Kit de herramientas de código abierto: Matriz de microelectrodos de fibra de carbono de sobremesa para grabación nerviosa
Summary
Aquí, describimos la metodología de fabricación para matrices de electrodos de fibra de carbono personalizables para grabar in vivo en nervios y cerebro.
Abstract
Las sondas nerviosas periféricas convencionales se fabrican principalmente en una sala limpia, lo que requiere el uso de múltiples herramientas costosas y altamente especializadas. Este documento presenta un proceso de fabricación “ligero” de salas limpias de matrices de electrodos neuronales de fibra de carbono que puede ser aprendido rápidamente por un usuario de sala limpia sin experiencia. Este proceso de fabricación de matrices de electrodos de fibra de carbono requiere solo una herramienta de sala limpia, una máquina de deposición Parylene C, que se puede aprender rápidamente o subcontratar a una instalación de procesamiento comercial a un costo marginal. Este proceso de fabricación también incluye placas de circuito impreso de relleno manual, aislamiento y optimización de puntas.
Las tres optimizaciones de puntas diferentes exploradas aquí (láser Nd: YAG, soplete y láser UV) dan como resultado una gama de geometrías de punta e impedancias de 1 kHz, con fibras sopladas que resultan en la impedancia más baja. Si bien los experimentos anteriores han demostrado la eficacia del láser y el electrodo de soplete, este documento también muestra que las fibras cortadas con láser UV pueden registrar señales neuronales in vivo. Las matrices de fibra de carbono existentes no tienen electrodos individuados a favor de los paquetes o requieren guías fabricadas en salas limpias para la población y el aislamiento. Las matrices propuestas utilizan solo herramientas que se pueden usar en una mesa de trabajo para la población de fibra. Este proceso de fabricación de matrices de electrodos de fibra de carbono permite una rápida personalización de la fabricación de matrices a granel a un precio reducido en comparación con las sondas disponibles comercialmente.
Introduction
Gran parte de la investigación en neurociencia se basa en el registro de señales neuronales utilizando electrofisiología (ePhys). Estas señales neuronales son cruciales para comprender las funciones de las redes neuronales y los nuevos tratamientos médicos, como las interfaces de las máquinas cerebrales y los nervios periféricos1,2,3,4,5,6. La investigación en torno a los nervios periféricos requiere electrodos de grabación neuronal hechos a medida o disponibles comercialmente. Los electrodos de grabación neuronal, herramientas únicas con dimensiones a escala de micras y materiales frágiles, requieren un conjunto especializado de habilidades y equipos para fabricar. Se ha desarrollado una variedad de sondas especializadas para usos finales específicos; sin embargo, esto implica que los experimentos deben diseñarse en torno a sondas comerciales actualmente disponibles, o un laboratorio debe invertir en el desarrollo de una sonda especializada, que es un proceso largo. Debido a la amplia variedad de investigaciones neuronales en nervios periféricos, existe una gran demanda de una sonda ePhys versátil4,7,8. Una sonda ePhys ideal contaría con un sitio de grabación pequeño, baja impedancia9 y un precio financieramente realista para la implementación en un sistema3.
Los electrodos comerciales actuales tienden a ser electrodos extraneurales o de manguito (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), que se encuentran fuera del nervio, o intrafasciculares, que penetran en el nervio y se sientan dentro del fascículo de interés. Sin embargo, a medida que los electrodos del manguito se encuentran más lejos de las fibras, recogen más ruido de los músculos cercanos y otros fascículos que pueden no ser el objetivo. Estas sondas también tienden a constreñir el nervio, lo que puede conducir a la bioincrustación, una acumulación de células gliales y tejido cicatricial, en la interfaz del electrodo mientras el tejido sana. Los electrodos intrafasciculares (como LIFE12, TIME13 y Utah Arrays14) agregan el beneficio de la selectividad de fascículos y tienen buenas relaciones señal-ruido, lo cual es importante para discriminar señales para la interfaz de máquinas. Sin embargo, estas sondas tienen problemas con la biocompatibilidad, con nervios que se deforman con el tiempo3,15,16. Cuando se compran comercialmente, ambas sondas tienen diseños estáticos sin opción de personalización específica del experimento y son costosas para los laboratorios más nuevos.
En respuesta a los altos costos y problemas de biocompatibilidad presentados por otras sondas, los electrodos de fibra de carbono pueden ofrecer una vía para que los laboratorios de neurociencia construyan sus propias sondas sin la necesidad de equipos especializados. Las fibras de carbono son un material de grabación alternativo con un factor de forma pequeño que permite una inserción de bajo daño. Las fibras de carbono proporcionan una mejor biocompatibilidad y una respuesta cicatricial considerablemente menor que el silicio17,18,19 sin el procesamiento intensivo en salas limpias5,13,14. Las fibras de carbono son flexibles, duraderas, se integran fácilmente con otros biomateriales19 y pueden penetrar y registrar desde el nervio7,20. A pesar de las muchas ventajas de las fibras de carbono, muchos laboratorios encuentran ardua la fabricación manual de estas matrices. Algunos grupos21 combinan fibras de carbono en haces que colectivamente dan como resultado un diámetro mayor (~200 μm); sin embargo, hasta donde sabemos, estos haces no han sido verificados en nervio. Otros han fabricado matrices de electrodos de fibra de carbono individuadas, aunque sus métodos requieren guías de fibra de carbono fabricadas en salas limpias22,23,24 y equipos para poblar sus matrices17,23,24. Para abordar esto, proponemos un método de fabricación de una matriz de fibra de carbono que se puede realizar en la mesa de trabajo del laboratorio que permite modificaciones improvisadas. La matriz resultante mantiene puntas de electrodos individuadas sin herramientas especializadas de relleno de fibra. Además, se presentan múltiples geometrías para que coincidan con las necesidades del experimento de investigación. A partir de trabajos anteriores8,17,22,25, este documento proporciona metodologías detalladas para construir y modificar varios estilos de matrices manualmente con un tiempo mínimo de capacitación en salas limpias necesario.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sustituciones de materiales
Si bien todos los materiales utilizados se resumen en la Tabla de materiales, se requiere que muy pocos de los materiales provengan de proveedores específicos. La placa Flex Array debe provenir del proveedor enumerado, ya que son la única empresa que puede imprimir la placa flexible. El conector Flex Array también debe solicitarse al proveedor indicado, ya que es un conector propietario. El parileno C es muy recomendable como material aislante para las f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado financieramente por los Institutos Nacionales de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (UF1NS107659 y UF1NS115817) y la Fundación Nacional de Ciencias (1707316). Los autores reconocen el apoyo financiero de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan y el apoyo técnico del Centro de Caracterización de Materiales de Michigan y el Laboratorio de Pregrado Van Vlack. Los autores agradecen al Dr. Khalil Najafi por el uso de su láser Nd: YAG y a la Instalación de Nanofabricación Lurie por el uso de su máquina de deposición Parylene C. También nos gustaría agradecer a Specialty Coating Systems (Indianápolis, IN) por su ayuda en el estudio de comparación de recubrimientos comerciales.
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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