Vi beskriver her en metode til fremstilling Ti3C2 MXene mikroelektrode arrays og udnytte dem til in vivo neuraloptagelse.
Implantable mikroelektrode teknologier har været meget udbredt til at belyse neurale dynamik på mikroskala for at få en dybere forståelse af neurale fundament af hjernesygdom og skade. Da elektroder er miniaturiseret til omfanget af de enkelte celler, en tilsvarende stigning i grænsefladen impedans begrænser kvaliteten af registrerede signaler. Derudover er konventionelle elektrodematerialer stive, hvilket resulterer i et betydeligt mekanisk misforhold mellem elektroden og det omgivende hjernevæv, hvilket fremkalder en inflammatorisk reaktion, der i sidste ende fører til en forringelse af enhedens ydeevne. For at løse disse udfordringer har vi udviklet en proces til fremstilling af fleksible mikroelektroder baseret på Ti3C2 MXene, et nyligt opdaget nanomateriale, der besidder bemærkelsesværdigt høj volumetrisk kapacitans, elektrisk ledningsevne, overfladefunktionalitet og processabilitet i vandige dispersioner. Fleksible arrays af Ti3C2 MXene mikroelektroder har bemærkelsesværdigt lav impedans på grund af den høje ledningsevne og høje specifikke overfladeareal af Ti3C2 MXene film, og de har vist sig at være udsøgt følsomme til optagelse neuronal aktivitet. I denne protokol beskriver vi en ny metode til mikromønstret Ti3C2 MXene i mikroelektrodearrays på fleksible polymere substrater og skitserer deres anvendelse til in vivo mikroelektrocorticography optagelse. Denne metode kan nemt udvides til at skabe MXene elektrode arrays af vilkårlig størrelse eller geometri til en række andre anvendelser i bioelektronik, og det kan også tilpasses til brug med andre ledende blæk foruden Ti3C2 MXene. Denne protokol muliggør enkel og skalerbar fremstilling af mikroelektroder fra løsningsbaserede ledende trykfarver og gør det specifikt muligt at udnytte de unikke egenskaber ved hydrofile Ti3C2 MXene at overvinde mange af de barrierer, der længe har hindret den udbredte vedtagelse af kulstofbaserede nanomaterialer til neurale mikroelektroder med høj nøjagtighed.
Forståelse af de grundlæggende mekanismer, der ligger til grund for neurale kredsløb, og hvordan deres dynamik ændres i sygdom eller skade, er et kritisk mål for at udvikle effektive terapeutiske for en bred vifte af neurologiske og neuromuskulære lidelser. Mikroelektrode teknologier har været meget udbredt til at belyse neurale dynamik på fine rumlige og tidsmæssige skalaer. Det har imidlertid vist sig at være særligt udfordrende at få stabile optagelser med højt signal-støj-forhold (SNR) fra mikroskalaelektroder. Da elektrodernes dimensioner reduceres til at nærme sig cellulære skala, forringer en tilsvarende stigning i elektrodeimpedandanssignalkvaliteten1. Derudover har talrige undersøgelser vist, at stive elektroder bestående af konventionelle silicium og metal elektroniske materialer producere betydelige skader og betændelse i neurale væv, som begrænser deres nytte for langsigtet optagelse2,3,4,5. I betragtning af disse kendsgerninger har der været betydelig interesse i at udvikle mikroelektroder med nye materialer, som kan reducere elektrodevævsgrænsefladens impedans og kan indarbejdes i bløde og fleksible formfaktorer.
En almindeligt anvendt metode til at reducere elektrode-væv interface impedans er at øge det område, hvor ioniske arter i den ekstracellulære væske kan interagere med elektroden, eller “effektivt overfladeareal” af elektroden. Dette kan opnås vednanomønstre6 , overfladeskrubning7eller galvanisering med porøse tilsætningsstoffer8,9. Nanomaterialer har fået betydelig opmærksomhed på dette område, fordi de tilbyder iboende høje specifikke overfladearealer og unikke kombinationer af gunstige elektriske og mekaniske egenskaber10. For eksempel har kulstof nanorør blevet brugt som en belægning til at reducere elektrode impedans11,12,13, grafenoxid er blevet behandlet til bløde, fleksible fritstående sonde elektroder14, og laser-pyrolyseret porøs grafen er blevet udnyttet til fleksible, lav-impedans mikro-elektrocorticografi (mikro-ECoG) elektroder15. På trods af deres løfte, en mangel på skalerbare samling metoder har begrænset den udbredte vedtagelse af nanomaterialer til neurale interfacing elektroder. Kulstofbaserede nanomaterialer er typisk hydrofobiske og kræver således anvendelse af overfladeaktive stoffer16, supersyrer17eller overfladefunktionisering18 til at danne vandige dispersioner til opløsningsforarbejdningsmetoder, mens alternative metoder til fremstilling, såsom kemisk dampaflejring (CVD), typisk kræver høje temperaturer, som er uforenelige med mange polymere substrater19,20,21 ,22.
