Nano-mimarinin intrakortikal mikroelektrot cihazlarına aşındırmalarının inflamatuar yanıtı azaltabileceğini ve elektrofizyolojik kayıtları iyileştirme potansiyeline sahip olduğunu gösterdik. Burada açıklanan yöntemler, nano-mimarileri işlevsel olmayan ve fonksiyonel tek saplı silikon intrakortikal mikroelektrotların yüzeyine aşındırmak için bir yaklaşımı ortaya çıkarmaktadır.
Elektronik ve üretim teknolojisindeki gelişmelerle, kortikal mikroelektrotlar daha yüksek çözünürlük ve genişletilmiş yeteneklere sahip gelişmiş mikroelektrotların üretilmesine olanak sağlayan önemli iyileştirmelerden geçmiştir. Üretim teknolojisindeki ilerleme, beyin parankimine sorunsuz bir şekilde entegre olmayı, elektrot takıldıktan sonra gözlenen nöroinflamatuar yanıtı azaltmayı ve kaliteyi artırmayı ve elektrofizyolojik kayıtların uzun ömürlü. Burada, yakın zamanda nano-mimari olarak sınıflandırılan biyomimetik bir yaklaşımı niçin kullandığına bir protokol uyguluyoruz. Bu protokolde, belirli nano mimari özellikleri fonksiyonel olmayan ve fonksiyonel tek saplı intrakortikal mikroelektrotların yüzeyine sokmak için odaklanmış iyon ışını litografisi (FIB) kullanımı kullanılmıştır. Nano-mimarilerin elektrot yüzeyine aşılarak, implante edilen cihazın biyouyumluluk ve işlevselliğinin olası iyileşmeleri ne kadar iyi olduğunu göstermiştir. FIB kullanmanın avantajlarından biri, cihazın üretilmesi sırasında ki üretimin aksine, üretim sonrası çok sayıda tıbbi cihazı değiştirmek için sınırsız olanaklar sağlayan, üretilen cihazlara aşındırabilme yeteneğidir. Burada sunulan protokol çeşitli malzeme türleri, nano mimari özellikleri ve cihaz türleri için optimize edilebilir. İmplante edilen tıbbi cihazların yüzeyinin güçlendirilmesi cihaz performansını ve dokuya entegrasyonunu artırabilir.
İntrakortikal Mikroelektrotlar (IME) dış cihazlar ve serebral korteks içinde nöronal popülasyonlar arasında doğrudan bir araya araç sağlayan invaziv elektrotlar vardır1,2. Bu teknoloji, bilim adamlarının nöronal işlevi keşfetme, nörolojik hastalıkların önceden anlaşılması ve potansiyel tedaviler geliştirme yeteneklerini geliştirmek için nöral etki potansiyellerini kaydetmek için paha biçilmez bir araçtır. Beyin Makine Arabirimi (BMI) sistemlerinin bir parçası olarak kullanılan intrakortikal mikroelektrot, fonksiyonel çıkışlar üretmek için kullanılabilecek motor niyetleri tespit etmek için bir bireysel veya küçük nöron gruplarından eylem potansiyellerinin kaydedilmesini sağlar3. Aslında, BMI sistemleri başarıyla protez ve tedavi amaçlı kullanılmıştır, aminotrofik lateral skleroz olan hastalarda bir bilgisayar imleci çalıştırmak için edinilmiş sensorimotor ritim kontrolü gibi (ALS)4 ve omurilik yaralanmaları5 ve kronik tetrapleji muzdarip kişilerde hareketi geri 6 .
