Kit de ferramentas de código aberto: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array para gravação de nervos
Summary
Aqui, descrevemos a metodologia de fabricação para matrizes de eletrodos de fibra de carbono personalizáveis para gravação in vivo no nervo e no cérebro.
Abstract
As sondas nervosas periféricas convencionais são fabricadas principalmente em uma sala de limpeza, exigindo o uso de múltiplas ferramentas caras e altamente especializadas. Este artigo apresenta um processo de fabricação “leve” de matrizes de eletrodos neurais de fibra de carbono que podem ser aprendidas rapidamente por um usuário de sala de limpeza inexperiente. Este processo de fabricação de matriz de eletrodos de fibra de carbono requer apenas uma ferramenta de limpeza, uma máquina de deposição Parylene C, que pode ser aprendida rapidamente ou terceirizada para uma instalação de processamento comercial a um custo marginal. Este processo de fabricação também inclui placas de circuito impresso de preenchimento manual, isolamento e otimização de ponta.
As três diferentes otimizações de ponta exploradas aqui (laser Nd:YAG, maçarico e laser UV) resultam em uma gama de geometrias de ponta e impedâncias de 1 kHz, com fibras maçaricos resultando na menor impedância. Embora experimentos anteriores tenham comprovado a eficácia do eletrodo de laser e maçarico, este artigo também mostra que fibras cortadas a laser UV podem registrar sinais neurais in vivo. Os arrays de fibra de carbono existentes não possuem eletrodos individuados em favor de pacotes ou exigem guias fabricadas para a população e isolamento. Os arrays propostos utilizam apenas ferramentas que podem ser usadas em um banco para a população de fibras. Este processo de fabricação de matriz de eletrodos de fibra de carbono permite a rápida personalização da fabricação de matriz a granel a um preço reduzido em comparação com as sondas disponíveis comercialmente.
Introduction
Grande parte da pesquisa em neurociência se baseia no registro de sinais neurais usando eletrofisiologia (ePhys). Esses sinais neurais são cruciais para entender as funções das redes neurais e novos tratamentos médicos, como máquina cerebral e interfaces nervosas periféricas1,2,3,4,5,6. Pesquisas em torno de nervos periféricos exigem eletrodos de gravação neural feitos sob medida ou comercialmente disponíveis. A gravação neural de eletrodos-ferramentas exclusivas com dimensões em escala de micron e materiais frágeis requer um conjunto especializado de habilidades e equipamentos para fabricar. Uma variedade de sondas especializadas foram desenvolvidas para usos finais específicos; no entanto, isso implica que os experimentos devem ser projetados em torno de sondas comerciais disponíveis atualmente, ou um laboratório deve investir no desenvolvimento de uma sonda especializada, que é um processo demorado. Devido à grande variedade de pesquisas neurais no nervo periférico, há alta demanda por uma sonda ePhys versátil4,7,8. Uma sonda ePhys ideal contaria com um pequeno site de gravação, baixo impedance9 e um ponto de preço financeiramente realista para implementação em um sistema3.
Os eletrodos comerciais atuais tendem a ser eletrodos extraneurais ou manguitos (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), que ficam fora do nervo, ou intrafasciculares, que penetram no nervo e se sentam dentro do fascículo de interesse. No entanto, à medida que os eletrodos de punho ficam mais longe das fibras, eles captam mais ruídos de músculos próximos e outros fascicles que podem não ser o alvo. Essas sondas também tendem a restringir o nervo, o que pode levar a um acúmulo de células gliais e tecido cicatricial na interface do eletrodo enquanto o tecido se cura. Eletrodos intrafasciculares (como LIFE12, TIME13 e Utah Arrays14) adicionam o benefício da seletividade de fascículos e têm boas relações sinal-ruído, o que é importante em sinais discriminadores para interligação de máquinas. No entanto, essas sondas têm problemas com a biocompatibilidade, com os nervos ficando deformados ao longo do tempo3,15,16. Quando compradas comercialmente, ambas as sondas têm designs estáticos sem opção de personalização específica de experimentos e são caras para laboratórios mais novos.
Em resposta aos problemas de alto custo e biocompatibilidade apresentados por outras sondas, os eletrodos de fibra de carbono podem oferecer uma avenida para os laboratórios de neurociência construirem suas próprias sondas sem a necessidade de equipamentos especializados. As fibras de carbono são um material de gravação alternativo com um pequeno fator de forma que permite a inserção de baixo dano. As fibras de carbono proporcionam melhor biocompatibilidade e resposta de cicatriz consideravelmente menor do que o silício17,18,19 sem o processamento intensivo da sala de limpeza5,13,14. As fibras de carbono são flexíveis, duráveis, facilmente integradas com outros biomateriais19, e podem penetrar e registrar a partir de nervos7,20. Apesar das muitas vantagens das fibras de carbono, muitos laboratórios acham a fabricação manual dessas matrizes árdua. Alguns grupos21 combinam fibras de carbono em feixes que, coletivamente, resultam em um diâmetro maior (~200 μm); no entanto, para nosso conhecimento, esses feixes não foram verificados em nervos. Outros fabricaram matrizes de eletrodos de fibra de carbono não evidenciadas, embora seus métodos exijam guias de fibra de carbono fabricados em sala de limpeza22,23,24 e equipamentos para povoar suas matrizes17,23,24. Para lidar com isso, propomos um método de fabricação de uma matriz de fibra de carbono que possa ser realizada no banco de banco de laboratório que permita modificações improvisadas. A matriz resultante mantém pontas de eletrodos individuadas sem ferramentas especializadas de preenchimento de fibras. Além disso, várias geometrias são apresentadas para corresponder às necessidades do experimento de pesquisa. Construído a partir de trabalhos anteriores8,17,22,25, este artigo fornece metodologias detalhadas para construir e modificar vários estilos de matrizes manualmente com o mínimo de tempo de treinamento de sala de limpeza necessário.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substituições de materiais
Embora todos os materiais utilizados sejam resumidos na Tabela de Materiais, muito poucos dos materiais são necessários para vir de fornecedores específicos. O quadro Flex Array deve vir do fornecedor listado, pois eles são a única empresa que pode imprimir a placa flexível. O conector Flex Array também deve ser encomendado do fornecedor listado por ser um conector proprietário. O parileno C é altamente recomendado como o material de isolamento pa…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado financeiramente pelos Institutos Nacionais de Distúrbios Neurológicos e AVC (UF1NS107659 e UF1NS115817) e pela Fundação Nacional de Ciência (1707316). Os autores reconhecem o apoio financeiro da Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan e o apoio técnico do Michigan Center for Materials Characterization e do Van Vlack Undergraduate Laboratory. Os autores agradecem ao Dr. Khalil Najafi pelo uso de seu laser Nd:YAG e da Lurie Nanofabrication Facility pelo uso de sua máquina de deposição Parylene C. Também gostaríamos de agradecer à Specialty Coating Systems (Indianápolis, IN) por sua ajuda no estudo de comparação de revestimento comercial.
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).
