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Bio-ingénierie

Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie zu Etch-Nano-Architekturen in Mikroelektroden

Published: January 19, 2020
doi:
10.3791/60004
, , , ,
1Department of Electrical Engineering and Computer Science,University of Michigan, 2Veteran Affairs Ann Arbor Healthcare System, 3Department of Neurology, School of Medicine,University of Michigan, 4Department of Biomedical Engineering,University of Michigan, 5Michigan Center for Materials Characterization,University of Michigan, 6Carl Zeiss SMT, Inc.

Summary

Wir haben gezeigt, dass die Radierung der Nanoarchitektur in intracortische Mikroelektrodengeräte die Entzündungsreaktion reduzieren kann und das Potenzial hat, elektrophysiologische Aufnahmen zu verbessern. Die hier beschriebenen Methoden skizzieren einen Ansatz, Nano-Architekturen in die Oberfläche nicht-funktioneller und funktioneller Einschaftssilizium-Intracortical-Mikroelektroden zu ätzen.

Abstract

Mit Fortschritten in der Elektronik und Fertigungstechnologie wurden intracortische Mikroelektroden erheblich verbessert, was die Herstellung anspruchsvoller Mikroelektroden mit größerer Auflösung und erweiterten Fähigkeiten ermöglicht. Der Fortschritt in der Fertigungstechnologie hat die Entwicklung von biomimetischen Elektroden unterstützt, die darauf abzielen, sich nahtlos in das Hirnparenchym zu integrieren, die neuroinflammatorische Reaktion nach dem Einsetzen der Elektroden zu reduzieren und die Qualität und Langlebigkeit elektrophysiologischer Aufnahmen. Hier beschreiben wir ein Protokoll, um einen biomimetischen Ansatz zu verwenden, der vor kurzem als Nano-Architektur klassifiziert wurde. Die Verwendung der fokussierten Ionenstrahllithographie (FIB) wurde in diesem Protokoll verwendet, um spezifische Nano-Architektur-Features in die Oberfläche nicht-funktionaler und funktioneller intracortischer Einzelschaft-Mikroelektroden zu ätzen. Das Ätzen von Nano-Architekturen in die Elektrodenoberfläche zeigte mögliche Verbesserungen der Biokompatibilität und Funktionalität des implantierten Geräts an. Einer der Vorteile der Verwendung von FIB ist die Fähigkeit, auf hergestellten Geräten zu ätzen, im Gegensatz zu während der Herstellung des Geräts, die unbegrenzte Möglichkeiten, zahlreiche medizinische Geräte nach der Herstellung zu modifizieren. Das hier vorgestellte Protokoll kann für verschiedene Materialtypen, Nanoarchitektur-Features und Gerätetypen optimiert werden. Die Erweiterung der Oberfläche implantierter medizinischer Geräte kann die Geräteleistung und Die Integration in das Gewebe verbessern.

Introduction

Intracortische Mikroelektroden (IME) sind invasive Elektroden, die eine Möglichkeit der direkten Verbindung zwischen externen Geräten und den neuronalen Populationen innerhalb der Großhirnrinde1,2bieten. Diese Technologie ist ein unschätzbares Werkzeug zur Aufzeichnung neuronaler Wirkungspotenziale, um die Fähigkeit der Wissenschaftler zu verbessern, die neuronale Funktion zu erforschen, das Verständnis neurologischer Erkrankungen zu fördern und potenzielle Therapien zu entwickeln. Die intracortische Mikroelektrode, die als Teil von Brain Machine Interface (BMI)-Systemen verwendet wird, ermöglicht die Aufzeichnung von Aktionspotentialen von einzelnen oder kleinen Gruppen von Neuronen, um motorische Absichten zu erkennen, die verwendet werden können, um funktionale Ausgänge zu erzeugen3. Tatsächlich wurden BMI-Systeme erfolgreich für prothetische und therapeutische Zwecke eingesetzt, wie z. B. die erworbene sensorimotorische Rhythmussteuerung, um einen Computercursor bei Patienten mit amyotropher Lateralsklerose (ALS)4 und Rückenmarksverletzungen5 zu bedienen und die Bewegung bei Menschen mit chronischer Tetraplegiewiederherzustellen 6.

