Инструментарий с открытым исходным кодом: настольный микроэлектрод из углеродного волокна для записи нервов
Summary
Здесь мы описываем методологию изготовления настраиваемых электродных массивов из углеродного волокна для записи in vivo в нерве и мозге.
Abstract
Обычные зонды периферических нервов в основном изготавливаются в чистой комнате, требующей использования нескольких дорогостоящих и узкоспециализированных инструментов. В этой статье представлен «легкий» процесс изготовления матриц нейронных электродов из углеродного волокна, который может быть быстро изучен неопытным пользователем чистой комнаты. Этот процесс изготовления электродных массивов из углеродного волокна требует только одного инструмента для чистых помещений, машины для осаждения парилена C, которая может быть быстро изучена или передана на аутсорсинг коммерческому перерабатывающему предприятию по предельным ценам. Этот процесс изготовления также включает в себя ручную установку печатных плат, изоляцию и оптимизацию наконечников.
Три различные оптимизации наконечников, рассмотренные здесь (лазер Nd: YAG, паяльная лампа и УФ-лазер), приводят к диапазону геометрии наконечника и импедансам 1 кГц, причем волокна паяльной лампы приводят к наименьшему импедансу. В то время как предыдущие эксперименты доказали эффективность электродов лазера и паяльной лампы, эта статья также показывает, что волокна ультрафиолетовой лазерной резки могут записывать нейронные сигналы in vivo. Существующие массивы из углеродного волокна либо не имеют индивидуализированных электродов в пользу пучков, либо требуют изготовленных в чистых помещениях направляющих для населения и изоляции. Предлагаемые массивы используют только инструменты, которые могут быть использованы на столешнице для популяции волокон. Этот процесс изготовления электродов из углеродного волокна позволяет быстро настраивать объемное изготовление массива по сниженной цене по сравнению с коммерчески доступными зондами.
Introduction
Большая часть исследований в области неврологии опирается на запись нейронных сигналов с использованием электрофизиологии (ePhys). Эти нейронные сигналы имеют решающее значение для понимания функций нейронных сетей и новых медицинских методов лечения, таких как мозговая машина и периферические нервные интерфейсы1,2,3,4,5,6. Исследования, связанные с периферическими нервами, требуют изготовленных на заказ или коммерчески доступных нейронных регистрирующих электродов. Нейронные регистрирующие электроды — уникальные инструменты с микронными размерами и хрупкими материалами — требуют специализированного набора навыков и оборудования для изготовления. Были разработаны различные специализированные зонды для конкретных конечных целей; однако это означает, что эксперименты должны разрабатываться вокруг имеющихся в настоящее время коммерческих зондов, или лаборатория должна инвестировать в разработку специализированного зонда, что является длительным процессом. Из-за широкого разнообразия нейронных исследований в периферических нервах существует высокий спрос на универсальный зонд ePhys4,7,8. Идеальный зонд ePhys должен иметь небольшой сайт записи, низкое сопротивление9 и финансово реалистичную цену для реализации в системе3.
Современные коммерческие электроды, как правило, являются либо вненейронными, либо манжетными электродами (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), которые находятся вне нерва, либо внутрифасцикулярными, которые проникают в нерв и сидят внутри интересующей фасцикулы. Однако, поскольку манжеты электроды находятся дальше от волокон, они улавливают больше шума от близлежащих мышц и других фасцикул, которые могут не быть мишенью. Эти зонды также имеют тенденцию сжимать нерв, что может привести к биообрастанию – накоплению глиальных клеток и рубцовой ткани – на границе раздела электрода, в то время как ткань заживает. Внутрифасцикулярные электроды (такие как LIFE12, TIME13 и Utah Arrays14) добавляют преимущество селективности фасцикул и имеют хорошее отношение сигнал/шум, что важно для распознавания сигналов для взаимодействия машины. Тем не менее, эти зонды имеют проблемы с биосовместимостью, когда нервы деформируются с течением времени3,15,16. При покупке на коммерческой основе оба этих зонда имеют статические конструкции без возможности настройки для конкретного эксперимента и являются дорогостоящими для новых лабораторий.
В ответ на высокую стоимость и проблемы биосовместимости, представленные другими зондами, электроды из углеродного волокна могут предложить лабораториям неврологии возможность создавать свои собственные зонды без необходимости в специализированном оборудовании. Углеродные волокна являются альтернативным записывающим материалом с небольшим форм-фактором, который позволяет вставлять с низким уровнем повреждения. Углеродные волокна обеспечивают лучшую биосовместимость и значительно более низкий отклик рубцов, чем кремний17,18,19 без интенсивной обработки в чистых помещениях5,13,14. Углеродные волокна являются гибкими, долговечными, легко интегрируются с другими биоматериалами19 и могут проникать и записывать из нерва7,20. Несмотря на многие преимущества углеродных волокон, многие лаборатории считают ручное изготовление этих массивов трудным. Некоторые группы21 объединяют углеродные волокна в пучки, которые в совокупности приводят к большему (~200 мкм) диаметру; однако, насколько нам известно, эти пучки не были проверены в нервах. Другие изготовили индивидуальные электродные решетки из углеродного волокна, хотя их методы требуют изготовленных из чистых помещений направляющих из углеродного волокна22,23,24 и оборудования для заполнения их массивов17,23,24. Чтобы решить эту проблему, мы предлагаем метод изготовления массива из углеродного волокна, который может быть выполнен на лабораторной столешнице, что позволяет проводить импровизированные модификации. Полученный массив поддерживает индивидуальные наконечники электродов без специализированных инструментов для заполнения волокон. Кроме того, представлены несколько геометрий, чтобы соответствовать потребностям исследовательского эксперимента. Основываясь на предыдущих работах8,17,22,25, в этом документе представлены подробные методологии построения и изменения нескольких стилей массивов вручную с минимальным временем обучения в чистых помещениях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Замены материалов
Хотя все используемые материалы обобщены в Таблице материалов, очень немногие из материалов должны поступать от конкретных поставщиков. Плата Flex Array должна поступать от указанного поставщика, поскольку они являются единственной компанией, котора…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была финансово поддержана Национальными институтами неврологических расстройств и инсульта (UF1NS107659 и UF1NS115817) и Национальным научным фондом (1707316). Авторы признают финансовую поддержку со стороны Инженерного колледжа Мичиганского университета и техническую поддержку со стороны Мичиганского центра характеристик материалов и Лаборатории бакалавриата Ван Влака. Авторы благодарят д-ра Халила Наджафи за использование его лазера Nd:YAG и nanofabrication Facility Lurie за использование их машины для осаждения parylene C. Мы также хотели бы поблагодарить Specialty Coating Systems (Индианаполис, штат Индиана) за помощь в сравнительном исследовании коммерческих покрытий.
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 |
References
- 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).
