Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

Olivia K. Krebs; Gaurav Mittal; Shreya Ramani; Jichu Zhang; Andrew J. Shoffstall; Stuart F. Cogan; Joseph J. Pancrazio; Jeffrey R. Capadona

doi:10.3791/63500

JoVE Journal > Bioengineering

Bio-ingénierie

Ferramentas para tratamento superficial de microeletroletos intracorticais planar de silício

Published: June 08, 2022

doi:

10.3791/63500

Olivia K. Krebs², Gaurav Mittal², Shreya Ramani², Jichu Zhang², Andrew J. Shoffstall², Stuart F. Cogan, Joseph J. Pancrazio, Jeffrey R. Capadona²

¹Department of Biomedical Engineering,Case Western Reserve University, ²Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development,Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, ³Department of Bioengineering,The University of Texas at Dallas

Summary

O presente protocolo descreve ferramentas para o manuseio de microeletroletos intracorticais planar de silício durante os tratamentos para modificação superficial via deposição de gás e reações de soluções aquosas. A montagem dos componentes utilizados para manusear os dispositivos durante todo o procedimento é explicada detalhadamente.

Abstract

Microeletrões intracorticais possuem grande potencial terapêutico. Mas eles são desafiados com redução significativa de desempenho após modestas durações de implantação. Um contribuinte substancial para o declínio observado é o dano ao tecido neural proximal ao implante e resposta neuroinflamatória subsequente. Os esforços para melhorar a longevidade do dispositivo incluem modificações químicas ou aplicações de revestimento na superfície do dispositivo para melhorar a resposta do tecido. O desenvolvimento desses tratamentos superficiais é tipicamente concluído usando sondas “manequim” não funcionais que não possuem os componentes elétricos necessários para a aplicação pretendida. A tradução para dispositivos funcionais requer consideração adicional dada a fragilidade dos arrays de microeletrodos intracorticais. Ferramentas de manuseio facilitam muito os tratamentos superficiais para dispositivos montados, particularmente para modificações que requerem longos tempos processuais. As ferramentas de manuseio descritas aqui são utilizadas para tratamentos superficiais aplicados via deposição em fase de gás e exposição aquosa de soluções. A caracterização do revestimento é realizada utilizando elipsometry e espectroscopia de fotoeletrões de raios-X. Uma comparação das gravações de espectroscopia de impedância elétrica antes e depois do procedimento de revestimento em dispositivos funcionais confirmou a integridade do dispositivo após a modificação. As ferramentas descritas podem ser prontamente adaptadas para dispositivos eletrodos alternativos e métodos de tratamento que mantenham a compatibilidade química.

Introduction

Os dispositivos neuroprostéticos visam restaurar as habilidades sensoriais e motoras prejudicadas ou ausentes em uma ampla gama de populações de pacientes, incluindo aqueles com lesão medular, Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA), paralisia cerebral e amputações ^1,2,3. Microeletrodes intracorticais (IMEs) podem estabelecer uma via de comunicação entre neurônios corticais e os dispositivos usados para controlar a neuroprótese. Uma vantagem distinta dos microeletrodos intracorticais é sua capacidade de registrar sinais neurais na alta resolução espacial e temporal, que é preferida para processamento e controle subsequente de sinais de interfaces cérebro-computador ^4,5. Infelizmente, o desempenho das microeletragens intracorticais reduz drasticamente em meses para um ano após a implantação 2,6,7,8. A perda de qualidade e estabilidade do sinal afeta negativamente a aplicação da tecnologia.

Um contribuinte significativo para o declínio de desempenho observado é a resposta biótica aos danos teciduais associados à implantação e à neuroinflamação crônica ^9,10,11. A implantação de IMEs inflige danos no tecido cerebral, resultando na liberação de moléculas de sinalização que iniciam cascatas de processos reacionários de defesa celular. O interligamento crônico exacerba a resposta do corpo estranho, levando à neuroinflamação sustentada que danifica o tecido proximal ao dispositivo; muitas vezes reconhecidos como sintomas de neuroinflamação, cicatrizes e neurodegeneração local contribuindo para o declínio do registro da qualidade do sinal 12,13,14,15. Compreendendo um denso conglomerado de astrócitos com microglia ativada e macrófagos, a cicatriz que encapsula o eletrodo cria um ambiente local desfavorável com redução do transporte material e acúmulo local de fatores inflamatórios 16,15,16,17,18.

