インビボニューラル記録のためのTi3C2 MXene微小電極アレイの作製
Summary
ここでは、Ti3C2 MXene微小電極アレイを作製し、インビボのニューラル記録に利用する方法について説明する。
Abstract
埋め込み型微小電極技術は、脳疾患や傷害の神経基盤のより深い理解を得るために、マイクロスケールで神経ダイナミクスを解明するために広く使用されてきました。電極が個々のセルのスケールに合わせて小型化されると、インターフェイスインピーダンスの対応する上昇は、記録された信号の品質を制限します。さらに、従来の電極材料は硬く、電極と周囲の脳組織との間に著しい機械的ミスマッチをもたらし、最終的にはデバイス性能の低下をもたらす炎症反応を引き起こす。これらの課題に対処するために、我々はTi3C2 MXene、非常に高い体積容量、電気伝導率、表面機能性、および水分散液中の加工性を有する最近発見されたナノ材料に基づいて柔軟な微小電極を製造するプロセスを開発しました。Ti3C2 MXene微小電極の柔軟なアレイは、Ti3C2 MXeneフィルムの高い導電率と高比表面積のために著しく低いインピーダンスを有し、ニューロン活性を記録するために絶妙に敏感であることが証明されている。このプロトコルでは、柔軟なポリマー基板上の微小電極アレイにTi3C2 MXeneをマイクロパターニングする新しい方法を説明し、インビボマイクロコココココロコグラフィー記録の使用を概説する。この方法は、バイオエレクトロニクスの他の用途の範囲のために任意のサイズまたは幾何学的なMXene電極アレイを作成するために容易に拡張することができ、それはまた、Ti3C2 MXene以外の他の導電性インクとの使用のために適合させることができる。このプロトコルは、溶液ベースの導電性インクからの微小電極の単純でスケーラブルな製造を可能にし、特に親水性Ti3C2 MXeneのユニークな特性を利用して、高忠実度神経微小電極に対するカーボンベースのナノ材料の広範な採用を長い間妨げてきた多くの障壁を克服することを可能にする。
Introduction
神経回路の根底にある基本的なメカニズムを理解し、そのダイナミクスが疾患や傷害でどのように変化するかを理解することは、幅広い神経学的および神経筋的疾患に対する効果的な治療法を開発するための重要な目標です。微細な空間的および時間的スケールの神経動態を解明するために、微小電極技術が広く用いられてきた。しかし、マイクロスケール電極から高い信号対雑音比(SNR)で安定した記録を得ることが特に困難であることが証明されています。電極の寸法が細胞規模に近づくように小さくなるにつれて、対応する電極インピーダンスの上昇は信号品質を低下させる1。さらに、従来のシリコンおよび金属電子材料で構成される剛性電極が神経組織に大きな損傷と炎症を引き起こし、長期記録2、3、4、5の有用性が制限されることを多くの研究が示している。これらの事実を踏まえ、電極組織界面インピーダンスを低減し、柔らかく柔軟なフォームファクターに組み込むことができる新しい材料を用いた微小電極の開発に大きな関心が寄せられています。
電極組織界面インピーダンスを低減するための一般的な方法の1つは、細胞外流体中のイオン種が電極と相互作用できる領域、または電極の「有効表面積」を増加させることである。これはナノパターン化6、表面粗化7、または多孔質添加剤8、9で電気めっきによって達成することができる。ナノ材料は、本質的に高い比表面積と有利な電気的および機械的特性10のユニークな組み合わせを提供するため、この分野で大きな注目を集めています。例えば、カーボンナノチューブは電極インピーダンス11,12,13を著しく低減するコーティングとして用いられてきたが、酸化グラフェンは柔らかく柔軟な自由自立型プローブ電極14に加工されており、レーザー熱分解性多孔質グラフェンは柔軟性のある低インピーダンスマイクロコーコリチ法(micro-ECoG)電極15に利用されている。彼らの約束にもかかわらず、スケーラブルな組み立て方法の欠如は、神経界面電極のためのナノ材料の広範な採用を制限している。特に炭素系ナノ材料は、典型的には疎水性であり、したがって、界面活性剤16、スーパーアシッド17、または表面官能化18を使用して溶液処理製造方法のための水性分散液を形成する必要がある一方、化学気相成長(CVD)などの代替製造方法は、通常、多くのポリマー基板19、20、21と互換性のない高温を必要とする、22.
