Изготовление Ti3C2 MXene микроэлектродных массивов для In Vivo нейронной записи
Summary
Мы описываем здесь метод изготовления микроэлектродных массивов Ti3C2 MXene и их использование для нейронной записи in vivo.
Abstract
Имплантируемые микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики в микромасштабе, чтобы получить более глубокое понимание нейронных основ болезней и травм головного мозга. Поскольку электроды миниатюризированы до масштаба отдельных ячеек, соответствующее повышение интерфейса препятствует качеству записанных сигналов. Кроме того, обычные электродные материалы являются жесткими, что приводит к значительному механическому несоответствию между электродом и окружающими тканями мозга, что вызывает воспалительный ответ, который в конечном итоге приводит к ухудшению производительности устройства. Для решения этих проблем мы разработали процесс изготовления гибких микроэлектродов на основе Ti3C2 MXene, недавно обнаруженного наноматериала, обладающий удивительно высокой объемной емкой, электрической проводимостью, функциональностью поверхности и обрабатываемостью в водных дисперсиях. Гибкие массивы микроэлектродов Ti3C2 MXene имеют удивительно низкий уровень импедеданности из-за высокой проводимости и высокой специфической площади поверхности пленок Ti3C2 MXene, и они оказались изысканно чувствительными для записи нейронной активности. В этом протоколе мы описываем новый метод микропаттернирования Ti3C2 MXene в микроэлектродные массивы на гибких полимерных субстратах и описываем их использование для микроэлектрокортической записи in vivo. Этот метод может быть легко расширен для создания электродных массивов MXene произвольного размера или геометрии для целого ряда других применений в биоэлектронике, и он также может быть адаптирован для использования с другими проводящими чернилами, кроме Ti3C2 MXene. Этот протокол позволяет простои и масштабируемое изготовление микроэлектродов из раствора на основе проводящих чернил, и, в частности, позволяет использовать уникальные свойства гидрофильных Ti3C2 MXene для преодоления многих барьеров, которые уже давно препятствуют широкому внедрению углеродных наноматериалов для высокоточных нейронных микроэлектродов.
Introduction
Понимание фундаментальных механизмов, лежащих в основе нейронных цепей, и как их динамика изменяется в болезни или травмы, является критической целью для разработки эффективных терапевтических препаратов для широкого спектра неврологических и нервно-мышечных расстройств. Микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики на тонких пространственных и временных масштабах. Однако получение стабильных записей с высоким соотношением сигнала к шуму (SNR) от микромасштабных электродов оказалось особенно сложным. По мере уменьшения размеров электродов для приближения к клеточной шкале, соответствующее повышение электродного импеданса ухудшает качество сигнала1. Кроме того, многочисленные исследования показали, что жесткие электроды, состоящие из обычных кремния и металлических электронных материалов, производят значительные повреждения и воспаление в нервной ткани, что ограничивает их полезность длядолгосрочной записи2,3,4. Учитывая эти факты, наблюдается значительный интерес к разработке микроэлектродов с новыми материалами, которые могут уменьшить электрод-ткани интерфейса импеданса и могут быть включены в мягкие и гибкие форм-факторы.
Один из широко используемых методов для уменьшения электронно-ткани интерфейса импеданса увеличивает область, над которой ионные виды в внеклеточной жидкости могут взаимодействовать с электродом, или “эффективной поверхности” электрода. Это может быть достигнуто путем нанопаттернирования6,поверхности roughening7, или электроплиты с пористыми добавками8,9. Наноматериалы получили значительное внимание в этой области, потому что они предлагают внутренне высокие конкретные области поверхности и уникальные комбинации благоприятных электрических и механических свойств10. Например, углеродные нанотрубки были использованы в качестве покрытия, чтобы значительно уменьшить электрод impedance11,12,13, оксид графена был обработан в мягкий, гибкий автономный зонд электродов14, и лазерно-пиролиозный порной графен был использован для гибкой, низкой безупречности микро-электрокортики (микро-ECoG) электродов15. Несмотря на их обещание, отсутствие масштабируемых методов сборки ограничило широкое внедрение наноматериалов для нейронных комплаенов. Углеродные наноматериалы, в частности, как правило, гидрофобные, и, таким образом, требуют использования сурфактантов16, суперкислот17,или поверхности функционализации18 для формирования водных дисперций для обработки растворов методы изготовления, в то время как альтернативные методы изготовления, такие как химическое осаждение пара (ССЗ), как правило, требуют высоких температур, которые несовместимы со многими полимерными субстратами19,21 ,21 ,21 ,22.