Leider können IMEs im Laufe der Zeit aufgrund mehrerer Fehlermodi, die mechanische, biologische und materielleFaktoren7,8, enthalten, oft nicht konstant aufzeichnen. Die neuroentzündliche Reaktion, die nach der Elektrodenimplantation auftritt, wird als eine erhebliche Herausforderung angesehen, die zum Elektrodenversagen beiträgt9,10,11,12,13,14. Die neuroentzündliche Reaktion wird während der ersten Insertion des IME initiiert, das die Blut-Hirn-Schranke durchbricht, das lokale Hirnparenchym schädigt und gliale und neuronale Netzwerke15,16stört. Diese akute Reaktion ist durch die Aktivierung von Gliazellen (Mikroglia/Makrophagen und Astrozyten) gekennzeichnet, die pro-inflammatorische und neurotoxische Moleküle um die Implantatstelle17,18,19,20freisetzen. Die chronische Aktivierung von Gliazellen führt zu einer Fremdkörperreaktion, die durch die Bildung einer Glianarbe gekennzeichnet ist, die die Elektrode aus gesundem Hirngewebe isoliert7,9,12,13,17,21,22. Letztlich, Behinderung der Fähigkeit der Elektrode, neuronale Wirkungspotentiale aufzuzeichnen, aufgrund der physikalischen Barriere zwischen der Elektrode und den Neuronen und der Degeneration und des Todes von Neuronen23,24,25.

Das frühe Versagen intracortischer Mikroelektroden hat zu beträchtlicher Forschung in der Entwicklung von Elektroden der nächsten Generation geführt, mit Schwerpunkt auf biomimetischen Strategien26,27,28,29,30. Von besonderem Interesse für das hier beschriebene Protokoll ist die Verwendung der Nanoarchitektur als eine Klasse biomimetischer Oberflächenveränderungen für IMEs31. Es wurde festgestellt, dass Oberflächen, die die Architektur der natürlichen in vivo Umgebung imitieren, eine verbesserte biokompatible Reaktion haben32,33,34,35,36. Daher ist die Hypothese, die dieses Protokoll überzeugt, dass die Diskontinuität zwischen der rauen Architektur des Hirngewebes und der glatten Architektur der intracortischen Mikroelektroden zur neuroinflammatorischen und chronischen Fremdkörperreaktion auf implantierte IMEs beitragen kann (für eine vollständige Überprüfung beziehen Sie sich auf Kim et al.31). Wir haben bereits gezeigt, dass die Nutzung von Nano-Architektur-Features ähnlich der extrazellulären Matrix-Architektur des Gehirns astrozytäre Entzündungsmarker von Zellen reduziert, die auf nano-architekturierten Substraten kultiviert werden, im Vergleich zu flachen Kontrollflächen sowohl in vitro als auch ex vivo-Modellen der Neuroentzündung37,38. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Anwendung fokussierter Ionenstrahl-Lithographie (FIB) auf Etch-Nano-Architekturen direkt auf Siliziumsonden führte, was zu einer signifikant erhöhten neuronalen Lebensfähigkeit und einer geringeren Expression von entzündungshemmenden Genen von Tieren führte, die mit den Nano-Architektur-Sonden implantiert wurden, im Vergleich zur glatten Kontrollgruppe26. Daher ist der Zweck des hier vorgestellten Protokolls, die Verwendung der FIB-Lithographie zu beschreiben, um Nano-Architekturen auf hergestellten intracortischen Mikroelektrodengeräten zu ätzen. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um nano-Architektur-Große Features in Siliziumoberflächen intracortischer Mikroelektrodenschäfte zu ätzen, die sowohl automatisierte als auch manuelle Prozesse verwenden. Diese Methoden sind unkompliziert, reproduzierbar und können sicherlich für verschiedene Gerätematerialien und gewünschte Funktionsgrößen optimiert werden.

Protocol

HINWEIS: Gehen Sie die folgenden Schritte vor, während Sie die richtige persönliche Schutzausrüstung wie Labormantel und Handschuhe tragen. 1. Montage nicht-funktionaler Siliziumsonde für Fokussierte Ionenstrahl (FIB) Lithographie HINWEIS: Das vollständige Verfahren zur Beschreibung der Herstellung des SOI-Wafers mit den 1.000 Sonden finden Sie unter Ereifej et al.39. Isolieren Sie einen Streifen von 2-3 Siliziumsonden aus dem …

