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Bioingegneria

Lithographie focalisée de faisceau d'ion à Etch Nano-architectures dans des microélectrodes

Published: January 19, 2020
doi:
10.3791/60004
, , , ,
1Department of Electrical Engineering and Computer Science,University of Michigan, 2Veteran Affairs Ann Arbor Healthcare System, 3Department of Neurology, School of Medicine,University of Michigan, 4Department of Biomedical Engineering,University of Michigan, 5Michigan Center for Materials Characterization,University of Michigan, 6Carl Zeiss SMT, Inc.

Summary

Nous avons montré que la gravure de nano-architecture dans des dispositifs intracortical de microélectrode peut réduire la réponse inflammatoire et a le potentiel d’améliorer des enregistrements électrophysiologiques. Les méthodes décrites ci-contre décrivent une approche pour équerler les nano-architectures à la surface des microélectrodes intracorticales non fonctionnelles et fonctionnelles de silicium à tige unique.

Abstract

Grâce aux progrès de l’électronique et de la technologie de fabrication, les microélectrodes intracorticales ont subi des améliorations substantielles permettant la production de microélectrodes sophistiquées avec une plus grande résolution et des capacités accrues. Les progrès de la technologie de fabrication ont soutenu le développement d’électrodes biomimétiques, qui visent à s’intégrer de façon transparente dans le parenchyme cérébral, à réduire la réponse neuroinflammatoire observée après l’insertion d’électrodes et à améliorer la qualité et longévité des enregistrements électrophysiologiques. Ici, nous décrivons un protocole pour employer une approche biomimétique récemment classée comme nano-architecture. L’utilisation de la lithographie focalisée de faisceau d’ions (FIB) a été employée dans ce protocole pour définir des dispositifs spécifiques de nano-architecture dans la surface des microélectrodes intracorticales non fonctionnelles et fonctionnelles de tige simple. L’enchautreisation des nano-architectures dans la surface de l’électrode a indiqué des améliorations possibles de la biocompatibilité et de la fonctionnalité du dispositif implanté. Un des avantages de l’utilisation de fib est la capacité à émousser sur les dispositifs manufacturés, par opposition à lors de la fabrication de l’appareil, facilitant les possibilités illimitées de modifier de nombreux dispositifs médicaux après la fabrication. Le protocole présenté ci-contre peut être optimisé pour divers types de matériaux, caractéristiques nano-architecture et types d’appareils. L’augmentation de la surface des dispositifs médicaux implantés peut améliorer les performances et l’intégration de l’appareil dans le tissu.

Introduction

Les microélectrodes intracorticales (IME) sont des électrodes invasives qui fournissent un moyen d’interfaçage direct entre les dispositifs externes et les populations neuronales à l’intérieur du cortex cérébral1,2. Cette technologie est un outil inestimable pour enregistrer les potentiels d’action neuronale afin d’améliorer la capacité des scientifiques à explorer la fonction neuronale, à faire progresser la compréhension des maladies neurologiques et à développer des thérapies potentielles. La microélectrode intracorticale, utilisée dans le cadre des systèmes d’interface de machine cérébrale (IMC), permet l’enregistrement des potentiels d’action d’un individu ou de petits groupes de neurones pour détecter les intentions motrices qui peuvent être utilisées pour produire des sorties fonctionnelles3. En fait, les systèmes d’IMC ont été utilisés avec succès à des fins prothétiques et thérapeutiques, telles que le contrôle sensoriel acquis du rythme pour faire fonctionner un curseur informatique chez les patients atteints de sclérose latérale amyotrophique (SLA)4 et les lésions de la moelle épinière5 et la restauration du mouvement chez les personnes souffrant de tétraplégie chronique6.

Malheureusement, les IME ne parviennent souvent pas à enregistrer uniformément au fil du temps en raison de plusieurs modes de défaillance qui comprennent des facteurs mécaniques, biologiques et matériels7,8. La réponse neuroinflammatoire se produisant après l’implantation d’électrode est pensée pour être un défi considérable contribuant à l’échec d’électrode9,10,11,12,13,14. La réponse neuroinflammatoire est initiée lors de l’insertion initiale de l’IME qui coupe la barrière hémato-encéphalique, endommage le parenchyme cérébral local et perturbe les réseaux glial et neuronal15,16. Cette réponse aigue est caractérisée par l’activation des cellules gliales (microglia/macrophages et astrocytes), qui libèrent des molécules pro-inflammatoires et neurotoxiques autour du site de l’implant17,18,19,20. L’activation chronique des cellules gliales a comme conséquence une réaction de corps étrangère caractérisée par la formation d’une cicatrice gliale isolant l’électrode du tissu sain de cerveau7,9,12,13,17,21,22. En fin de compte, entravant la capacité de l’électrode à enregistrer les potentiels d’action neuronale, en raison de la barrière physique entre l’électrode et les neurones et la dégénérescence et la mort des neurones23,24,25.