Недавно был описан класс двухмерных (2D) наноматериалов, известный как MXenes, который предлагает исключительное сочетание высокой проводимости, гибкости, объемной емости и присущей гидрофилии, что делает их перспективным классом наноматериалов для нейронных межэлектрических электродов23. MXenes – это семейство 2D-переходных металлических карбидов и нитридов, которые чаще всего производятся путем выборочного травления элемента из многослойных прекурсоров. Это, как правило, фазы MAX с общей формулой Mn’1AXn, где M является ранним переходным металлом, A представляет собой элемент группы 12–16 периодической таблицы, X — углерод и/или азот, и n No 1, 2 или 324. Двухмерные хлопья MXene имеют поверхностно-прекращающиефункциональные группы, которые могут включать гидроксил (ЗОХ), кислород (ЗО) или фтор (КФ). Эти функциональные группы делают MXenes по своей сути гидрофильной и позволяют гибкой модификации поверхности или функционализации. Из большого класса MXenes, Ti3C2 был наиболее широко изучен и характеризуется25,26,27. Ti3C2 показывает удивительно более высокий объемем емкостя (1500 F/cm3)28, чем активированный графен (No 60-100 F/cm3)29, карбид-производные углерода (180 F/cm3)30, и графеновые геляные пленки (260 F/cm3)31. Кроме того, Ti3C2 показывает чрезвычайно высокую электронную проводимость (10 000 S/cm)32, и ее биосовместимость была продемонстрирована в нескольких исследованиях33,34,35,36. Высокая объемная емость ti3C2 пленок является выгодным для биологического зондирования и стимуляции приложений, потому что электроды, которые демонстрируют емкостный перенос заряда может избежать потенциально вредных реакций гидролиза.
Наша группа недавно продемонстрировала гибкие, тонкопленочные микроэлектродные массивы Ti3C2, подготовленные с использованием методов обработки растворов, которые способны фиксировать как микроэлектрокортику (микро-ЭкоГ), так и интракортикальную нейрональную активность в vivo с высоким SNR36. Эти электроды MXene показали значительно уменьшенную импедас по сравнению с размером подобранных золотых (Au) электродов, которые могут быть отнесены к высокой проводимости MXene и высокой площади поверхности электродов. В этом протоколе мы описываем ключевые шаги для изготовления планарных микроэлектродных массивов Ti3C2 MXene на гибких подстратах парилена-С и использования их in vivo для внутриоперационной записи микро-ECoG. Этот метод использует гидрофильный характер MXene, что делает возможным использование методов обработки решений, которые являются простыми и масштабируемыми, не требуя использования сурфактантов или суперкислот для достижения стабильной ваковой суспензии. Такая простота процессуальности может позволить экономически эффективное производство биосенсоров MXene в промышленных масштабах, что является одним из основных ограничений для широкого внедрения устройств на основе других углеродных наноматериалов. Ключевое новшество в изготовлении электрода заключается в использовании жертвенного полимерного слоя для микропатнелата MXene после спин-покрытия, метода, адаптированного из литературы по обработанным раствором поли (3,4-этиленедиокситофен) :poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) микроэлектродов37, но которые ранее не были описаны для M. Исключительные электрические свойства Ti3C2, в сочетании с его обрабатываемостью и 2D морфология делают его очень перспективным материалом для нейронных интерфейсов. В частности, Ti3C2 предлагает путь к преодолению фундаментального компромисса между геометрической областью электрода и электронно-химическим интерфейсом импеданса, основным ограничивающим фактором для микро-масштабной работы электрода. Кроме того, процедура изготовления, описанная в этом протоколе, может быть адаптирована для производства электродных массивов MXene различных размеров и геометрий для различных парадигм записи, а также может быть легко адаптирована для включения других проводящих чернил, кроме MXene.
