Werkzeuge zur Oberflächenbehandlung von siliziumplanaren intrakortikalen Mikroelektroden

Summary

Das vorliegende Protokoll beschreibt Werkzeuge für die Handhabung von planaren intrakortikalen Mikroelektroden aus Silizium während der Behandlung zur Oberflächenmodifikation durch Gasabscheidung und wässrige Lösungsreaktionen. Die Montage der Komponenten, die für die Handhabung der Geräte während des gesamten Verfahrens verwendet werden, wird ausführlich erläutert.

Abstract

Intrakortikale Mikroelektroden haben ein großes therapeutisches Potenzial. Sie werden jedoch mit einer signifikanten Leistungsminderung nach bescheidenen Implantationsdauern konfrontiert. Ein wesentlicher Faktor für den beobachteten Rückgang ist die Schädigung des Nervengewebes proximal zum Implantat und die anschließende neuroinflammatorische Reaktion. Zu den Bemühungen zur Verbesserung der Langlebigkeit des Geräts gehören chemische Modifikationen oder Beschichtungsanwendungen an der Geräteoberfläche, um die Gewebereaktion zu verbessern. Die Entwicklung solcher Oberflächenbehandlungen erfolgt typischerweise mit nicht-funktionalen “Dummy” -Sonden, denen die für die beabsichtigte Anwendung erforderlichen elektrischen Komponenten fehlen. Die Translation zu funktionalen Bauelementen erfordert angesichts der Zerbrechlichkeit intrakortikaler Mikroelektrodenarrays zusätzliche Überlegungen. Die Handhabung von Werkzeugen erleichtert die Oberflächenbehandlung von montierten Geräten erheblich, insbesondere bei Modifikationen, die lange Verfahrenszeiten erfordern. Die hier beschriebenen Handhabungswerkzeuge werden für Oberflächenbehandlungen verwendet, die durch Gasphasenabscheidung und wässrige Lösungsexposition angewendet werden. Die Charakterisierung der Beschichtung erfolgt mittels Ellipsometrie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Ein Vergleich von Aufzeichnungen der elektrischen Impedanzspektroskopie vor und nach dem Beschichtungsverfahren an Funktionsgeräten bestätigte die Geräteintegrität nach Modifikation. Die beschriebenen Werkzeuge können leicht für alternative Elektrodenvorrichtungen und Behandlungsmethoden angepasst werden, die die chemische Kompatibilität aufrechterhalten.

Introduction

Neuroprothesen zielen darauf ab, beeinträchtigte oder fehlende sensorische und motorische Fähigkeiten in einer Vielzahl von Patientenpopulationen wiederherzustellen, einschließlich solcher mit Rückenmarksverletzungen, Amyotropher Lateralsklerose (ALS), Zerebralparese und Amputationen ^1,2,3. Intracortische Mikroelektroden (IMEs) können einen Kommunikationsweg zwischen kortikalen Neuronen und den Geräten zur Steuerung der Neuroprothetik herstellen. Ein deutlicher Vorteil von intrakortikalen Mikroelektroden ist ihre Fähigkeit, neuronale Signale mit der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung aufzuzeichnen, was für die anschließende Signalverarbeitung und Steuerung von Gehirn-Computer-Schnittstellen^{bevorzugt wird 4,5.} Leider nimmt die Leistung intrakortikaler Mikroelektroden innerhalb von Monaten auf ein Jahr nach der Implantation dramatisch ab 2,6,7,8. Der Verlust der Signalqualität und -stabilität wirkt sich negativ auf die Anwendung der Technologie aus.

