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Bioingegneria

Focalizzata la litografia del fascio ionico per esacire di nano-architetture nei microelettrodi

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

Abbiamo dimostrato che l’incisione della nano-architettura nei dispositivi intracorticali di microelettrodi può ridurre la risposta infiammatoria e ha il potenziale per migliorare le registrazioni elettrofisiologiche. I metodi descritti qui delineano un approccio per incidere le nano-architetture nella superficie di microelettrodi intracorticali in silicio a stilo non funzionali e funzionali.

Abstract

Con i progressi nell’elettronica e nella tecnologia di fabbricazione, i microelettrodi intracorticali hanno subito miglioramenti sostanziali che hanno permesso la produzione di microelettrodi sofisticati con maggiore risoluzione e capacità ampliate. I progressi nella tecnologia di fabbricazione hanno sostenuto lo sviluppo di elettrodi biomimetici, che mirano a integrarsi senza soluzione di continuità nel parenchyma cerebrale, ridurre la risposta neuroinfiammatoria osservata dopo l’inserimento degli elettrodi e migliorare la qualità e longevità delle registrazioni elettrofisiologiche. Qui descriviamo un protocollo per impiegare un approccio biomimetico recentemente classificato come nano-architettura. L’uso della litografia del fascio ionico focalizzato (FIB) è stato utilizzato in questo protocollo per incidere specifiche caratteristiche nano-architettoniche nella superficie di microelettrodi intracorticali a singolo gambo non funzionali e funzionali. L’incisione di nano-architetture nella superficie dell’elettrodo ha indicato possibili miglioramenti della biocompatibilità e della funzionalità del dispositivo impiantato. Uno dei vantaggi dell’utilizzo di FIB è la possibilità di incidere su dispositivi fabbricati, al contrario durante la fabbricazione del dispositivo, facilitando possibilità illimitate di modificare numerosi dispositivi medici dopo la produzione. Il protocollo qui presentato può essere ottimizzato per vari tipi di materiali, funzionalità di nano-architettura e tipi di dispositivi. L’aumento della superficie dei dispositivi medici impiantati può migliorare le prestazioni del dispositivo e l’integrazione nel tessuto.

Introduction

I microelettrodi intracorticali (IME) sono elettrodi invasivi che forniscono un mezzo di interfacciamento diretto tra dispositivi esterni e le popolazioni neuronali all’interno della corteccia cerebrale1,2. Questa tecnologia è uno strumento inestimabile per registrare i potenziali di azione neurale per migliorare la capacità degli scienziati di esplorare la funzione neuronale, far progredire la comprensione delle malattie neurologiche e sviluppare potenziali terapie. Il microelettrodo intracorticale, utilizzato come parte dei sistemi HMI (Brain Machine Interface), consente la registrazione dei potenziali d’azione da un singolo o piccolo gruppo di neuroni per rilevare le intenzioni motorie che possono essere utilizzate per produrre uscite funzionali3. Infatti, i sistemi BMI sono stati utilizzati con successo per scopi protesici e terapeutici, come il controllo del ritmo sensomotorio acquisito per azionare un cursore computerin pazienti con sclerosi laterale amiotrofica (SLA)4 e lesioni del midollo spinale5 e ripristinare il movimento in persone che soffrono di tetraplegia cronica6.

Purtroppo, gli IME spesso non riescono a registrare costantemente nel tempo a causa di diverse modalità di guasto che includono fattori meccanici, biologici e materiali7,8. La risposta neuroinfiammatoria che si verifica dopo l’impianto dell’elettrodo è pensata per essere una sfida considerevole contribuendo al fallimento degli elettrodi9,10,11,12,13,14. La risposta neuroinfiammatoria viene avviata durante l’inserimento iniziale dell’IME che recisso la barriera ematoencefalica, danneggia il parenchyma cerebrale locale e interrompe le reti gliali e neuronali15,16. Questa risposta acuta è caratterizzata dall’attivazione di cellule gliali (microglia/macrofati e astrociti), che rilasciano molecole pro-infiammatorie e neurotossiche intorno al sito dell’impianto17,18,19,20. L’attivazione cronica delle cellule gliali si traduce in una reazione del corpo estraneo caratterizzata dalla formazione di una cicatrice gliale isolando l’elettrodo dal tessuto cerebrale sano7,9,12,13,17,21,22. In definitiva, ostacolando la capacità dell’elettrodo di registrare i potenziali di azione neuronale, a causa della barriera fisica tra l’elettrodo e i neuroni e la degenerazione e la morte dei neuroni23,24,25.