Protocol
Representative Results
Discussion
MXene синтеза и delamination процедура, описанная в этом протоколе (HF / HCl / LiCl) был построен из MILD травления подход, который использовал LiF / HCl (в situ HF) etchant среды26. Подход MILD позволяет проводить сплочение больших хлопьев Ti3C2 (несколько мкм в боковом размере) при спонтанном delam…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (грант нет. R21-NS106434), Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, Фонд семьи Мировски и Нил и Барбара Смит (F.V.); Национальный научный фонд Аспирантуру стипендий (грант нет. DGE-1845298 в Н.Д. и Б.М.); Армейское научно-исследовательское бюро (Кооперативное соглашение Номер W911NF-18-2-0026 до К.М.); и армией США через Программу Инициативы По поверхности науки в Химическом биологическом центре Эджвуда (PE 0601102A Project VR9 до Y.G. и K.M.). Эта работа была проведена частично в Центре нанотехнологий Сингха, который поддерживается Национальным научным фондом Национальной программы нанотехнологий (NNCI-1542153).
Materials
| 00-90 screw | McMaster-Carr | 90910A630 | Skull screw around which ground wire is wrapped |
| 128ch stimulation/recording controller | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| 175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes | Falcon | REF: 352076 | Used for washing |
| 18 position 0.5 mm pitch ZIF connector | Molex | 505110-1892 | Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board. |
| 18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage. |
| 3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Used for transferring etchant or MXene solutions |
| 50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube | Falcon | REF: 352070 | Used for washing and size selection |
| Al etchant Type A | Transene | 060-0026000-QT | For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch. |
| Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Used for MAX synthesis |
| AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor. | |
| Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure. |
| Buprenorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia for rat surgery | |
| Centrifuge | Hermle | Benchmark Z 446 | Used for washing and size selection |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthesia for rat surgery |
| Drill burr | Fine Science Tools | 19007-07 | Burrs for drill |
| Electric drill | Foredom | K.1070 | Micromotor drill for craniotomies |
| Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker Company | Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Ground wire | A-M Systems | 781500 | Bare silver wire |
| Headspace Vial, glass | Supelco | REF: 27298 | Used for storing MXene solutions |
| Hydrochloric acid (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosive; etchant material |
| Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Etchant material |
| Jupiter II RIE system | March Plasma Systems Inc. | Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system. | |
| Kapton standard polyimide tape, 1/4" | DuPont | Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector. | |
| Ketamine | Hospital of the Univ. of Penn. | Anesthesia for rat surgery | |
| KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool. | |
| Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous | Acros | CAS: 7447-41-8 | Hygroscopic; delamination material |
| MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Micro-90 cleaning solution | International Products Corporation | M-9050-12 | Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene |
| NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices. |
| Ophthalmic ointment | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | To prevent corneal drying during surgery |
| Parylene deposition system | Specialty Coating Systems | Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C | |
| Parylene-C dimer | Specialty Coating Systems | 980130-c-01lbe | Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices |
| Photomasks (chrome on soda lime glass) | University of Pennsylvania | Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files. | |
| Povidone-iodine solution | Medline | MDS093901 | To help prevent infection around scalp incision |
| Printed Circuit Board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files. | |
| RD6 Developer | Futurrex Inc. | RD6 Developer | Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure |
| Reference 600 potentiostat | Gamry Instruments | Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning |
| RHS2000 Stim SPI interface cable | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| RHS2116 amplifier board | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| Si wafers | Wafer World | 2885 | Substrate for fabrication |
| Spin Coater | Cost Effective Equipment | For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters. | |
| Stereotaxic frame | Kopf Instruments | Model 902 | For positioning the rat for neurosurgery |
| Teflon-coated magnetic stir bar | Corning | REF: 1233W95 | Used to stir during etching and intercalation |
| Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Used for MAX synthesis |
| Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Used for MAX synthesis |
| Ultrasonic bath sonicator | Reynolds Tech | For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals. | |
| UV vis spectrophotometer | ThermoScientific | Evolution 201 | Used to determine concentration and observe absorption peak |
| Zetasizer, Particle Size Analysis | Malvern Panalytical | Nano ZS | Used to determine particle lateral size distibution |
Referências
- Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001 (2011).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2017).
- Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8 (2014).
- Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).
- Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
- Petrossians, A., Whalen, J. J., Weiland, J. D., Mansfeld, F. Surface modification of neural stimulating/recording electrodes with high surface area platinum-iridium alloy coatings. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 3001-3004 (2011).
- Meyer, R. D., Cogan, S. F., Nguyen, T. H., Rauh, R. D. Electrodeposited iridium oxide for neural stimulation and recording electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 9 (1), 2-11 (2001).
- Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
- Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
- Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F., Gross, G. W. Carbon nanotube coating improves neuronal recordings. Nature Nanotechnology. 3 (7), 434-439 (2008).
- Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31 (19), 5169-5181 (2010).
- Green, R. A., Williams, C. M., Lovell, N. H., Poole-Warren, L. A. Novel neural interface for implant electrodes: improving electroactivity of polypyrrole through MWNT incorporation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19 (4), 1625-1629 (2008).
- Apollo, N. V., et al. Flexible Freestanding Neural Stimulation and Recording Electrodes Fabricated from Reduced Graphene Oxide. Advanced Functional Materials. 25 (23), 3551-3559 (2015).
- Lu, Y., Lyu, H., Richardson, A. G., Lucas, T. H., Kuzum, D. Flexible Neural Electrode Array Based-on Porous Graphene for Cortical Microstimulation and Sensing. Scientific Reports. 6 (1), 33526 (2016).
- Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (48), 13357-13367 (2003).
- Ramesh, S., et al. Dissolution of Pristine Single Walled Carbon Nanotubes in Superacids by Direct Protonation. The Journal of Physical Chemistry B. 108 (26), 8794-8798 (2004).
- Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
- Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1700905 (2017).
- Wang, K., Fishman, H. A., Dai, H., Harris, J. S. Neural Stimulation with a Carbon Nanotube Microelectrode Array. Nano Letters. 6 (9), 2043-2048 (2006).
- Ansaldo, A., Castagnola, E., Maggiolini, E., Fadiga, L., Ricci, D. Superior Electrochemical Performance of Carbon Nanotubes Directly Grown on Sharp Microelectrodes. ACS Nano. 5 (3), 2206-2214 (2011).
- Nimbalkar, S., et al. Ultra-Capacitive Carbon Neural Probe Allows Simultaneous Long-Term Electrical Stimulations and High-Resolution Neurotransmitter Detection. Scientific Reports. 8, 6958 (2018).
- Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098 (2017).
- Anasori, B., Gogotsi, Y. . 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. , (2019).
- Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23 (37), 4248-4253 (2011).
- Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29 (18), 7633-7644 (2017).
- Ghidiu, M., Lukatskaya, M. R., Zhao, M. Q., Gogotsi, Y., Barsoum, M. W. Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance. Nature. 516 (7529), 78-81 (2014).
- Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105 (2017).
- Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).
- Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).
- Yang, X., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L., Li, D. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage. Science. 341 (6145), 534-537 (2013).
- Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29 (36), 1702678 (2017).
- Han, X., et al. 2D Ultrathin MXene-Based Drug-Delivery Nanoplatform for Synergistic Photothermal Ablation and Chemotherapy of Cancer. Advanced Healthcare Materials. 7 (9), 1701394 (2018).
- Dai, C., et al. Biocompatible 2D Titanium Carbide (MXenes) Composite Nanosheets for pH-Responsive MRI-Guided Tumor Hyperthermia. Chemistry of Materials. 29 (20), 8637-8652 (2017).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12 (10), 10419-10429 (2018).
- Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25 (15), 2135-2139 (2013).
- Shuck, C. E., et al. Effect of Ti3AlC2 MAX Phase on Structure and Properties of Resultant Ti3C2Tx MXene. ACS Applied Nano Materials. 2 (6), 3368-3376 (2019).
- Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1600050 (2016).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10 (1), 1795 (2019).
- Quain, E., et al. Direct Writing of Additive-Free MXene-in-Water Ink for Electronics and Energy Storage. Advanced Materials Technologies. 4 (1), 1800256 (2019).
- Salles, P., Quain, E., Kurra, N., Sarycheva, A., Gogotsi, Y. Automated Scalpel Patterning of Solution Processed Thin Films for Fabrication of Transparent MXene Microsupercapacitors. Small. 14 (44), 1802864 (2018).