Ein wesentlicher Faktor für den beobachteten Leistungsabfall ist die biotische Reaktion auf implantationsbedingte Gewebeschäden und chronische Neuroinflammation ^9,10,11. Die Implantation von IMEs fügt dem Hirngewebe Schäden zu, was zur Freisetzung von Signalmolekülen führt, die Kaskaden reaktionärer zellulärer Abwehrprozesse auslösen. Chronische Schnittstellen verschlimmern die Fremdkörperreaktion, was zu einer anhaltenden Neuroinflammation führt, die das Gewebe proximal zum Gerät schädigt; Oft als Symptome von Neuroinflammation, Narbenbildung und lokaler Neurodegeneration erkannt, die zum Rückgang der Aufzeichnung der Signalqualität beitragen^12,13,14,15. Die Narbe, die die Elektrode einkapselt, besteht aus einem dichten Konglomerat von Astrozyten mit mitgerissenen aktivierten Mikroglia und Makrophagen und erzeugt eine ungünstige lokale Umgebung mit reduziertem Materialtransport und lokaler Ansammlung von Entzündungsfaktoren^{16,15,16,17,18}.

Viele Studien haben die Reaktion des Gehirns auf intrakortikale Mikroelektroden oder Ansätze zur Abschwächung der Reaktion⁷ beschrieben. Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Gewebereaktion umfassten eine Reihe von Strategien, einschließlich Modifikationen der Gesamtstruktur, der Oberflächentopologie, der Materialien und der Beschichtungsauftragung. Diese Bemühungen zielen darauf ab, Schäden durch das Implantationsereignis zu minimieren, eine günstigere Schnittstelle zwischen dem Gerät und proximalen Zellen einzuführen oder die Gewebebelastung nach der Implantation von Geräten zu reduzieren⁷. Methoden, die speziell auf die chronische biologische Reaktion abzielen, haben zu mehreren bioaktiven Beschichtungen geführt, die darauf abzielen, die Implantationsstelle zu stabilisieren und die Zellgesundheit chemisch zu fördern. Beispiele hierfür sind leitfähige Polymere wie Poly(ethylendioxythiophen) (PEDOT)^19,20, Kohlenstoffnanoröhren 21, Hydrogele 22 und die Zugabe von bioaktiven Molekülen und Medikamenten zur Ausrichtung auf spezifische zelluläre Prozesse^23,24,25. Insbesondere unsere Forschungsgruppe hat viele Mechanismen untersucht, um eine Verringerung der Entzündungsreaktion auf implantierte Mikroelektroden zu fördern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Minimierung des mit der Geräteimplantation verbundenen Traumas²⁶, die Minimierung der Geräte- / Gewebesteifigkeitsabweichung 27,28,29,30,31,32,33^, die Optimierung der Sterilisation Verfahren 34,35, Reduzierung von oxidativem Stress/Schaden 28,36,37,38,39,40,41,42, Erforschung alternativer Elektrodenmaterialien 43 und Nachahmung der Nanoarchitektur der natürlichen extrazellulären Matrix ^44,45,46 . Neuestes Interesse gilt der Entwicklung biomimetischer Oberflächenbeschichtungen zur Abschwächung der neuroinflammatorischen Reaktion an der Mikroelektrodengewebe-Grenzfläche^{direkt 39}.

Die Modifikation der Schnittstelle bietet den einzigartigen Vorteil, dass sie direkt auf die Wunde und das proximale Gewebe abzielt, die für die Signalaufzeichnung erforderlich sind. Eine Oberflächenbehandlung, die die Heilung fördert, ohne die Immunantwort zu verschlimmern, kann die Lebensdauer der Qualitätsaufzeichnung verbessern und Einschränkungen bei der Realisierung des therapeutischen und Forschungspotenzials intrakortikaler Mikroelektroden beseitigen. Die vorgestellte Arbeit beschreibt Methoden zur Anwendung von Oberflächenbehandlungen auf Mikroelektrodenarrays, die verlängerte Reaktionszeiten erfordern und gleichzeitig die Zerbrechlichkeit der Geräte berücksichtigen. Die vorgestellte Technik zielt darauf ab, Oberflächenmodifikationsmethoden mit funktionellen Geräten zu teilen, bei denen das Gerät nicht während der gesamten Behandlungsanwendung gehandhabt werden kann. Die Werkzeuge werden für die Handhabung von nicht-funktionalen Dummy-Sonden und funktionalen planaren Mikroelektrodenarrays aus Silizium vorgestellt.

