Fabbricazione di array di microelettrodi Ti3C2 MXene per la registrazione neurale In Vivo

Summary

Descriviamo qui un metodo per fabbricare array di microelettrodi Ti₃C₂ MXene e utilizzarli per la registrazione neurale in vivo.

Abstract

Le tecnologie impiantabili di microelettrodi sono state ampiamente utilizzate per chiarire le dinamiche neurali su microscala per ottenere una comprensione più profonda delle basi neurali delle malattie cerebrali e delle lesioni. Poiché gli elettrodi sono miniaturizzati alla scala delle singole cellule, un corrispondente aumento dell'impedimento dell'interfaccia limita la qualità dei segnali registrati. Inoltre, i materiali convenzionali degli elettrodi sono rigidi, con conseguente significativa disallineamento meccanico tra l'elettrodo e il tessuto cerebrale circostante, che suscita una risposta infiammatoria che alla fine porta a una degradazione delle prestazioni del dispositivo. Per affrontare queste sfide, abbiamo sviluppato un processo per fabbricare microelettrodi flessibili basato su Ti₃C₂ MXene, un nanomateriale recentemente scoperto che possiede capacità volumetriche, conduttività elettrica, funzionalità superficiali e di processabilità notevolmente elevate. Gli array flessibili di microelettrodi Ti₃C₂ MXene hanno un notevole basso impedimento dovuto all'elevata conduttività e all'elevata superficie specifica delle pellicole Ti₃C₂ MXene, e hanno dimostrato di essere squisitamente sensibili per la registrazione dell'attività neuronale. In questo protocollo, descriviamo un nuovo metodo per micropatterning Ti₃C₂ MXene in array di microelettrodi su substrati polimerici flessibili e ne delineamo l'uso per la registrazione in vivo di microelettroblugrafia. Questo metodo può essere facilmente esteso per creare array di elettrodi MXene di dimensioni arbitrarie o geometria per una serie di altre applicazioni in bioelettronica e può anche essere adattato per l'uso con altri inchiostri conduttivi oltre a Ti₃C₂ MXene. Questo protocollo consente una fabbricazione semplice e scalabile di microelettrodi da inchiostri conduttivi basati su soluzione, e in particolare permette di sfruttare le proprietà uniche dell'idrofilo Ti₃C₂ MXene per superare molte delle barriere che hanno a lungo ostacolato la diffusa adozione di nanomateriali a base di carbonio per microelettrodi neurali ad alta fedeltà.

Introduction

Comprendere i meccanismi fondamentali alla base dei circuiti neurali e come le loro dinamiche sono alterate in malattie o lesioni, è un obiettivo fondamentale per sviluppare terapie efficaci per una vasta gamma di disturbi neurologici e neuromuscolari. Le tecnologie dei microelettrodi sono state ampiamente utilizzate per chiarire le dinamiche neurali su scale spaziali e temporali fini. Tuttavia, l'ottenimento di registrazioni stabili con elevato rapporto segnale-rumore (SNR) da elettrodi su microscala si è dimostrato particolarmente impegnativo. Poiché le dimensioni degli elettrodi sono ridotte per avvicinarsi alla scala cellulare, un corrispondente aumento degli elet....

Protocol

Tutte le procedure in vivo sono conformi alla Guida dei National Institutes of Health (NIH) per la cura e l'uso degli animali da laboratorio e sono state approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università della Pennsylvania.

1. Sintesi di Ti₃C₂ MXene

NOTA: le procedure di reazione descritte in questa sezione sono destinate all'uso all'interno di un cofano di fumi chimico. I passaggi di lavaggio inclusi in questa procedura sono destinati ad essere utilizzati con tubi di centrifuga bilanciati. Tutti i rifiuti prodotti sono considerati rifiuti pericolosi e....

Results

I dati di esempio micro-ECoG registrati su una matrice di microelettrodi MXene sono illustrati nella Figura 5. Dopo l'applicazione dell'array di elettrodi sulla corteccia, chiari segnali fisiologici sono stati immediatamente evidenti sugli elettrodi di registrazione, con circa 1 mV segnali di ampiezza ECoG che appaiono su tutti gli elettrodi MXene. Gli spettri di potenza di questi segnali confermarono la presenza di due ritmi cerebrali comunemente osservati nei ratti sotto anestesia ketamina.......

