Open source Toolkit: Benchtop kulfiber mikroelektrode array til nerveoptagelse
Summary
Her beskriver vi fabrikationsmetode til tilpasselige kulfiberelektrodearrays til optagelse in vivo i nerve og hjerne.
Abstract
Konventionelle perifere nervesonder fremstilles primært i et renrum, hvilket kræver brug af flere dyre og højt specialiserede værktøjer. Dette papir præsenterer en renrum “lys” fabrikationsproces af kulfiber neurale elektrodearrays, der hurtigt kan læres af en uerfaren renrumsbruger. Denne kulfiberelektrodearrayfremstillingsproces kræver kun et renrumsværktøj, en Parylen C-aflejringsmaskine, der hurtigt kan læres eller outsources til et kommercielt forarbejdningsanlæg til marginale omkostninger. Denne fremstillingsproces inkluderer også håndudfyldning af printkort, isolering, og optimering af spidser.
De tre forskellige spidsoptimeringer, der udforskes her (Nd: YAG-laser, blæselampe og UV-laser), resulterer i en række spidsgeometrier og 1 kHz-impedanser, hvor blæseforvlede fibre resulterer i den laveste impedans. Mens tidligere eksperimenter har bevist laser- og blæselampelektrodeeffektivitet, viser dette papir også, at UV-laserskårne fibre kan optage neurale signaler in vivo. Eksisterende kulfiberarrays har enten ikke individuerede elektroder til fordel for bundter eller kræver renrumsfremstillede guider til befolkning og isolering. De foreslåede arrays bruger kun værktøjer, der kan bruges på en bordplade til fiberpopulation. Denne kulfiberelektrode array fremstillingsproces giver mulighed for hurtig tilpasning af bulk array fabrikation til en reduceret pris sammenlignet med kommercielt tilgængelige sonder.
Introduction
Meget af neurovidenskabsforskningen er afhængig af optagelse af neurale signaler ved hjælp af elektrofysiologi (ePhys). Disse neurale signaler er afgørende for at forstå funktionerne i neurale netværk og nye medicinske behandlinger såsom hjernemaskine og perifere nervegrænseflader1,2,3,4,5,6. Forskning omkring perifere nerver kræver specialfremstillede eller kommercielt tilgængelige neurale optagelseselektroder. Neurale optagelseselektroder – unikke værktøjer med mikronskala dimensioner og skrøbelige materialer – kræver et specialiseret sæt færdigheder og udstyr til fremstilling. En række specialiserede sonder er blevet udviklet til specifikke slutanvendelser; Dette indebærer imidlertid, at eksperimenter skal designes omkring aktuelt tilgængelige kommercielle sonder, eller et laboratorium skal investere i udviklingen af en specialiseret sonde, som er en langvarig proces. På grund af den brede vifte af neurale undersøgelser i perifer nerve er der stor efterspørgsel efter en alsidig ePhys-sonde4,7,8. En ideel ePhys-sonde ville have et lille optagelsessted, lav impedans9 og et økonomisk realistisk prispunkt for implementering i et system3.
Nuværende kommercielle elektroder har tendens til enten at være ekstraneurale eller manchetelektroder (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), som sidder uden for nerven eller intrafascikulære, som trænger ind i nerven og sidder inden for fascikel af interesse. Men da manchetelektroder sidder længere væk fra fibrene, opfanger de mere støj fra nærliggende muskler og andre fasciker, der måske ikke er målet. Disse sonder har også en tendens til at indsnævre nerven, hvilket kan føre til biofouling – en opbygning af gliaceller og arvæv – ved elektrodegrænsefladen, mens vævet heler. Intrafascikulære elektroder (såsom LIFE12, TIME13 og Utah Arrays14) tilføjer fordelen ved fascicle selektivitet og har gode signal-støj-forhold, hvilket er vigtigt for at diskriminere signaler til maskininterfaktion. Disse sonder har dog problemer med biokompatibilitet, hvor nerverne bliver deformeret over tid3,15,16. Når de købes kommercielt, har begge disse sonder statiske designs uden mulighed for eksperimentspecifik tilpasning og er dyre for nyere laboratorier.
Som reaktion på de høje omkostninger og biokompatibilitetsproblemer, der præsenteres af andre sonder, kan kulfiberelektroder tilbyde en vej for neurovidenskabslaboratorier til at bygge deres egne sonder uden behov for specialudstyr. Kulfibre er et alternativt optagelsesmateriale med en lille formfaktor, der muliggør indsættelse af lav skade. Kulfibre giver bedre biokompatibilitet og betydeligt lavere arrespons end silicium17,18,19 uden den intensive renrumsbehandling5,13,14. Kulfibre er fleksible, holdbare, let integrerede med andre biomaterialer19 og kan trænge igennem og optage fra nerve7,20. På trods af de mange fordele ved kulfibre finder mange laboratorier den manuelle fremstilling af disse arrays vanskelig. Nogle grupper21 kombinerer kulfibre i bundter, der tilsammen resulterer i en større (~ 200 μm) diameter; men så vidt vi ved, er disse bundter ikke blevet verificeret i nerve. Andre har fremstillet individuerede kulfiberelektrodearrays, selvom deres metoder kræver renrumsfremstillede kulfiberguider22,23,24 og udstyr til at udfylde deres arrays17,23,24. For at løse dette foreslår vi en metode til fremstilling af et kulfiberarray, der kan udføres på laboratoriebænken, der giver mulighed for improviserede ændringer. Det resulterende array opretholder individuelle elektrodespidser uden specialiserede fiberudfyldningsværktøjer. Derudover præsenteres flere geometrier for at matche forskningseksperimentets behov. Dette papir bygger på tidligere arbejde8,17,22,25 og indeholder detaljerede metoder til at opbygge og ændre flere stilarter af arrays manuelt med minimal renrumstræningstid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Materiale substitutioner
Mens alle anvendte materialer er opsummeret i tabellen over materialer, kræves det, at meget få af materialerne kommer fra bestemte leverandører. Flex Array-kortet skal komme fra den angivne leverandør, da de er det eneste firma, der kan udskrive det fleksible kort. Flex Array-connectoren skal også bestilles fra den angivne leverandør, da det er en proprietær connector. Parylen C anbefales stærkt som isoleringsmateriale til fibrene, da det giver en kon…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet økonomisk af National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 og UF1NS115817) og National Science Foundation (1707316). Forfatterne anerkender økonomisk støtte fra University of Michigan College of Engineering og teknisk støtte fra Michigan Center for Materials Characterization og Van Vlack Undergraduate Laboratory. Forfatterne takker Dr. Khalil Najafi for brugen af hans Nd: YAG-laser og Lurie Nanofabrication Facility for brugen af deres Parylen C-aflejringsmaskine. Vi vil også gerne takke Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) for deres hjælp i den kommercielle belægningssammenligningsundersøgelse.
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
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R., Horch, K., Kipke, D. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. , 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021)
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 – Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