Der vorgestellte Ansatz zur Modifikation der Elektrodenoberfläche ermöglicht die sichere Suspension von nicht-funktionalen Dummy-Sonden oder funktionellen planaren Silizium-Elektrodenarrays für die Gasphasenabscheidung und -reaktion mit wässrigen Lösungen. Für die Handhabung dieser zerbrechlichen Geräte werden mehrere 3D-gedruckte Teile verwendet (Abbildung 1 und Abbildung 2). Ein Beispiel für ein Verfahren, das sowohl Gas- als auch Lösungsphasenschritte für die Oberflächenmodifikation mit einer antioxidativen Beschichtung verwendet, die die Immobilisierung von Mn(III)tetrakis (4-Benzoesäure)-Porphyrin (MnTBAP) beinhaltet. MnTBAP ist ein synthetisches Metalloporphyrin, das antioxidative Eigenschaften mit nachgewiesener Entzündungsmediation^47,48 besitzt. Das bereitgestellte Beispiel für funktionale planare Siliziumelektrodenarrays validiert eine Aktualisierung eines zuvor gemeldeten Protokolls für nicht funktionsfähige Bauelemente⁴⁰. Die Adaption einer Gasphasenabscheidungstechnik von Munief et al. unterstützt die Kompatibilität des Protokolls mit Funktionselektroden⁴⁹. Die Gasphasenabscheidung wird verwendet, um die Oberfläche in Vorbereitung auf die wässrige Reaktion mit Carbodiimid-Vernetzerchemie zur Immobilisierung des aktiven MnTBAP zu funktionalisieren. Die hier entwickelte Handhabungsmethodik wird als Plattform bereitgestellt, die modifiziert werden kann, um andere Beschichtungen und ähnliche Geräte aufzunehmen.

Das Protokoll veranschaulicht den Ansatz unter Verwendung von nicht-funktionalen Dummy-Sonden, die einen Siliziumschaft und eine 3D-gedruckte Lasche mit ähnlichen Abmessungen wie die funktionalen planaren Silizium-Elektrodenarrays umfassen. Die Steckerverpackung des Geräts wird analog zur 3D-gedruckten Lasche der nicht funktionsfähigen Dummy-Sonde in der mitgelieferten Anleitung betrachtet.

Abbildung 1: 3D-gedruckte Teile für die Handhabung von Funktionsgeräten während der Gasphasenabscheidung in einem Vakuum-Exsikkator. (A) Die Basis der Struktur umfasst Halter für 1 cm x 1 cm große Siliziumquadrate (oberer Pfeil) und Löcher zur Befestigung an der Exsikkatorplatte (unterer Pfeil). (B) Die Platte dient zur Sicherung der Aufhängung von Einrichtungen. Von nun an wird jedes Stück in dieser Abbildung entweder als Stück 1A oder 1B bezeichnet. Maßstabsleiste = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: 3D-gedruckte Teile für die Handhabung von Funktionsgeräten für die in der wässrigen Lösung auftretende Oberflächenreaktion. (A) Führungsstück, das auf den Deckel der Kulturplatte geklebt werden soll. (B) Tischstücke, die zur Stabilisierung von Teilen (C) und (D) während der Montage verwendet werden. (C) und (D) sichern zusammen die Aufhängung von Vorrichtungen für die Platzierung in der Bohrlochplatte und (E) befestigen die Teile (C) und (D) weiter am Deckel der Bohrlochplatte. Von nun an werden einzelne Stücke in jeder Tafel dieser Abbildung als Stücknummern bezeichnet, die der Plattennummer dieser Abbildung entsprechen. Maßstabsleiste = 1 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Protocol

Alle Codierungsdateien für den 3D-Druck werden in den ergänzenden Codierungsdateien 1-16 bereitgestellt. Die in den repräsentativen Ergebnissen enthaltene Analyse wird unter Verwendung kommerziell erworbener funktioneller planarer Siliziumelektrodenarrays beschrieben (siehe Materialtabelle). 1. Handhabungsbaugruppe zur Gasphasenabscheidung in einem Vakuum-Exsikkator HINWEIS: Die montierte Vorrichtung zur Handhabung…