Ne yazık ki, IMEs genellikle mekanik, biyolojik ve malzeme faktörleri7,8içeren çeşitli arıza modları nedeniyle zaman içinde tutarlı bir şekilde kaydetmek için başarısız . Elektrot implantasyonu ndan sonra oluşan nöroinflamatuar yanıtın elektrot yetmezliğine katkıda bulunan önemli bir sorun olduğu düşünülmektedir9,10,11,12,13,14. Nöroinflamatuar yanıt kan beyin bariyerini keser, yerel beyin parankim zarar ve glial ve nöronal ağları bozar IME ilk ekleme sırasında başlatılır15,16. Bu akut yanıt glial hücrelerin aktivasyonu ile karakterizedir (mikroglia / makrofajlar ve astrositler), hangi implant site etrafında pro-inflamatuar ve nörotoksik molekülleri serbest17,18,19,20. Glial hücrelerin kronik aktivasyonu sağlıklı beyin dokusundan elektrot izole glial yara oluşumu ile karakterize yabancı bir cisim reaksiyonu ile sonuçlanır7,9,12,13,17,21,22. Sonuçta, elektrot yeteneğini nöronal eylem potansiyelleri kaydetmek için engel, elektrot ve nöronlar ve dejenerasyon ve nöronların ölümü arasındaki fiziksel bariyer nedeniyle23,24,25.
İntrakortikal mikroelektrotların erken başarısızlık biyomimetik stratejiler26,27,28,29,30vurgu ile, yeni nesil elektrotların geliştirilmesinde önemli araştırma hakkında getirdi. Burada açıklanan protokolüözellikle ilgi, IMEs31için biyomimetik yüzey değişiklikleri bir sınıf olarak nano-mimari kullanımıdır. Bu doğal in vivo ortamın mimarisini taklit yüzeyler geliştirilmiş bir biyouyumlu tepki32,33,34,35,36olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, bu protokolü zorlayan hipotez, beyin dokusunun kaba mimarisi ile intrakortikal mikroelektrotların düzgün mimarisi arasındaki süreksizliğin implante edilmiş IME’lere nöroinflamatuar ve kronik yabancı cisim tepkisine katkıda bulunabileceğidir (tam bir inceleme için Kim ve ark.31’ebakın). Daha önce nano-mimari özelliklerin kullanımı beynin hücre dışı matris mimarisine benzer nano-mimarili substratlar kültürlü hücrelerden astrosit inflamatuar belirteçleri azaltır göstermiştir, nöroinflamasyon hem de in vitro ve ex vivo modellerinde düz kontrol yüzeyleri ile karşılaştırıldığında37,38. Ayrıca, nano-mimarileri doğrudan silikon problara aşındırmak için odaklanmış iyon ışını (FIB) litografisinin uygulanmasını gösterdik ve bu da nano-mimari problarla implante edilen hayvanlardan pro-inflamatuar genlerin düzgün kontrol grubu26’yagöre önemli ölçüde artmış nöronal canlılık ve daha düşük ekspresyona yol açtı. Bu nedenle, burada sunulan protokolün amacı, fib litografisinin üretilen intrakortikal mikroelektrot cihazlarındaki nano-mimarileri aşındırmak için kullanımını tanımlamaktır. Bu protokol, nano mimari boyutlu özellikleri, hem otomatik hem de manuel prosesler kullanılarak intrakortikal mikroelektrot saplarının silikon yüzeylerine dönüştürmek için tasarlanmıştır. Bu yöntemler karmaşık değildir, tekrarlanabilir ve kesinlikle çeşitli cihaz malzemeleri ve istenen özellik boyutları için optimize edilebilir.
Burada özetlenen üretim protokolü, fonksiyonel olmayan ve fonksiyonel tek saplı silikon mikroelektrotların yüzeyine nano mimarileri etkili ve tekrarlı bir şekilde aşındırmak için odaklanmış iyon ışını litografisini kullanmaktadır. Odaklanmış iyon ışını (FIB) litografisi, ince odaklı iyon ışını50,51kullanarak substrat yüzeyinin seçici ablasyonunu sağlar. FIB nanoölçekli çözünürlük ve yüksek en boy oranı50…
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Amerika Birleşik Devletleri (ABD) Gaziler İşleri Rehabilitasyon Araştırma ve Geliştirme Servisi ödülleri: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) ve #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej) tarafından desteklenmiştir. İçeriği, ABD Gaziler İşleri Bakanlığı’nın veya Amerika Birleşik Devletleri Hükümetinin görüşlerini temsil etmez. Yazarlar FEI Co (Şimdi Thermofisher Bilimsel bir parçası) personel yardımı ve enstrümantasyon kullanımı için teşekkür etmek istiyorum, hangi bu araştırmada kullanılan komut geliştirme de yardımcı oldu.
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/ |