Discussion

La procedura di sintesi e delaminazione MXene descritta in questo protocollo (HF/HCl/LiCl) è stata costruita dall'approccio di incisione MILD che impiegava un mezzo di incisione LiF/HCl (in situ HF)²⁶. L'approccio MILD permette di devastare spontaneamente grandi_fiocchi di Ti₃C (diversi m di dimensione laterale) durante il lavaggio, una volta raggiunto il pH 5/6. Rispetto all'incisione con la sola HF, questo si traduce in materiale con una qualità superiore e migliori propriet.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
00-90 vite	McMaster-Carr	90910A630	Vite del cranio attorno alla quale è avvolto il filo di terra
Controller di stimolazione/registrazione a 128 canali	Intan Technologies		Un componente del sistema di registrazione neurale.
Provette da centrifuga coniche in polipropilene (PP) da 175 mL	Falcon	REF: 352076	Utilizzato per il lavaggio
di connettori ZIF a 18 posizioni con passo da 0,5 mm	Molex	505110-1892	Utilizzato per interfacciare l'array flessibile di microelettrodi in parylene con la scheda adattatore PCB.
Connettore nanominiaturizzato maschio a doppia fila a 18 posizioni (.025"/.64mm)	Omnetics Connector Corporation	A79008-001	Utilizzato per interfacciare la scheda adattatore PCB all'headstage di registrazione.
Set di plastica monouso da 3 ml Pipette graduate per il trasferimento Rienar		Rienar-3ML-20PCS	Utilizzato per il trasferimento di soluzioni mordenzanti o MXene
50 ml di provetta da centrifuga conciale in polipropilene (PP)	Falcon	REF: 352070	Utilizzato per il lavaggio e la selezione delle dimensioni
Mordenzante Al Tipo A	Transene	060-0026000-QT	Per la rimozione dello strato di maschera Al etch dopo l'incisione finale Parylene-C.
Polvere di alluminio, -325 mesh, 99,5% (base metallica), granulometria < 44 & micro; m	Alfa Aesar	CAS: 7429-90-5	Utilizzato per la sintesi MAX
Software AutoCAD	Autodesk Inc.		Software di progettazione per il disegno di fotomaschere. Le alternative gratuite includono DraftSight e LayoutEditor.
Mordenzante all'ossido tamponato 6:1	JT Baker	1178-03	Per la rimozione dello strato di SiO2 per esporre i contatti dell'elettrodo MXene alla fine della procedura di fabbricazione.
Buprenorfina SR	Wildlife Pharmaceuticals		Analgesia per la chirurgia dei ratti
Centrifuga	Hermle	Benchmark Z 446	Utilizzato per il lavaggio e la selezione delle dimensioni
Dexdomitor	Midwest Veterinary Supply	193.13250.3	Anestesia per la chirurgia dei ratti
Fresa per trapano	Strumenti di scienza fine	19007-07	Frese per trapano
Trapano elettrico	Foredom	K.1070	Trapano a micromotore per craniotomie
Evaporatore a fascio di elettroni	Kurt J. Lesker Company		Utilizzato per evaporare Ti, Au e SiO2 durante la fabbricazione. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento o di uno strumento simile.
Filo di terra	A-M Systems	781500	Filo d'argento nudo
Spazio di testa Fiala, vetro	Supelco	REF: 27298	Utilizzato per la conservazione di soluzioni MXene
Acido cloridrico (12.1N)	Fisher Scientific	CAS: 7647-01-0	Corrosivo; materiale mordenzante
Acido fluoridrico, (soluzione al 48-51% in H2O)	Acros	CAS: 7664-39-3	Materiale mordenzante
Jupiter II Sistema RIE	March Plasma Systems Inc.		Sistema di incisione planare RIE utilizzato per incidere il Parylene-C utilizzando plasma O2. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di un sistema di incisione RIE planare comparabile.
Nastro in poliimmide standard Kapton, 1/4"	DuPont		Utilizzato per aggiungere spessore alla regione del tampone di incollaggio Au dell'array flessibile di microelettrodi in parylene per l'inserimento nel connettore ZIF.
Ospedale per ketamina	dell'Univ. di Penn.		Anestesia per chirurgia dei ratti
