Verktøysett med åpen kildekode: Benk topp karbonfibermikroelektrode array for nerveopptak
Summary
Her beskriver vi fabrikasjonsmetodikk for tilpassbare karbonfiberelektrodekjeder for registrering av in vivo i nerve og hjerne.
Abstract
Konvensjonelle perifere nervesonder er hovedsakelig fremstilt i et rent rom, som krever bruk av flere dyre og høyt spesialiserte verktøy. Dette papiret presenterer en renrom “lys” fabrikasjonsprosess av karbonfiber nevrale elektrode arrays som kan læres raskt av en uerfaren renromsbruker. Denne karbonfiberelektrodematriseproduksjonsprosessen krever bare ett renromsverktøy, en Parylene C-avsetningsmaskin, som kan læres raskt eller outsources til et kommersielt prosessanlegg til marginal kostnad. Denne fabrikasjonsprosessen inkluderer også håndfyllende kretskort, isolasjon og spissoptimalisering.
De tre forskjellige tipsoptimaliseringene som utforskes her (Nd:YAG-laser, blowtorch og UV-laser) resulterer i en rekke spissgeometrier og 1 kHz impedanser, med blåsefibre som resulterer i lavest impedans. Mens tidligere eksperimenter har bevist laser- og blowtorch-elektrodeeffekt, viser dette papiret også at UV-laserkuttede fibre kan registrere nevrale signaler in vivo. Eksisterende karbonfiberkjeder har enten ikke individuerte elektroder til fordel for bunter eller krever renromsfabrikkerte guider for befolkning og isolasjon. De foreslåtte matrisene bruker bare verktøy som kan brukes på en benkeplate for fiberpopulasjon. Denne karbonfiberelektrodematriseproduksjonsprosessen muliggjør rask tilpasning av bulk array fabrikasjon til en redusert pris sammenlignet med kommersielt tilgjengelige sonder.
Introduction
Mye av nevrovitenskapelig forskning er avhengig av å registrere nevrale signaler ved hjelp av elektrofysiologi (ePhys). Disse nevrale signalene er avgjørende for å forstå funksjonene til nevrale nettverk og nye medisinske behandlinger som hjernemaskin og perifere nervegrensesnitt1,2,3,4,5,6. Forskning rundt perifere nerver krever skreddersydde eller kommersielt tilgjengelige nevrale registreringselektroder. Nevrale registreringselektroder-unike verktøy med mikronskala dimensjoner og skjøre materialer – krever et spesialisert sett med ferdigheter og utstyr for å fremstille. En rekke spesialiserte sonder er utviklet for spesifikke sluttbruk; Dette innebærer imidlertid at eksperimenter må utformes rundt tilgjengelige kommersielle sonder, eller et laboratorium må investere i utviklingen av en spesialisert sonde, noe som er en langvarig prosess. På grunn av det store utvalget av nevral forskning innen perifer nerve, er det stor etterspørsel etter en allsidig ePhys-sonde4,7,8. En ideell ePhys-sonde vil ha et lite opptakssted, lav impedans9 og et økonomisk realistisk prispunkt for implementering i et system3.
Nåværende kommersielle elektroder har en tendens til å enten være ekstraneurale eller mansjettelektroder (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), som sitter utenfor nerven, eller intrafascicular, som trenger inn i nerven og sitter innenfor fascicle av interesse. Men når mansjettelektroder sitter lenger unna fibrene, plukker de opp mer støy fra nærliggende muskler og andre fascicles som kanskje ikke er målet. Disse sondene har også en tendens til å begrense nerven, noe som kan føre til biofouling-en oppbygging av glialceller og arrvev ved elektrodegrensesnittet mens vevet helbreder. Intrafasikulære elektroder (som LIFE12, TIME13 og Utah Arrays14) gir fordelen av fascicle selectivity og har gode signal-til-støy-forhold, noe som er viktig for å diskriminere signaler for maskininterfacing. Imidlertid har disse sondene problemer med biokompatibilitet, med nerver som blir deformert over tid3,15,16. Når de kjøpes kommersielt, har begge disse sondene statiske design uten mulighet for eksperimentspesifikk tilpasning og er kostbare for nyere laboratorier.
Som svar på de høye kostnadene og biokompatibilitetsproblemene som presenteres av andre sonder, kan karbonfiberelektroder tilby en mulighet for nevrovitenskapelige laboratorier til å bygge sine egne sonder uten behov for spesialisert utstyr. Karbonfibre er et alternativt registreringsmateriale med en liten formfaktor som gir mulighet for innsetting av lav skade. Karbonfibre gir bedre biokompatibilitet og betydelig lavere arrrespons enn silisium17,18,19 uten intensiv renromsbehandling5,13,14. Karbonfibre er fleksible, holdbare, lett integrert med andre biomaterialer19, og kan trenge inn og registrere fra nerve7,20. Til tross for de mange fordelene med karbonfibre, finner mange laboratorier den manuelle fabrikasjonen av disse matrisene vanskelig. Noen grupper21 kombinerer karbonfibre i bunter som samlet resulterer i en større (~ 200 μm) diameter; Men så vidt vi vet, har disse buntene ikke blitt verifisert i nerve. Andre har fabrikkert individuated karbonfiber elektrode arrays, selv om deres metoder krever renrom-fabrikkert karbonfiber guider22,23,24 og utstyr for å fylle sine arrays17,23,24. For å løse dette foreslår vi en metode for å fremstille en karbonfibermatrise som kan utføres på laboratoriets benkeplate som muliggjør improviserte modifikasjoner. Den resulterende matrisen opprettholder individuerte elektrodespisser uten spesialiserte fiberfyllingsverktøy. I tillegg presenteres flere geometrier for å matche behovene til forskningseksperimentet. Dette dokumentet bygger fra tidligere arbeid8,17,22,25, og gir detaljerte metoder for å bygge og modifisere flere stiler av matriser manuelt med minimal behandlingstid for renrom.
Protocol
Representative Results
Discussion
Materialerstatninger
Selv om alle materialene som brukes er oppsummert i materialfortegnelsen, kreves svært få av materialene for å komme fra bestemte leverandører. Flex Array-kortet må komme fra den børsnoterte leverandøren, da de er det eneste selskapet som kan skrive ut det fleksible kortet. Flex Array-kontakten må også bestilles fra leverandøren som er oppført, da det er en proprietær kontakt. Parylen C anbefales på det sterkeste som isolasjonsmateriale for fibrene, d…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansielt støttet av National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 og UF1NS115817) og National Science Foundation (1707316). Forfatterne anerkjenner 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 bruken av hans Nd:YAG laser og Lurie Nanofabrication Facility for bruk av deres Parylene C avsetningsmaskin. Vi vil også takke Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) for deres hjelp i den kommersielle sammenligningsstudien for belegg.
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 |
Referências
- 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).