近年、MXenesとして知られる2次元(2D)ナノ材料のクラスは、高い導電性、柔軟性、体積容量、および固有の親水性の例外的な組み合わせを提供する、それらに神経界面電極23のためのナノ材料の有望なクラスを作る説明されている。MXenesは、層状前駆体からA元素を選択的にエッチングすることによって最も一般的に産生される2D遷移金属炭化物および窒化物のファミリーである。これらは通常、一般式Mn+1AXnを有するMAX相であり、ここでMは初期遷移金属であり、Aは周期表の12−16族元素であり、Xは炭素および/または窒素であり、n=1、2、または324である。2 次元 MXene フレークには、ヒドロキシル(−OH)、酸素(-O)、またはフッ素(-F)を含む表面終端機能基があります。これらの官能基は、MXenesを本質的に親水性にし、柔軟な表面修飾または機能化を可能にする。MXenesの大きなクラスのうち、Ti3C2は最も広範に研究され、特徴付けられる25、26、27である。Ti3C2は、活性グラフェン(〜60-100F/cm3)29、炭化物由来炭素(180F/cm 3)、およびグラフェンゲルフィルム(約260F/cm3)よりも著しく高い体積容量(1,500 F/cm3)28を示す。 さらに、Ti3C2は、極めて高い電子伝導性(〜10,000S/cm)32を示し、その生体適合性は、いくつかの研究33、34、35、36において実証されている。容量性電荷移動を示す電極は潜在的に有害な加水分解反応を回避できるため、Ti3C2フィルムの高い体積容量は、生物学的センシングおよび刺激用途に有利である。
我々のグループは最近、高いSNR36を有する生体内でマイクロココチコグラフィー(micro-ECoG)および皮質内皮質スパイク活性の両方を記録することができる溶液処理方法を用いて調製した柔軟な薄膜Ti3C2微小電極アレイを実証した。これらのMXene電極は、MXeneの高い導電率および電極の高い表面積に起因することができるサイズマッチ金(Au)電極と比較して有意に減少したインピーダンスを示した。このプロトコルでは、柔軟なパリレン-C基板上にTi3C2 MXeneの平面微小電極アレイを製造し、それらをインビボで手術中のマイクロECoG記録に利用するための重要なステップについて説明する。この方法は、MXeneの親水性を利用し、安定した水性懸濁液を達成するために界面活性剤またはスーパーアシッドの使用を必要としない一方で、シンプルでスケーラブルな溶液処理方法の使用を可能にする。この加工性の容易さは、工業的規模でのMXeneバイオセンサーの費用対効果の高い生産を可能にする可能性があり、これは他のカーボンナノ材料に基づくデバイスの広範な採用に大きな限界となっています。電極製造における重要な革新は、スピンコーティング後にMXeneをマイクロパターン化する犠牲ポリマー層の使用にある、溶液処理ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):poly(スチレンスルホン酸塩)(PEDOT:PSS)微小電極37に関する文献から適応された方法であるが、MXeneのパターン化についてはこれまで説明されていなかった。Ti3C2の優れた電気的特性は、その加工性と2D形態と相まって、神経インターフェースにとって非常に有望な材料です。特に、Ti3C2は、微小規模電極性能の主要な制限要因である電極幾何学的領域と電気化学的界面インピーダンスの間の基本的なトレードオフを克服するためのルートを提供します。さらに、このプロトコルで説明する製造手順は、異なる記録パラダイムのための様々なサイズおよび幾何学的形状のMXene電極アレイを生成するために適合することができ、また、MXene以外の他の導電性インクを組み込むために容易に適合させることができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコル(HF/HCl/LiCl)に記載のMXene合成および剥離手順は、LiF/HCl(in situ HF)エチャント培地26を採用したMILDエッチングアプローチから構築された。MILDアプローチは、pH〜5-6が達成された後、大きなTi3C2フレーク(横サイズで数μm)を洗浄中に自然に剥離することを可能にする。HF単体でエッチングする場合と比べて、電子伝導性や化学的安定性など、高品質で?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、国立衛生研究所によってサポートされました (助成金いいえ.R21-NS106434)、てんかんテイクフライト賞の研究のための市民連合、ミロフスキファミリー財団とニールとバーバラスミット(F.V.);国立科学財団大学院研究フェローシップ・プログラム(助成金無し)DGE-1845298からN.D.とB.M.へ);陸軍研究事務所(協力協定番号W911NF-18-2-0026からK.M.へ);エッジウッド化学生物センターの表面科学イニシアチブプログラム(PE 0601102AプロジェクトVR9からY.G.とK.M.)を介してアメリカ陸軍によって。この研究は、国立科学財団国立科学財団国立ナノテクノロジー協調インフラプログラム(NNCI-1542153)の支援を受けたシンナノテクノロジーセンターで部分的に行われました。
Materials
| 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 |
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