Representative Results

FIB geätzte Nano-Architektur auf den Oberflächen von Einzelnen Shank Intracortical SondenUnter Verwendung der hier beschriebenen Methoden wurden intracortische Sonden mit spezifischen Nano-Architekturen nach etablierten Protokollen39geätzt. Dimensionen und Form des in diesen Methoden beschriebenen Nano-Architektur-Designs wurden aus früheren In-vitro-Ergebnissen umgesetzt, die eine Abnahme der Gliazellreaktivität darstellen, wenn sie mit dem hier beschriebenen Nano-Archit…

Discussion

Das hier skizzierte Fertigungsprotokoll nutzt fokussierte Ionenstrahllithographie, um Nanoarchitekturen effektiv und reproduzierbar in die Oberfläche nicht-funktionaler und funktioneller Einzelschaftsilizium-Mikroelektroden einzuätzen. Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie (FIB) ermöglicht die selektive Ablation der Substratoberfläche durch verwendung eines fein fokussierten Ionenstrahls50,51. FIB ist eine Direktschreibtechnik, die verschiedene Funktionen mit …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde vom United States (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service Awards unterstützt: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) und #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Der Inhalt stellt nicht die Ansichten des U.S. Department of Veterans Affairs oder der Regierung der Vereinigten Staaten dar. Die Autoren danken FEI Co. (Jetzt Teil von Thermofisher Scientific) für die Unterstützung und den Einsatz von Instrumenten durch das Personal, die bei der Entwicklung der in dieser Forschung verwendeten Skripte halfen.

Materials

16-Channel ZIF-Clip Headstage Tucker Davis Technologies ZC16 The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
1-meter cable, ALL spring wrapped Thomas Scientific 1213F04 Any non treated petri dish will suffice. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture
32-Channel ZIF-Clip Headstage Holder Tucker Davis Technologies Z-ROD32 The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
Acetone, Thinner/Extender/Cleaner, 30ml Ted Pella 16023 https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
Baby-Mixter Hemostat Fine Science Tools 13013-14 Any curved hemostat will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat
Carbon Conductive Tape, Double Coated Ted Pella 16084-7 The protocol suggested three options for mounting the functional electrode to the aluminum stub (copper or carbon conductive tape or a low profile clip. We utilized the carbon conductive tape in our study. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm
Corning Costar Not Treated Multiple Well Plates – 6 well Sigma Aldrich CLS3736-100EA Any non-treated 6 well plate will suffice. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/
Dumont #5 Fine Forceps Fine Science Tools 11251-30 Either this fine forceps or the vacuum pump will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/Dumont-5-Forceps/11251-30
Ethanol, 190 proof (95%), USP, Decon Labs Fisher Scientific 22-032-600 Any 95% ethanol will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600
Falcon Cell Strainer Fisher Scientific 08-771-1 https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711
FEI, Tescan, Zeiss (also for Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), aluminum, grooved edge, Ø32mm Ted Pella 16148 Depending on the SEM machine used, you may need a different size stub. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180
Fisherbrand Aluminum Foil, Standard-gauge roll Fisher Scientific 01-213-101 Any aluminum foil will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250
Fisherbrand Low- and Tall-Form PTFE Evaporating Dishes Fisher Scientific 02-617-149 Any Teflon plate will suffice, this is used to dry the probes after washing on a surface they will not stick onto. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552
Michigan-style silicon functional electrode NeuroNexus A1x16-3mm-100-177 http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/
Model 1772 Universal holder KOPF Model 1772 Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Model 900-U Small Animal Stereotaxic Instrument KOPF Model 900-U Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/
Model 960 Electrode Manipulator with AP Slide Assembly KOPF Model 960 Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Parafilm M 10cm x 76.2m (4" x 250') Ted Pella 807-5 https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htm
PELCO Vacuum Pick-Up System, 220V Ted Pella 520-1-220 Either this vacuum pump or the fine forceps will suffice. http://www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520
PELCO Conductive Silver Paint Ted Pella 16062 https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
SEM FIB FEI Helios 650 Nanolab Thermo Fisher Scientific Helios G2 650 This is the specific focused ion beam and scanning electron microscope used in the protocol. The Nanobuilder software is what it comes with. If a different FIB instrument is used, it may not be completely compatible with the protocol, specifically the steps requiring the Nanobuilder software. https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/
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References

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Citer Cet Article
Mahajan, S., Sharkins, J. A., Hunter, A. H., Avishai, A., Ereifej, E. S. Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes. J. Vis. Exp. (155), e60004, doi:10.3791/60004 (2020).
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