Muitos estudos descreveram a resposta do cérebro a microeletrodos intracorticais ou abordagens para mitigar a resposta⁷. A pesquisa e o desenvolvimento para melhorar a resposta tecidual envolveram uma série de estratégias, incluindo modificações na estrutura geral, topologia superficial, materiais e aplicação de revestimentos. Esses esforços visam minimizar os danos sofridos a partir do evento de implantação, introduzir uma interface mais favorável entre o dispositivo e as células proximais, ou reduzir a tensão tecidual após o implante^{dos dispositivos 7}. Métodos especificamente voltados para a resposta biológica crônica levaram a vários revestimentos bioativos que visam estabilizar o local de implantação e promover quimicamente a saúde celular. Exemplos incluem polímeros condutores como poli (etileno dioxythiophene) (PEDOT)^19,20, nanotubos^{de carbono 21}, hidrogéis²² e a adição de moléculas bioativas e drogas para atingir processos celulares específicos 23,24,25. Nosso grupo de pesquisa, em particular, explorou muitos mecanismos para promover a redução da resposta inflamatória aos microeletrodos implantados, incluindo, mas não se limitando a, minimizar o trauma associado à implantação do dispositivo²⁶, minimizando a incompatibilidade de dispositivo/rigidez tecidual 27,28,29,30,31,32^, otimizando a esterilização procedimentos^34,35, reduzindo o estresse/dano oxidativo 28,36,37,38,39,40,41,42, explorando materiais eletrodos alternativos⁴³, e imitando a nanoarestares da matriz extracelular natural 44,45,46 . Interesse recente é o desenvolvimento de revestimentos biomiméticos de superfície para mitigar a resposta neuroinflamatória na interface tecidual microeletrodes diretamente³⁹.

A modificação da interface oferece o benefício único de direcionar diretamente a ferida e o tecido proximal necessário para a gravação do sinal. Um tratamento superficial que promova a cura sem exacerbar a resposta imune pode beneficiar a vida útil do registro de qualidade e remover limitações na realização do potencial terapêutico e de pesquisa de microeletros intracorticais. O trabalho apresentado detalha métodos para a aplicação de tratamentos superficiais em matrizes de microeletrodos que requerem tempos de reação prolongados, acomodando a fragilidade dos dispositivos. A técnica apresentada destina-se a compartilhar métodos de modificação de superfície em dispositivos funcionais onde o dispositivo não pode ser manuseado durante toda a aplicação do tratamento. As ferramentas são apresentadas para o manuseio de sondas manequim não funcionais e matrizes de microeletrodos planar de silício funcionais.

A abordagem apresentada para modificar a superfície do eletrodo permite a suspensão segura de sondas manequim não funcionais ou conjuntos funcionais de eletrodos planar de silício para deposição em fase de gás e reação com soluções aquosas. Várias peças impressas em 3D são usadas para lidar com esses dispositivos frágeis (Figura 1 e Figura 2). Um exemplo é fornecido de um procedimento que utiliza etapas de fase de gás e solução para a modificação da superfície com um revestimento antioxidativo envolvendo a imobilização da porfirina Mn(III)tetrakis (ácido 4-benzoico) (MnTBAP). MnTBAP é uma metalloporfirina sintética que possui propriedades antioxidantes com mediação demonstrada de inflamação^47,48. O exemplo fornecido em matrizes funcionais de eletrodos planar de silício valida uma atualização para um protocolo previamente relatado para dispositivos não funcionais⁴⁰. A adaptação de uma técnica de deposição de fase de gás da Munief et al. suporta a compatibilidade do protocolo com eletrodos funcionais⁴⁹. A deposição da fase gasosa é utilizada para amina funcionalizar a superfície em preparação para a reação aquosa envolvendo a química do crosslinker carbodiimide para imobilizar o MnTBAP ativo. A metodologia de manuseio desenvolvida aqui é fornecida como uma plataforma que pode ser modificada para acomodar outros revestimentos e dispositivos similares.

O protocolo ilustra a abordagem usando sondas manequim não funcionais que compreendem uma haste de silício e uma guia impressa em 3D com dimensões semelhantes às matrizes funcionais de eletrodos planar de silício. A embalagem do conector do dispositivo é considerada análoga à guia impressa 3D da sonda manequim não funcional na instrução fornecida.

Figura 1: Peças impressas em 3D para manuseio de dispositivos funcionais durante a deposição em fase de gás em um desiccator a vácuo. (A) A base da estrutura inclui suportes para quadrados de silício de amostra de 1 cm x 1 cm (seta superior) e orifícios para fixação na placa desiccator (seta inferior). (B) A placa é usada para fixar a suspensão dos dispositivos. Daqui em diante, cada peça desta figura será referida como peça 1A ou 1B. Barra de escala = 1 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Peças impressas em 3D para manuseio de dispositivos funcionais para a reação superficial que ocorre na solução aquosa. (A) Peça guia a ser colada à tampa da placa de cultura. (B) Peças benchtop usadas para estabilizar peças (C) e (D) durante a montagem. (C) e (D) juntos fixam a suspensão dos dispositivos para colocação na placa do poço, e (E) segura ainda mais as peças (C) e (D) na tampa da placa do poço. A partir de agora, as peças individuais em cada painel desta figura serão referidas como números de peça correspondentes ao número do painel desta figura. Barra de escala = 1 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