L’échec précoce des microélectrodes intracorticales a entraîné des recherches considérables dans le développement des électrodes de prochaine génération, en mettant l’accent sur les stratégies biomimétiques26,27,28,29,30. D’intérêt particulier pour le protocole décrit ici, est l’utilisation de la nano-architecture comme une classe d’altérations de surface biomimétique pour les IME31. Il a été établi que les surfaces imitant l’architecture de l’environnement naturel in vivo ont une réponse biocompatible améliorée32,33,34,35,36. Ainsi, l’hypothèse qui oblige ce protocole est que la discontinuité entre l’architecture rugueuse du tissu cérébral et l’architecture lisse des microélectrodes intracorticales peut contribuer à la réponse neuro-inflammatoire et chronique du corps étranger aux IME implantés (pour un examen complet de Kim et al.,31). Nous avons déjà montré que l’utilisation de caractéristiques nano-architecture similaires à l’architecture de matrice extracellulaire du cerveau réduit les marqueurs inflammatoires des astrocytes à partir de cellules cultivées sur des substrats nano-architectured, par rapport aux surfaces de contrôle plat dans les modèles in vitro et ex vivo de neuroinflammation37,38. En outre, nous avons montré l’application de la lithographie focalisée de faisceau d’ions (FIB) pour équerler les nano-architectures directement sur les sondes de silicium a eu comme conséquence la viabilité neuronale sensiblement accrue et l’expression inférieure des gènes pro-inflammatoires des animaux implantés avec les sondes de nano-architecture comparées au groupe de contrôle lisse26. Par conséquent, le but du protocole présenté ici est de décrire l’utilisation de la lithographie FIB pour équeter les nano-architectures sur les dispositifs intracortical de microélectrode manufacturés. Ce protocole a été conçu pour réduire les caractéristiques de la taille d’une nano-architecture dans les surfaces de silicium des jarrets de microélectrodes intracorticales en utilisant des processus automatisés et manuels. Ces méthodes sont simples, reproductibles, et peuvent certainement être optimisées pour divers matériaux d’appareil et tailles d’entitédésirée désirées.

Protocol

REMARQUE : Faites les étapes suivantes tout en portant l’équipement de protection individuelle approprié, comme une blouse de laboratoire et des gants. 1. Montage de sonde de silicium non fonctionnelle pour la lithographie focalisée de faisceau d’ion (FIB) REMARQUE : Pour la procédure complète décrivant la fabrication de la plaquette SOI avec les 1 000 sondes, veuillez consulter Ereifej et al.,39. Isolez une bande de 2-3 sond…

Representative Results

FIB Etched Nano-architecture sur les surfaces des sondes intracorticales Single ShankUtilisant les méthodes décrites ici, les sondes intracorticales ont été gravées avec des nano-architectures spécifiques suivant les protocoles établis39. Les dimensions et la forme de la conception nano-architecture décrite dans ces méthodes ont été mises en œuvre à partir de résultats in vitro précédents représentant une diminution de la réactivité des cellules gliales lors…

Discussion

Le protocole de fabrication décrit ici utilise la lithographie focalisée de faisceau d’ions pour effectivement et reproductiblement éduquer des nano-architectures dans la surface des microélectrodes de silicium de tige simple non fonctionnelles et fonctionnelles. La lithographie focalisée du faisceau d’ions (FIB) permet l’ablation sélective de la surface du substrat à l’aide d’un faisceau d’ions finement focalisé50,51. FIB est une technique d’écriture di…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette étude a été soutenue par les prix du Département des anciens combattants des États-Unis pour la recherche et le développement en réadaptation : #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) et #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Le contenu ne représente pas les vues du ministère des Anciens Combattants des États-Unis ou du gouvernement des États-Unis. Les auteurs tient à remercier FEI Co. (maintenant partie de Thermofisher Scientific) pour l’aide du personnel et l’utilisation de l’instrumentation, qui a aidé à développer les scripts utilisés dans cette recherche.

Materials

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/
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Riferimenti

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Mahajan, S., Sharkins, J. A., Hunter, A. H., Avishai, A., Ereifej, E. S. Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes. J. Vis. Exp. (155), e60004, doi:10.3791/60004 (2020).
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