Representative Results

Um die Verwendung der Handling-Komponenten zu demonstrieren, wurde die beschriebene Methodik implementiert, um die Immobilisierung eines Oxidationsmittelmediators an aktiviertes Silizium anzupassen. Die Anwendung dieser Chemie auf IMEs zur Reduzierung von oxidativem Stress wurde von Potter-Baker et al. entwickelt und an nicht-funktionellen Silizium-Dummy-Sonden40 demonstriert. Diese Oberflächenbehandlung immobilisiert das Antioxidans MnTBAP zu UV / Ozon-aktivierter Siliziumoberfläche durch</…

Discussion

Das beschriebene Protokoll wurde für die Oberflächenbehandlung von planaren Mikroelektrodenarrays aus Silizium entwickelt. Die 3D-gedruckten Werkzeuge sind an Mikroelektroden-Arrays im Michigan-Stil mit Low-Profile-Steckverbindern⁵⁰ angepasst. Nicht-funktionelle Sonden wurden montiert, indem eine Silikonsonde mit einem biokompatiblen Klebstoff auf 3D-gedruckte Laschen geklebt wurde. Die 3D-gedruckten Laschen wurden mit ähnlichen Abmessungen wie die Steckverbinder entwickelt, die in den kommerzi…

Materials

1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC)	Sigma-Aldrich	165344-1G	Solid, stored desiccated at -20 °C
15 mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	14-959-70C
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties	Cole-Parmer	EW-06830-66	Length 4 inches
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES)	Sigma-Aldrich	4432-31-9	Solid
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)	Sigma-Aldrich	440140-100ML	Liquid, container with Sure/Seal
50 mL Conical Centrifuge Tubes	Fisher Scientific	14-959-49A
Aluminum foil	Fisher Scientific	01-213-103
Aluminum weighing dishes	Fisher Scientific	08-732-102	Diameter 66 mm
Bel-Art Vacuum Desiccator	Fisher Scientific	08-594-15B
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates	Millipore Sigma	CLS3527-100EA	24-well plate, polystyrene
Cyanoacrylate Adhesive	LocTite	N/A
Digital Microscope	Keyence	VHX-S750E
Disco DAD3350 Dicing Saw	Disco	DAD3350	Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples
Double-Sided Polyimide Tape	Kapton Tape	PPTDE-1/4	¼” x 36 yds.
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound	Masterbond	EP21LVMed	Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine	Epilog	N/A	CO2 laser
Foam tape	XFasten	N/A	1/8" Thick
Gamry Interface 1010E Potentiostat	Gamry	992-00129
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps	Fisher Scientific	12-000-131
Lab tape	Fisher Scientific	15-901-10L
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP)	EMD Millipore	475870-25MG	Solid, stored at -20 °C
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC)	Sigma-Aldrich	56485-250MG	Solid, stored desiccated at 4°C
Platinum clad niobium mesh anode	Technic	N/A	Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel	NeuroNexus	A1x16-3mm-100-177-CM16LP	Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm
Silicon Wafer	University Wafer	1575	Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade
Silver/silver Chloride reference electrode	Gamry Instruments	930-00015
Solidworks		N/A
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws	McMaster Carr	96877A629	#8-32, 1 1/2", fully threaded
Type I deionized water	ChemWorld	CW-DI1-20
Ultimaker 3 3D printer	Ultimaker	N/A
Ultimaker Cura	Ultimaker	N/A	3D printing software
Ultimaker NFC ABS Filament	Dynamism, Inc.	1621	2.85 mm
Ultimaker NFC PLA Filament	Dynamism, Inc.	1609	2.85 mm
Vacuum Gauge Vacuum Gauge	Measureman Direct	N/A	Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0
Wing nuts	Everbilt	934917	#8-32, zinc plated