Todos os arquivos de codificação para impressão 3D são fornecidos em Arquivos de Codificação Suplementar 1-16. A análise fornecida nos resultados representativos é descrita utilizando matrizes de eletrodos planar de silício funcionais adquiridos comercialmente (ver Tabela de Materiais). 1. Montagem de manuseio para deposição em fase de gás em um desiccador a vácuo NOTA: O aparelho montado para manusear e …

Representative Results

Para demonstrar o uso dos componentes de manuseio, foi implementada a metodologia descrita para adaptar a imobilização de um mediador oxidante ao silício ativado. A aplicação desta química aos IMEs para reduzir o estresse oxidativo foi concebida por Potter-Baker et al. e demonstrada em sondas manequim de silício não funcionais40. Este tratamento superficial imobiliza o antioxidante, MnTBAP, para a superfície de silício ativada UV/ozônio através da funcionalidade de amina segui…

Discussion

O protocolo descrito foi projetado para o tratamento superficial de matrizes de microeletrodos planar de silício. As ferramentas impressas em 3D são personalizadas para matrizes de microeletrodos estilo Michigan com conectores de baixo perfil⁵⁰. As sondas não funcionais foram montadas aderindo uma sonda de silício a guias impressas em 3D usando um adesivo biocompatível. As guias impressas em 3D foram projetadas com dimensões semelhantes aos conectores incorporados nos dispositivos disponíve…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo foi apoiado em parte pelo Merit Review Award IRX002611 (Capadona) e pelo Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) do Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento de Assuntos de Veteranos dos Estados Unidos (EUA). Além disso, este trabalho também contou com o apoio, em parte, do Instituto Nacional de Saúde, Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC R01NS110823 (Capadona/Pancrazio) e do Programa nacional de Bolsas de Pós-Graduação em Pesquisa (Krebs).

Materials

1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC)	Sigma-Aldrich	165344-1G	Solid, stored desiccated at -20 °C
15 mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	14-959-70C
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties	Cole-Parmer	EW-06830-66	Length 4 inches
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES)	Sigma-Aldrich	4432-31-9	Solid
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)	Sigma-Aldrich	440140-100ML	Liquid, container with Sure/Seal
50 mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	14-959-49A
Aluminum foil	Fisher Scientific	01-213-103
Aluminum weighing dishes	Fisher Scientific	08-732-102	Diameter 66 mm
Bel-Art Vacuum Desiccator	Fisher Scientific	08-594-15B
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates	Millipore Sigma	CLS3527-100EA	24-well plate, polystyrene
Cyanoacrylate Adhesive	LocTite	N/A
Digital Microscope	Keyence	VHX-S750E
Disco DAD3350 Dicing Saw	Disco	DAD3350	Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples
Double-Sided Polyimide Tape	Kapton Tape	PPTDE-1/4	¼” x 36 yds.
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound	Masterbond	EP21LVMed	Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine	Epilog	N/A	CO₂ laser
Foam tape	XFasten	N/A	1/8" Thick
Gamry Interface 1010E Potentiostat	Gamry	992-00129
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps	Fisher Scientific	12-000-131
Lab tape	Fisher Scientific	15-901-10L
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP)	EMD Millipore	475870-25MG	Solid, stored at -20 °C
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC)	Sigma-Aldrich	56485-250MG	Solid, stored desiccated at 4°C
Platinum clad niobium mesh anode	Technic	N/A	Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel	NeuroNexus	A1x16-3mm-100-177-CM16LP	Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm
Silicon Wafer	University Wafer	1575	Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade
Silver/silver Chloride reference electrode	Gamry Instruments	930-00015
Solidworks		N/A
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws	McMaster Carr	96877A629	#8-32, 1 1/2", fully threaded
Type I deionized water	ChemWorld	CW-DI1-20
Ultimaker 3 3D printer	Ultimaker	N/A
Ultimaker Cura	Ultimaker	N/A	3D printing software
Ultimaker NFC ABS Filament	Dynamism, Inc.	1621	2.85 mm
Ultimaker NFC PLA Filament	Dynamism, Inc.	1609	2.85 mm
Vacuum Gauge Vacuum Gauge	Measureman Direct	N/A	Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0
Wing nuts	Everbilt	934917	#8-32, zinc plated

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Krebs, O. K., Mittal, G., Ramani, S., Zhang, J., Shoffstall, A. J., Cogan, S. F., Pancrazio, J. J., Capadona, J. R. Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes. J. Vis. Exp. (184), e63500, doi:10.3791/63500 (2022).