KLA P-7 Stilo Profilometro	KLA Corporation		Ha utilizzato i profili 2D di misurazione per confermare l'incisione completa attraverso lo strato sacrificale di parylene-C nel passaggio 2.4.2. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento di profilometro a stilo o di uno strumento comparabile.
Cloruro di litio, 99% per analisi, anidro	Acros	CAS: 7447-41-8	Igroscopico; materiale di delaminazione
Allineatore maschera MA6	Karl Suss Microtec AG		Utilizzato per allineare ogni fotomaschera al modello sul wafer ed esporre il wafer ai raggi UV. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento o di uno strumento simile.
Soluzione detergente Micro-90	International Products Corporation	M-9050-12	Utilizzato come strato antiadesivo per consentire la rimozione dello strato sacrificale di Parylene-C per modellare il fotoresist MXene
NR71-3000p	Futurrex Inc.	NR71-3000p	Fotoresist negativo utilizzato per definire tracce Ti/Au e pattern MXene nei dispositivi.
Unguento oftalmico	Midwest Veterinary Supply	193.63200.3	Per prevenire l'essiccazione corneale durante l'intervento chirurgico
Sistema di deposizione di parylene	Sistemi di rivestimento		Utilizzato per evaporare sottili film conformi di Parylene-C Sistema di
rivestimento speciale	dimero Parylene-C	980130-c-01lbe	Polimero flessibile utilizzato come strati di passivazione inferiore e superiore per i dispositivi
MXene flessibili			nostre fotomaschere sono state prodotte nella camera bianca dell'Università utilizzando un sistema di scrittura laser Heidelberg DWL66+, tuttavia diversi fornitori producono fotomaschere dai file di progettazione forniti.
Soluzione di iodio povidone	Medline	MDS093901	Per aiutare a prevenire l'infezione intorno all'incisione del cuoio capelluto
Circuito stampato (PCB)	Circuiti		Utilizzato per interfacciarsi tra l'array di elettrodi MXene e l'elettronica di misurazione come il potenziostato e il sistema di registrazione Intan. Advanced Circuits e altri fornitori producono e assemblano PCB in base ai file di progettazione forniti.
RD6 Sviluppatore	Futurrex Inc.	Sviluppatore RD6	Utilizzato per sviluppare il fotoresist negativo NR71-3000p dopo l'esposizione ai raggi UV
Potenziostato di riferimento 600	Strumenti Gamry Utilizzato		per misurare l'impedenza degli elettrodi per valutare la qualità dei dispositivi
Remover PG	MicroChem Corp.	G050200	Utilizzato per rimuovere NR71-3000p dopo la deposizione di metallo per eseguire il patterning di sollevamento
RHS2000 cavo di interfaccia Stim SPI	Intan Technologies		Un componente del sistema di registrazione neurale.
Scheda amplificatore RHS2116	Intan Technologies		Un componente del sistema di registrazione neurale.
Si wafer	Wafer World	2885	Substrato per la fabbricazione
Spin Coater	Attrezzatura		Per il rivestimento di wafer con resist e l'applicazione degli strati Micro-90 e MXene. La maggior parte delle camere bianche universitarie è dotata di centrifughe.
Telaio stereotassico	Kopf Instruments	Modello 902	Per il posizionamento del ratto per la neurochirurgia
Agitatore magnetico rivestito in teflon	Corning	REF: 1233W95	Utilizzato per agitare durante l'incisione e l'intercalazione
Carburo di titanio, 99,5% (base metallica), dimensione delle particelle ~2 &; m	Alfa Aesar	CAS: 12070-08-5	Utilizzato per la sintesi MAX
Polvere di titanio, -325 mesh, 99% (base metallica), dimensione delle particelle < 44µ m	Alfa Aesar	CAS: 7440-32-6	Utilizzato per la sintesi MAX
Sonicatore a bagno ad ultrasuoni	Reynolds Tech		Per la rimozione di particelle metalliche e fotoresist durante i processi di sollevamento per modellare i metalli.
Spettrofotometro UV vis	ThermoScientific	Evolution 201	Utilizzato per determinare la concentrazione e osservare il picco di assorbimento
Zetasizer, Analisi granulometrica	Malvern Panalytical	Nano ZS	Utilizzato per determinare la distribuzione granulometrica laterale delle particelle