For nylig, en klasse af to-dimensionelle (2D) nanomaterialer, kendt som MXenes, er blevet beskrevet, som tilbyder en ekstraordinær kombination af høj ledningsevne, fleksibilitet, volumetrisk kapacitans, og iboende hydrofilicity, hvilket gør dem til en lovende klasse af nanomaterialer til neurale interfacing elektroder23. MXenes er en familie af 2D overgang metal carbidider og nitrides, som er mest almindeligt produceret ved selektivt ætsning A-elementet fra lagdelte prækursorer. Disse er typisk MAX faser med den generelle formel Mn +1AXn, hvor M er en tidlig overgang metal, A er en gruppe 12−16 element i det periodiske system, X er kulstof og / eller kvælstof, og n = 1, 2 eller 324. Todimensionale MXene flager har overflade-afslutning funktionelle grupper, der kan omfatte hydroxyl (−OH), ilt (−O) eller fluor (-F). Disse funktionelle grupper gør MXenes i sagens natur hydrofile og muliggøre fleksibel overflade modifikation eller funktionalisering. Af den store klasse af MXenes, Ti3C2 har været den mest omfattende undersøgt og karakteriseret25,26,27. Ti3C2 viser bemærkelsesværdigt højere volumetrisk kapacitans (1.500 F/cm3)28 end aktiveret grafen (~ 60−100 F/cm3)29, carbide-afledte kulstof (180 F/cm3)30, og grafen gel film (~ 260 F/cm3)31. Desuden viser Ti3C2 ekstremt høj elektronisk ledningsevne (~10.000 S/cm)32, og dens biokompatibilitet er blevet påvist i flere undersøgelser33,34,35,36. Den høje volumetriske kapacitans af Ti3C2 film er fordelagtigt for biologiske sensing og stimulation applikationer, fordi elektroder, der udviser kapacittær afgift overførsel kan undgå potentielt skadelige hydrolyse reaktioner.
Vores gruppe har for nylig vist fleksible, tyndfilm Ti3C2 mikroelektrode arrays, tilberedt ved hjælp af opløsningsbehandlingsmetoder, som er i stand til at registrere både mikro-elektrocorticography (mikro-ECoG) og intrakortikale neuronal spiking aktivitet in vivo med høj SNR36. Disse MXene elektroder viste signifikant reduceret impedans i forhold til størrelsesmatchede guld (Au) elektroder, som kan tilskrives den høje ledningsevne af MXene og det høje overfladeareal af elektroderne. I denne protokol beskriver vi de vigtigste trin til fremstilling af planar mikroelektrode arrays af Ti3C2 MXene på fleksible parylen-C substrater og udnytte dem in vivo til intraoperativ mikro-ECoG optagelse. Denne metode udnytter mXenes hydrofile karakter, hvilket gør det muligt at anvende opløsningsbehandlingsmetoder, der er enkle og skalerbare, uden at det kræver brug af overfladeaktive stoffer eller supersyrer for at opnå stabile vandige suspensioner. Denne nem procesbarhed kan muliggøre omkostningseffektiv produktion af MXene biosensorer i industriel skala, hvilket har været en væsentlig begrænsning for den udbredte anvendelse af udstyr baseret på andre kulstofnanomaterialer. Den vigtigste innovation inden for elektrodefabrikationen ligger i brugen af et offerpolymert lag til mikromønster af MXene efter spin-coating, en metode tilpasset fra litteratur om opløsningsforarbejdet poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrne sulfonat) (PEDOT:PSS) mikroelektroder37, men som ikke tidligere var blevet beskrevet for mønstering MXene. De ekstraordinære elektriske egenskaber af Ti3C2,kombineret med dens processability og 2D morfologi gør det til et meget lovende materiale til neurale grænseflader. Ti3C2 tilbyder især en vej til at overvinde den grundlæggende afvejning mellem elektrodegeometrisk område og elektrokemisk grænsefladeimpedans, en primær begrænsende faktor for mikroskalaelektrodeydelse. Derudover kan den fabrikationsprocedure, der er beskrevet i denne protokol, tilpasses til at producere MXene elektrodearrays af forskellig størrelse og geometri til forskellige optagelsesparadigmer og kan også nemt tilpasses til at inkorporere andre ledende trykfarver udover MXene.