Il fallimento precoce dei microelettrodi intracorticali ha portato a notevoli ricerche nello sviluppo di elettrodi di nuova generazione, con particolare attenzione alle strategie biomimetiche26,27,28,29,30. Di particolare interesse per il protocollo qui descritto, è l’uso della nano-architettura come classe di alterazioni di superficie biomimetiche per gli IME31. È stato stabilito che le superfici che imitano l’architettura dell’ambiente naturale in vivo hanno una risposta biocompatibile migliorata32,33,34,35,36. Pertanto, l’ipotesi che implichi questo protocollo è che la discontinuità tra l’architettura ruvida del tessuto cerebrale e l’architettura liscia dei microelettrodi intracorticali può contribuire alla risposta neuroinfiammatoria e cronica del corpo estraneo agli IME impiantati (per una revisione completa si riferisce a Kim et al.31). Abbiamo dimostrato in precedenza che l’utilizzo di caratteristiche nano-architettura simili all’architettura a matrice extracellulare del cervello riduce i marcatori infiammatori degli astrociti dalle cellule coltivate su substrati nano-architetturati, rispetto alle superfici di controllo piatte nei modelli in vitro ed ex vivo della neuroinfiammazione37,38. Inoltre, abbiamo dimostrato l’applicazione della litografia del fascio ionico focalizzato (FIB) per incidere le nano-architetture direttamente sulle sonde in silicio ha portato a una vitalità neuronale significativamente aumentata e a una minore espressione di geni pro-infiammatori da animali impiantati con le sonde nano-architettura rispetto al gruppo di controllo liscio26. Pertanto, lo scopo del protocollo qui presentato è quello di descrivere l’uso della litografia FIB per eguagliare nano-architetture su dispositivi a microelettrodi intracorticali fabbricati. Questo protocollo è stato progettato per incidere caratteristiche di nano-architettura in superfici di silicio di fazzoletti intracorticali di microelettrodi utilizzando sia processi automatizzati che manuali. Questi metodi sono semplici, riproducibili e possono certamente essere ottimizzati per vari materiali del dispositivo e dimensioni di lavorazione desiderate.

Protocol

NOTA: Effettuare le seguenti operazioni indossando l’attrezzatura protettiva personale appropriata, ad esempio un camice da laboratorio e guanti. 1. Sonda di silicone non funzionale per litografia del fascio ionico focalizzato (FIB) NOTA: Per la procedura completa che descrive la fabbricazione del wafer SOI con le 1.000 sonde, si prega di fare riferimento a Ereifej et al.39. Isolare una striscia di 2-3 sonde di silicio dal wafer in …

Representative Results

FIB Inciso Nano-architettura sulle superfici di sonde intracorticali singolo ShankUtilizzando i metodi descritti qui, le sonde intracorticali sono state incise con nano-architetture specifiche seguendo protocolli stabiliti39. Le dimensioni e la forma del progetto nano-architettura descritto in questi metodi sono state implementate dai precedenti risultati in vitro che illustrano una diminuzione della reattività delle cellule gliali quando coltivate con il progetto nano-archit…

Discussion

Il protocollo di fabbricazione qui descritto utilizza la litografia focalizzata del fascio ionico per eguagliare in modo efficace e riproducibile nano-architetture nella superficie di microelettrodi in silicio a gambo singolo non funzionale e funzionale. La litografia del fascio ionico focalizzato (FIB) consente l’ablazione selettiva della superficie del substrato utilizzando un fascio ionico a fuoco fine50,51. FIB è una tecnica di scrittura diretta che può pro…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo studio è stato sostenuto dal Dipartimento dei Veterani per la Ricerca e lo Sviluppo del Dipartimento degli Affari Veterani: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) e #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). I contenuti non rappresentano le opinioni del Dipartimento degli Affari Veterani degli Stati Uniti o del Governo degli Stati Uniti. Gli autori desiderano ringraziare FEI Co. (Ora parte di Thermofisher Scientific) per l’assistenza del personale e l’uso della strumentazione, che ha aiutato a sviluppare gli script utilizzati in questa ricerca.

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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Keywords: Focused Ion Beam LithographyFIBNano-architecturesMicroelectrodesBiocompatibilitySiliconMetalsPolymersNon-planar SurfacesPost-processingScanning Electron MicroscopeSEMSilver PaintStage CoordinatesNitrile GlovesNavigation CameraMicroscope User Interface
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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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