Boîte à outils open-source: réseau de microélectrodes en fibre de carbone de paillasse pour l’enregistrement des nerfs
Summary
Ici, nous décrivons la méthodologie de fabrication de réseaux d’électrodes en fibre de carbone personnalisables pour l’enregistrement in vivo dans les nerfs et le cerveau.
Abstract
Les sondes nerveuses périphériques conventionnelles sont principalement fabriquées dans une salle blanche, ce qui nécessite l’utilisation de plusieurs outils coûteux et hautement spécialisés. Cet article présente un processus de fabrication « léger » en salle blanche de réseaux d’électrodes neurales en fibre de carbone qui peut être appris rapidement par un utilisateur de salle blanche inexpérimenté. Ce processus de fabrication de réseaux d’électrodes en fibre de carbone ne nécessite qu’un seul outil de salle blanche, une machine de dépôt de parylène C, qui peut être appris rapidement ou externalisé dans une installation de traitement commerciale à un coût marginal. Ce processus de fabrication comprend également le remplissage manuel des cartes de circuits imprimés, l’isolation et l’optimisation des pointes.
Les trois différentes optimisations de pointe explorées ici (laser Nd:YAG, chalumeau et laser UV) aboutissent à une gamme de géométries de pointe et d’impédances de 1 kHz, avec des fibres soufflées entraînant la plus faible impédance. Alors que les expériences précédentes ont prouvé l’efficacité des électrodes laser et chalumeau, cet article montre également que les fibres UV découpées au laser peuvent enregistrer des signaux neuronaux in vivo. Les réseaux de fibres de carbone existants n’ont pas d’électrodes individualisées au profit de faisceaux ou nécessitent des guides fabriqués en salle blanche pour la population et l’isolation. Les réseaux proposés utilisent uniquement des outils qui peuvent être utilisés sur une paillasse pour la population de fibres. Ce processus de fabrication de réseaux d’électrodes en fibre de carbone permet une personnalisation rapide de la fabrication de réseaux en vrac à un prix réduit par rapport aux sondes disponibles dans le commerce.
Introduction
Une grande partie de la recherche en neurosciences repose sur l’enregistrement de signaux neuronaux à l’aide de l’électrophysiologie (ePhys). Ces signaux neuronaux sont cruciaux pour comprendre les fonctions des réseaux neuronaux et de nouveaux traitements médicaux tels que les interfaces cerveau-machine et nerf périphérique1,2,3,4,5,6. La recherche sur les nerfs périphériques nécessite des électrodes d’enregistrement neuronales sur mesure ou disponibles dans le commerce. Les électrodes d’enregistrement neuronal – des outils uniques avec des dimensions à l’échelle du micron et des matériaux fragiles – nécessitent un ensemble spécialisé de compétences et d’équipements pour être fabriquées. Une variété de sondes spécialisées ont été développées pour des utilisations finales spécifiques; cependant, cela implique que les expériences doivent être conçues autour de sondes commerciales actuellement disponibles, ou qu’un laboratoire doit investir dans le développement d’une sonde spécialisée, ce qui est un processus long. En raison de la grande variété de recherches neuronales dans le nerf périphérique, il existe une forte demande pour une sonde ePhys polyvalente4,7,8. Une sonde ePhys idéale comporterait un petit site d’enregistrement, une faible impédance9 et un prix financièrement réaliste pour la mise en œuvre dans un système3.
Les électrodes commerciales actuelles ont tendance à être soit des électrodes extraneurales ou à manchette (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), qui se trouvent à l’extérieur du nerf, ou intrafasciculaires, qui pénètrent dans le nerf et se trouvent dans le fascicule d’intérêt. Cependant, comme les électrodes de brassard sont plus éloignées des fibres, elles captent plus de bruit des muscles voisins et d’autres fascicules qui peuvent ne pas être la cible. Ces sondes ont également tendance à resserrer le nerf, ce qui peut entraîner une encrassement biologique – une accumulation de cellules gliales et de tissu cicatriciel – à l’interface de l’électrode pendant que le tissu guérit. Les électrodes intrafasciculaires (telles que LIFE12, TIME13 et Utah Arrays14) ajoutent l’avantage de la sélectivité des fascicules et ont de bons rapports signal/bruit, ce qui est important pour discriminer les signaux pour l’interfaçage des machines. Cependant, ces sondes ont des problèmes de biocompatibilité, les nerfs se déformant au fil du temps3,15,16. Lorsqu’elles sont achetées commercialement, ces deux sondes ont des conceptions statiques sans option de personnalisation spécifique à l’expérience et sont coûteuses pour les nouveaux laboratoires.
En réponse aux problèmes de coût élevé et de biocompatibilité présentés par d’autres sondes, les électrodes en fibre de carbone peuvent offrir aux laboratoires de neurosciences un moyen de construire leurs propres sondes sans avoir besoin d’équipement spécialisé. Les fibres de carbone sont un matériau d’enregistrement alternatif avec un petit facteur de forme qui permet une insertion à faible dommage. Les fibres de carbone offrent une meilleure biocompatibilité et une réponse cicatricielle considérablement plus faible que le silicium17,18,19 sans le traitement intensif en salle blanche5,13,14. Les fibres de carbone sont flexibles, durables, facilement intégrées à d’autres biomatériaux19, et peuvent pénétrer et enregistrer à partir du nerf7,20. Malgré les nombreux avantages des fibres de carbone, de nombreux laboratoires trouvent la fabrication manuelle de ces matrices difficile. Certains groupes21 combinent des fibres de carbone en faisceaux qui donnent collectivement un diamètre plus grand (~200 μm); cependant, à notre connaissance, ces faisceaux n’ont pas été vérifiés dans le nerf. D’autres ont fabriqué des réseaux d’électrodes en fibre de carbone individualisés, bien que leurs méthodes nécessitent des guides en fibre de carbone fabriqués en salle blanche22,23,24 et des équipements pour peupler leurs réseaux17,23,24. Pour y remédier, nous proposons une méthode de fabrication d’un réseau de fibres de carbone qui peut être effectué sur la paillasse du laboratoire et qui permet des modifications impromptues. Le réseau résultant maintient des pointes d’électrodes individualisées sans outils spécialisés de remplissage de fibres. De plus, plusieurs géométries sont présentées pour répondre aux besoins de l’expérience de recherche. S’appuyant sur des travaux antérieurs8,17,22,25, ce document fournit des méthodologies détaillées pour créer et modifier manuellement plusieurs styles de tableaux avec un minimum de temps de formation en salle blanche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substitutions de matériaux
Bien que tous les matériaux utilisés soient résumés dans le tableau des matériaux, très peu de matériaux doivent provenir de fournisseurs spécifiques. La carte Flex Array doit provenir du fournisseur répertorié car il s’agit de la seule entreprise capable d’imprimer la carte flexible. Le connecteur Flex Array doit également être commandé auprès du fournisseur répertorié car il s’agit d’un connecteur propriétaire. Le parylène C est …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu financièrement par les National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 et UF1NS115817) et la National Science Foundation (1707316). Les auteurs reconnaissent le soutien financier du Collège d’ingénierie de l’Université du Michigan et le soutien technique du Michigan Center for Materials Characterization et du Van Vlack Undergraduate Laboratory. Les auteurs remercient le Dr Khalil Najafi pour l’utilisation de son laser Nd:YAG et l’installation de nanofabrication de Lurie pour l’utilisation de leur machine de dépôt de parylène C. Nous tenons également à remercier Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) pour son aide dans l’étude comparative des revêtements commerciaux.
Materials
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
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