Vi har visat att etsning av Nano-arkitektur i intracortical mikroelektrod enheter kan minska den inflammatoriska reaktionen och har potential att förbättra elektrofysiologiska inspelningar. De metoder som beskrivs häri skissera en strategi för etch nano-arkitekturer i ytan av icke-funktionella och funktionella enda skaft kisel intracortical mikroelektroder.
Med framstegen inom elektronik och tillverkningsteknik har intracortical mikroelektroder genomgått betydande förbättringar som möjliggör produktion av sofistikerade mikroelektroder med högre upplösning och utökad kapacitet. Framstegen inom tillverkningsteknik har stött utvecklingen av biomimetiska elektroder, som syftar till att sömlöst integreras i hjärnparenkymet, minska det neuroinflammatoriska svaret observeras efter elektrod insättning och förbättra kvaliteten och livslängden för elektrofysiologiska inspelningar. Här beskriver vi ett protokoll för att anställa en biomimetisk metod som nyligen klassificerats som nano-arkitektur. Användningen av fokuserad jonstråle litografi (FIB) utnyttjades i detta protokoll för att etch specifika nano-arkitektur funktioner i ytan av icke-funktionella och funktionella enda skaft intracortical mikroelektroder. Etsning nano-arkitekturer i elektrod ytan indikerade möjliga förbättringar av biokompatibilitet och funktionalitet av den implanterade enheten. En av fördelarna med att använda FIB är förmågan att etch på tillverkade enheter, i motsats till under tillverkningen av enheten, att underlätta gränslösa möjligheter att ändra många medicintekniska produkter efter tillverkning. Det protokoll som presenteras häri kan optimeras för olika materialtyper, nano-arkitekturfunktioner och typer av enheter. Utöka ytan av inopererade medicinska enheter kan förbättra enhetens prestanda och integration i vävnaden.
Intracortical mikroelektroder (IME) är invasiva elektroder som ger ett sätt att direkt gränssnitt mellan externa enheter och neuronala populationer inuti hjärnbarken1,2. Denna teknik är ett ovärderligt verktyg för att spela in neurala åtgärder potentialer för att förbättra forskarnas förmåga att utforska neuronala funktion, Advance förståelse av neurologiska sjukdomar och utveckla potentiella terapier. Intracortical mikroelektrod, som används som en del av hjärnan maskin Interface (BMI) system, möjliggör inspelning av åtgärder potentialer från en individ eller små grupper av nervceller för att upptäcka motor avsikter som kan användas för att producera funktionella utgångar3. I själva verket har BMI-system framgångsrikt använts för protes och terapeutiska ändamål, såsom förvärvade sensorimotorik rytmkontroll för att driva en dator markör hos patienter med amyotrofisk lateral skleros (ALS)4 och ryggmärgsskador5 och återställa rörelsen hos personer som lider av kronisk tetraplegi6.
Tyvärr, IMEs ofta misslyckas med att spela in konsekvent över tiden på grund av flera fel lägen som inkluderar mekaniska, biologiska och materiella faktorer7,8. Det neuroinflammatoriska svaret som inträffar efter elektrodens implantation tros vara en avsevärd utmaning som bidrar till elektrod fel9,10,11,12,13,14. Den neuroinflammatoriska reaktionen initieras under den inledande införandet av IME som klipper blod-hjärnbarriären, skadar den lokala hjärnan parenkymet och stör gliaceller och neuronala nätverk15,16. Detta akuta svar kännetecknas av aktivering av gliaceller (mikroglia/makrofager och astrocyter), som frigör pro-inflammatoriska och neurotoxiska molekyler runt implantatstället17,18,19,20. Den kroniska aktiveringen av gliaceller celler resulterar i en främmande kropp reaktion kännetecknas av bildandet av en gliaceller ärr isolera elektroden från friska hjärnvävnad7,9,12,13,17,21,22. Ytterst, hindrar elektrodens förmåga att spela in neuronala åtgärder potentialer, på grund av den fysiska barriären mellan elektroden och nervceller och degeneration och död nervceller23,24,25.
Det tidiga misslyckandet med intracortical mikroelektroder har medfört betydande forskning i utvecklingen av nästa generations elektroder, med betoning på biomimetiska strategier26,27,28,29,30. Av särskilt intresse för det protokoll som beskrivs här, är användningen av Nano-arkitektur som en klass av biomimetiska ytförändringar för IMEs31. Det har fastställts att ytor som imitera den naturliga in vivo-miljöns arkitektur har ett förbättrat biokompatibelt svar32,33,34,35,36. Således hypotesen övertygande detta protokoll är att diskontinuitet mellan grov arkitektur av hjärnvävnad och slät arkitektur av intracortical mikroelektroder kan bidra till den neuroinflammatoriska och kroniska främmande kropp svar på implanterade IMEs (för en fullständig översyn hänvisa till Kim et al.31). Vi har tidigare visat att utnyttjandet av Nano-arkitektur funktioner som liknar hjärnans extracellulära matris arkitektur minskar astrocyt inflammatoriska markörer från celler odlade på nano-arkitektoniska substrat, jämfört med platta kontroll ytor i både in vitro-och ex vivo modeller av neuroinflammation37,38. Dessutom har vi visat att tillämpningen av fokuserad jonstråle (FIB) litografi till etch nano-arkitekturer direkt på kisel sonder resulterade i signifikant ökad neuronala lönsamhet och lägre uttryck av pro-inflammatoriska gener från djur implanteras med nano-arkitektur sonder jämfört med smidig kontrollgrupp26. Därför är syftet med det protokoll som presenteras här att beskriva användningen av FIB litografi till etch nano-arkitekturer på tillverkade intracortical mikroelektrod enheter. Detta protokoll har utformats för att etch nano-arkitektur stora funktioner i kisel ytor av intracortical mikroelektrod skaft med både automatiserade och manuella processer. Dessa metoder är okomplicerade, reproducerbara, och kan säkert optimeras för olika enhets material och önskade funktions storlekar.
Tillverknings protokollet som beskrivs här använder fokuserad jonstråle litografi för att effektivt och reproducerbart etch nano-arkitekturer i ytan av icke-funktionella och funktionella enda skaft kisel mikroelektroder. Fokuserad jonstråle (FIB) litografi möjliggör selektiv ablation av underlaget ytan med hjälp av en finfokuserad jonstråle50,51. FIB är en direkt-skriva teknik som kan producera olika funktioner med nanoskala upplösning och hög bildfö…
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av Förenta staterna (US) Department of Veterans Affairs rehabilitering forskning och utveckling Service Awards: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) och #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Innehållet representerar inte synpunkter från US Department of Veterans Affairs eller USA: s regering. Författarna vill tacka FEI Co (nu en del av thermofisher Scientific) för personal hjälp och användning av instrumentering, som hjälpte till att utveckla de skript som används i denna forskning.
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/ |