오픈 소스 툴킷: 신경 기록을 위한 벤치탑 탄소 섬유 마이크로전디 어레이
Summary
여기서는 신경과 뇌 에서 생체 내에서 기록하기 위한 맞춤형 탄소 섬유 전극 어레이를 위한 제조 방법론을 설명합니다.
Abstract
기존의 말초 신경 프로브는 주로 클린룸에서 제작되어 여러 개의 고가의 고도로 특수화된 공구를 사용해야 합니다. 이 백서는 미숙한 클린룸 사용자가 신속하게 학습할 수 있는 탄소 섬유 신경 전극 어레이의 클린룸 “빛” 제조 공정을 제시합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제작 공정에는 한계 비용으로 상업 처리 시설에 신속하게 학습하거나 아웃소싱 할 수있는 하나의 클린룸 도구 인 Parylene C 증착 기계가 필요합니다. 이 제조 프로세스에는 수동 채우기 인쇄 회로 기판, 절연 및 팁 최적화가 포함됩니다.
여기서 탐구한 세 가지 팁 최적화(Nd:YAG 레이저, 블로토치 및 UV 레이저)는 다양한 팁 지오메트리와 1kHz 임피던스를 생성하며, 불발섬유가 가장 낮은 임피던스를 생성합니다. 이전 실험은 레이저와 블로토치 전극 효능을 입증했지만,이 논문은 또한 UV 레이저 절단 섬유가 생체 내에서 신경 신호를 기록 할 수 있음을 보여줍니다. 기존 탄소 섬유 배열은 번들에 찬성하여 전극을 열수 하지 않거나 인구 및 절연을 위해 클린룸 조작 가이드가 필요합니다. 제안된 배열은 섬유 채우기의 벤치탑에서 사용할 수 있는 도구만 사용합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제조 공정을 통해 상용 프로브에 비해 가격이 낮아지며 벌크 어레이 제작을 신속하게 사용자 정의할 수 있습니다.
Introduction
신경 과학 연구의 대부분은 전기 생리학 (ePhys)을 사용하여 신경 신호를 기록하는 데 의존합니다. 이 신경 신호는 신경망및 두뇌 기계 및 말초 신경 인터페이스와 같은 새로운 의학 처리의 기능을 이해하는 데 중요합니다1,2,3,4,5,6. 말초 신경을 둘러싼 연구는 사용자 정의 또는 시판 적으로 사용할 수있는 신경 기록 전극을 필요로한다. 미크론 스케일 치수와 깨지기 쉬운 재료가 있는 신경 기록 전극 고유 도구는 특수 한 기술과 장비를 필요로 합니다. 특정 종단 용도로 다양한 특수 프로브가 개발되었습니다. 그러나 이는 현재 사용 가능한 상용 프로브를 중심으로 실험을 설계해야 하거나 실험실이 장시간 진행되는 전문 프로브 개발에 투자해야 한다는 것을 의미합니다. 말초 신경에서 신경 연구의 다양 한 다양 한 때문에, 다재 다능 한 ePhys 프로브에 대 한 높은 수요가 있다4,7,8. 이상적인 ePhys 프로브는 작은 녹음 사이트, 낮은 임피댄스9, 시스템의 구현을위한 재정적으로 현실적인 가격 포인트를 특징으로합니다3.
