Verktygslåda med öppen källkod: Benchtop Kolfibermikroelektrodmatris för nervinspelning
Summary
Här beskriver vi tillverkningsmetodik för anpassningsbara kolfiberelektrodmatriser för inspelning in vivo i nerv och hjärna.
Abstract
Konventionella perifera nervsonder tillverkas främst i ett renrum, vilket kräver användning av flera dyra och högspecialiserade verktyg. Detta dokument presenterar en renrum “lätt” tillverkningsprocess av kolfiber neurala elektrodmatriser som kan läras snabbt av en oerfaren renrumsanvändare. Denna tillverkningsprocess för kolfiberelektrodsystem kräver bara ett renrumsverktyg, en Parylene C-depositionsmaskin, som kan läras snabbt eller outsourcas till en kommersiell bearbetningsanläggning till marginalkostnad. Denna tillverkningsprocess inkluderar också handfyllande kretskort, isolering och spetsoptimering.
De tre olika spetsoptimeringarna som utforskas här (Nd:YAG-laser, blåsbrännare och UV-laser) resulterar i en rad spetsgeometrier och 1 kHz impedanser, med blåsfibrer som resulterar i lägsta impedans. Medan tidigare experiment har visat laser- och blåselektrodeffekt, visar detta dokument också att UV-laserskurna fibrer kan spela in neurala signaler in vivo. Befintliga kolfibermatriser har antingen inte individuerade elektroder till förmån för buntar eller kräver renrumstillverkade guider för befolkning och isolering. De föreslagna matriserna använder endast verktyg som kan användas på en bänkskiva för fiberpopulation. Denna tillverkningsprocess för kolfiberelektrodmatris möjliggör snabb anpassning av bulkmatristillverkning till ett reducerat pris jämfört med kommersiellt tillgängliga sonder.
Introduction
Mycket av neurovetenskaplig forskning bygger på att registrera neurala signaler med hjälp av elektrofysiologi (ePhys). Dessa neurala signaler är avgörande för att förstå funktionerna i neurala nätverk och nya medicinska behandlingar som hjärnmaskin och perifera nervgränssnitt1,2,3,4,5,6. Forskning kring perifera nerver kräver skräddarsydda eller kommersiellt tillgängliga neurala inspelningselektroder. Neurala inspelningselektroder-unika verktyg med mikron-skala dimensioner och bräckliga material kräver en specialiserad uppsättning färdigheter och utrustning för att tillverka. En mängd specialiserade sonder har utvecklats för specifika slutanvändningar; Detta innebär dock att experiment måste utformas kring för närvarande tillgängliga kommersiella sonder, eller ett laboratorium måste investera i utvecklingen av en specialiserad sond, vilket är en lång process. På grund av det stora utbudet av neural forskning inom perifera nerver finns det stor efterfrågan på en mångsidig ePhys-sond4,7,8. En idealisk ePhys-sond skulle innehålla en liten inspelningsplats, låg impedans9 och en ekonomiskt realistisk prispunkt för implementering i ett system3.
Nuvarande kommersiella elektroder tenderar att antingen vara extraneural eller manschettelektroder (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), som sitter utanför nerven, eller intrafascicular, som tränger in i nerven och sitter inom fascicle av intresse. Men eftersom manschettelektroder sitter längre bort från fibrerna, plockar de upp mer ljud från närliggande muskler och andra fascicles som kanske inte är målet. Dessa sonder tenderar också att begränsa nerven, vilket kan leda till biofouling-en uppbyggnad av gliaceller och ärrvävnad vid elektrodgränssnittet medan vävnaden läker. Intrafascicular elektroder (liksom LIFE12, TIME13, och Utah Arrays14) tillfogar fördelen av fascicle selektivitet och har bra signalera-till-stoja förhållanden, som är viktigt i diskriminera signalerar för bearbeta bearbeta bearbetar med maskin. Dessa sonder har dock problem med biokompatibilitet, med nerver som deformeras med tiden3,15,16. När de köps kommersiellt har båda dessa sonder statiska mönster utan möjlighet till experimentspecifik anpassning och är kostsamma för nyare laboratorier.
Som svar på de höga kostnads- och biokompatibilitetsproblem som presenteras av andra sonder kan kolfiberelektroder erbjuda en väg för neurovetenskapliga laboratorier att bygga sina egna sonder utan behov av specialiserad utrustning. Kolfibrer är ett alternativt inspelningsmaterial med en liten formfaktor som möjliggör låg skadeinsättning. Kolfibrer ger bättre biokompatibilitet och betydligt lägre ärrrespons än kisel17,18,19 utan intensiv renrumsbearbetning5,13,14. Kolfiber är flexibla, hållbara, lätt integrerade med andra biomaterial19 och kan tränga in och spela in från nerv7,20. Trots de många fördelarna med kolfibrer tycker många laboratorier att den manuella tillverkningen av dessa matriser är mödosam. Vissa grupper21 kombinerar kolfibrer i buntar som tillsammans resulterar i en större (~ 200 μm) diameter; Men såvitt vi vet har dessa buntar inte verifierats i nerv. Andra har tillverkat individuerade kolfiberelektrodmatriser, även om deras metoder kräver renrumstillverkade kolfiberguider22,23,24 och utrustning för att fylla sina matriser17,23,24. För att ta itu med detta föreslår vi en metod för att tillverka en kolfibermatris som kan utföras vid laboratoriebänkskivan som möjliggör improviserade modifieringar. Den resulterande matrisen upprätthåller individuerade elektrodspetsar utan specialiserade fiberbefolkingsverktyg. Dessutom presenteras flera geometrier för att matcha forskningsexperimentets behov. Detta dokument bygger på tidigare arbete8,17,22,25 och innehåller detaljerade metoder för att bygga och ändra flera matrisstilar manuellt med minimal utbildningstid för renrum som behövs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Materialsubstitutioner
Medan allt material som används sammanfattas i tabellen över material, krävs mycket få av materialen för att komma från specifika leverantörer. Flex Array-kortkortet måste komma från den listade leverantören eftersom de är det enda företaget som kan skriva ut den flexibla brädan. Flex Array-anslutningen måste också beställas från leverantören som anges eftersom den är en proprietär anslutning. Parylen C rekommenderas starkt som isoleringsmate…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes ekonomiskt av National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 och UF1NS115817) och National Science Foundation (1707316). Författarna erkänner ekonomiskt stöd från University of Michigan College of Engineering och tekniskt stöd från Michigan Center for Materials Characterization och Van Vlack Undergraduate Laboratory. Författarna tackar Dr. Khalil Najafi för användningen av hans Nd:YAG-laser och Lurie Nanofabrication Facility för användningen av deras Parylene C-depositionsmaskin. Vi vill också tacka Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) för deras hjälp i den kommersiella beläggningsjämförelsestudien.
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 |
References
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R., Horch, K., Kipke, D. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. , 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021)
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 – Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
