 Ti3C2 플레이크(측면 크기의 여러 μm)가 한 번 pH~5−6이 달성된 후 세척 하는 동안 자발적으로 침화될 수 있도록 한다. HF만으로도 에칭하는 것과 비교하면 전자 전도도 및 화학적 안정성과 같은 품질이 향상되고 재…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 건강의 국가 학회에 의해 지원되었다 (부여 없음. R21-NS106434), 간질 연구를 위한 시민 연합 비행 상, 미로스키 가족 재단 과 닐과 바바라 스미트 (F.V.); 국립과학재단 대학원 연구 동호회 프로그램(교부금 없음. DGE-1845298 – N.D. 및 B.M.); 육군연구실(협력계약번호 W911NF-18-2-0026~K.M.); 그리고 에지우드 화학 생물학 센터에서 표면 과학 이니셔티브 프로그램을 통해 미국 육군에 의해 (PE 0601102A 프로젝트 VR9 Y.G. 및 K.M.). 이 작업은 국립 과학 재단 국립 나노 기술 조정 인프라 프로그램 (NNCI-1542153)에 의해 지원되는 나노 기술에 대한 싱 센터에서 부분적으로 수행되었다.
Materials
| 00-90 screw | McMaster-Carr | 90910A630 | Skull screw around which ground wire is wrapped |
| 128ch stimulation/recording controller | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| 175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes | Falcon | REF: 352076 | Used for washing |
| 18 position 0.5 mm pitch ZIF connector | Molex | 505110-1892 | Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board. |
| 18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage. |
| 3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Used for transferring etchant or MXene solutions |
| 50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube | Falcon | REF: 352070 | Used for washing and size selection |
| Al etchant Type A | Transene | 060-0026000-QT | For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch. |
| Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Used for MAX synthesis |
| AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor. | |
| Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure. |
| Buprenorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia for rat surgery | |
| Centrifuge | Hermle | Benchmark Z 446 | Used for washing and size selection |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthesia for rat surgery |
| Drill burr | Fine Science Tools | 19007-07 | Burrs for drill |
| Electric drill | Foredom | K.1070 | Micromotor drill for craniotomies |
| Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker Company | Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Ground wire | A-M Systems | 781500 | Bare silver wire |
| Headspace Vial, glass | Supelco | REF: 27298 | Used for storing MXene solutions |
| Hydrochloric acid (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosive; etchant material |
| Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Etchant material |
| Jupiter II RIE system | March Plasma Systems Inc. | Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system. | |
| Kapton standard polyimide tape, 1/4" | DuPont | Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector. | |
| Ketamine | Hospital of the Univ. of Penn. | Anesthesia for rat surgery | |
| KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool. | |
| Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous | Acros | CAS: 7447-41-8 | Hygroscopic; delamination material |
| MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Micro-90 cleaning solution | International Products Corporation | M-9050-12 | Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene |
| NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices. |
| Ophthalmic ointment | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | To prevent corneal drying during surgery |
| Parylene deposition system | Specialty Coating Systems | Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C | |
| Parylene-C dimer | Specialty Coating Systems | 980130-c-01lbe | Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices |
| Photomasks (chrome on soda lime glass) | University of Pennsylvania | Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files. | |
| Povidone-iodine solution | Medline | MDS093901 | To help prevent infection around scalp incision |
| Printed Circuit Board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files. | |
| RD6 Developer | Futurrex Inc. | RD6 Developer | Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure |
| Reference 600 potentiostat | Gamry Instruments | Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning |
| RHS2000 Stim SPI interface cable | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| RHS2116 amplifier board | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| Si wafers | Wafer World | 2885 | Substrate for fabrication |
| Spin Coater | Cost Effective Equipment | For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters. | |
| Stereotaxic frame | Kopf Instruments | Model 902 | For positioning the rat for neurosurgery |
| Teflon-coated magnetic stir bar | Corning | REF: 1233W95 | Used to stir during etching and intercalation |
| Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Used for MAX synthesis |
| Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Used for MAX synthesis |
| Ultrasonic bath sonicator | Reynolds Tech | For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals. | |
| UV vis spectrophotometer | ThermoScientific | Evolution 201 | Used to determine concentration and observe absorption peak |
| Zetasizer, Particle Size Analysis | Malvern Panalytical | Nano ZS | Used to determine particle lateral size distibution |
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