현재 상용 전극은 신경 외부에 앉아 있는 신경 신경또는 커프 전극(신경 커프스 전극111)이거나 신경을 관통하고 관심있는 근막 안에 앉는 근해 내의 경향이 있습니다. 그러나 커프 전극이 섬유에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 근처의 근육과 대상이 아닐 수 있는 다른 매심에서 더 많은 소음을 냅니다. 이 프로브는 또한 신경을 수축하는 경향이, 이는 신경교 세포의 biofouling-a 형성으로 이어질 수 있습니다 및 흉터 조직-조직이 치유 하는 동안 전극 인터페이스에서. 내막 전극(예: LIFE12, TIME13 및 유타 Arrays14)은 근심 선택성의 이점을 더하고 장비 인터페이싱을 위한 신호를 분리하는 데 중요한 신호 대 잡음 비율이 양호합니다. 그러나, 이 탐사선은 시간이 지남에 따라 변형되는 신경과 함께 생체 적합성에 문제가 있습니다3,15,16. 상업적으로 구입하면 이 두 프로브 모두 실험별 사용자 지정옵션이 없는 정적 설계를 가지고 있으며 새로운 실험실에서 비용이 많이 듭니다.
다른 프로브가 제시한 높은 비용 및 생체 적합성 문제에 대응하여 탄소 섬유 전극은 특수 장비 없이 자체 프로브를 구축하기 위한 신경 과학 실험실을 위한 길을 제공할 수 있습니다. 탄소 섬유는 낮은 손상 삽입을 허용하는 작은 폼 팩터를 가진 대체 기록 재료입니다. 탄소 섬유는 집중적인 클린룸 처리 없이 실리콘17,18,19보다 생체 적합성이 우수하고 흉터 반응이 상당히 낮습니다5,13,14. 탄소 섬유는 유연하고 내구성이 뛰어나며 다른 생체 재료와 쉽게 통합할 수 있으며 신경7,20에서 침투하고 기록 할 수 있습니다. 탄소 섬유의 많은 장점에도 불구하고, 많은 실험실은 이러한 배열의 수동 제작이 힘들다고 합니다. 일부 그룹21은 탄소 섬유를 번들에 결합하여 전체적으로 더 큰 (~200 μm) 직경을 초래합니다. 그러나, 우리의 지식에, 이러한 번들은 신경에서 확인되지 않았습니다. 다른 사람들은 분산 된 탄소 섬유 전극 배열을 제작했지만, 그 방법은 클린룸 제작 탄소 섬유 가이드22,23,24 및 장비가 필요합니다17,23,24. 이를 해결하기 위해 실험실 벤치탑에서 수행할 수 있는 탄소 섬유 어레이를 제작하여 즉석 수정을 가능하게 합니다. 그 결과 어레이는 특수 섬유 채우기 도구 없이 분산된 전극 팁을 유지합니다. 또한 연구 실험의 요구에 맞게 여러 형상이 제공됩니다. 이전 작업에서 건물8,17,22,25, 이 문서는 필요한 최소한의 클린룸 교육 시간을 사용하여 수동으로 배열의 여러 스타일을 구축하고 수정하는 상세한 방법을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
재료 대체
사용된 모든 자료는 재료 표에 요약되어 있지만 특정 공급업체에서 나오는 재료는 거의 없습니다. Flex Array 보드는 유연한 보드를 인쇄할 수 있는 유일한 회사이기 때문에 나열된 공급업체에서 제공해야 합니다. Flex Array 커넥터는 독점 커넥터이므로 나열된 공급업체에서 주문해야 합니다. Parylene C는 섬유의 절연 재료로서 실온에서 상온에서 콘단형 코팅을 제…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 국가 신경 장애 및 뇌졸중 연구소 (UF1NS107659 및 UF1NS115817)와 국립 과학 재단 (1707316)에 의해 재정적으로 지원되었습니다. 저자는 미시간 공과 대학의 재정 지원과 미시간 재료 특성화 센터와 반 발랙 학부 실험실의 기술 지원을 인정합니다. 저자는 자신의 Nd: YAG 레이저와 그들의 Parylene C 증착 기계의 사용에 대 한 Lurie 나노 제조 시설의 사용에 대 한 칼릴 나자피 박사감사. 우리는 또한 상용 코팅 비교 연구에서 그들의 도움에 대한 특수 코팅 시스템 (인디애나 폴리스, IN)에 감사드립니다.
Materials
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
Riferimenti
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