MXene syntese og delamination procedure, der er beskrevet i denne protokol (HF / HCl / LiCl) blev bygget ud fra MILD ætsning tilgang, som anvendte en LiF / HCl (in situ HF) etchant medium26. MILD-metoden gør det muligt spontant at delaminere store Ti3C2 flager (flere μm i sidestørrelse) under vask, når pH ~5−6 er opnået. Sammenlignet med ætsning med HF alene, resulterer dette i materiale med højere kvalitet og forbedrede materialeegenskaber, såsom elektronisk ledni…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health (tilskud nr. R21-NS106434), Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, Mirowski Family Foundation og Neil og Barbara Smit (F.V.); National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (tilskud nr. DGE-1845298 til N.D. og B.M.); hærens forskningskontor (samarbejdsaftalenummer W911NF-18-2-0026 til K.M.) og af den amerikanske hær via Surface Science Initiative Program på Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 til Y.G. og K.M.). Dette arbejde blev udført delvist på Singh Center for Nanotechnology, som støttes af National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).
00-90 screw | McMaster-Carr | 90910A630 | Skull screw around which ground wire is wrapped |
128ch stimulation/recording controller | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes | Falcon | REF: 352076 | Used for washing |
18 position 0.5 mm pitch ZIF connector | Molex | 505110-1892 | Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board. |
18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage. |
3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Used for transferring etchant or MXene solutions |
50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube | Falcon | REF: 352070 | Used for washing and size selection |
Al etchant Type A | Transene | 060-0026000-QT | For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch. |
Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Used for MAX synthesis |
AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor. | |
Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure. |
Buprenorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia for rat surgery | |
Centrifuge | Hermle | Benchmark Z 446 | Used for washing and size selection |
Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthesia for rat surgery |
Drill burr | Fine Science Tools | 19007-07 | Burrs for drill |
Electric drill | Foredom | K.1070 | Micromotor drill for craniotomies |
Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker Company | Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
Ground wire | A-M Systems | 781500 | Bare silver wire |
Headspace Vial, glass | Supelco | REF: 27298 | Used for storing MXene solutions |
Hydrochloric acid (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosive; etchant material |
Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Etchant material |
Jupiter II RIE system | March Plasma Systems Inc. | Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system. | |
Kapton standard polyimide tape, 1/4" | DuPont | Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector. | |
Ketamine | Hospital of the Univ. of Penn. | Anesthesia for rat surgery | |
KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool. | |
Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous | Acros | CAS: 7447-41-8 | Hygroscopic; delamination material |
MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
Micro-90 cleaning solution | International Products Corporation | M-9050-12 | Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene |
NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices. |
Ophthalmic ointment | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | To prevent corneal drying during surgery |
Parylene deposition system | Specialty Coating Systems | Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C | |
Parylene-C dimer | Specialty Coating Systems | 980130-c-01lbe | Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices |
Photomasks (chrome on soda lime glass) | University of Pennsylvania | Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files. | |
Povidone-iodine solution | Medline | MDS093901 | To help prevent infection around scalp incision |
Printed Circuit Board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files. | |
RD6 Developer | Futurrex Inc. | RD6 Developer | Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure |
Reference 600 potentiostat | Gamry Instruments | Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices | |
Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning |
RHS2000 Stim SPI interface cable | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
RHS2116 amplifier board | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
Si wafers | Wafer World | 2885 | Substrate for fabrication |
Spin Coater | Cost Effective Equipment | For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters. | |
Stereotaxic frame | Kopf Instruments | Model 902 | For positioning the rat for neurosurgery |
Teflon-coated magnetic stir bar | Corning | REF: 1233W95 | Used to stir during etching and intercalation |
Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Used for MAX synthesis |
Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Used for MAX synthesis |
Ultrasonic bath sonicator | Reynolds Tech | For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals. | |
UV vis spectrophotometer | ThermoScientific | Evolution 201 | Used to determine concentration and observe absorption peak |
Zetasizer, Particle Size Analysis | Malvern Panalytical | Nano ZS | Used to determine particle lateral size distibution |