Açık Kaynaklı Araç Seti: Sinir Kaydı için Tezgah Üstü Karbon Fiber Mikroelektoğr Dizisi
Summary
Burada, sinir ve beyinde in vivo kayıt için özelleştirilebilir karbon fiber elektrot dizileri için imalat metodolojisi açıklanmaktadır.
Abstract
Geleneksel periferik sinir probları öncelikle birden fazla pahalı ve son derece özel aletlerin kullanılmasını gerektiren temiz bir odada üretilir. Bu makale, deneyimsiz bir temiz oda kullanıcısı tarafından hızlı bir şekilde öğrenilebilen karbon fiber nöral elektrot dizilerinin temiz bir oda “hafif” üretim sürecini sunun. Bu karbon fiber elektrot dizisi imalat işlemi, marjinal maliyetle ticari bir işleme tesisine hızlı veya dış kaynaklı olarak öğrenilebilen sadece bir temiz oda aracı, bir Parylene C biriktirme makinesi gerektirir. Bu imalat işlemi aynı zamanda el doldurma baskılı devre kartları, yalıtım ve uç optimizasyonu içerir.
Burada keşfedilen üç farklı uç optimizasyonu (Nd:YAG lazer, blowtorch ve UV lazer), bir dizi uç geometrisi ve 1 kHz empedans ile sonuçlanır ve üflemeli lifler en düşük empedansla sonuçlanır. Önceki deneyler lazer ve üflemeli elektrot etkinliğini kanıtlamış olsa da, bu makale ayrıca UV lazer kesim liflerinin nöral sinyalleri vivo olarak kaydedebileceğini göstermektedir. Mevcut karbon fiber dizileri ya demetler lehine bölünmemiş elektrotlara sahip değildir ya da popülasyon ve yalıtım için temiz oda fabrikasyon kılavuzları gerektirir. Önerilen diziler yalnızca fiber popülasyonu için bir tezgahta kullanılabilecek araçlar kullanır. Bu karbon fiber elektrot dizisi imalat işlemi, toplu dizi imalatının ticari olarak mevcut problara kıyasla daha düşük bir fiyata hızlı bir şekilde özelleştirilmesini sağlar.
Introduction
Nörobilim araştırmalarının çoğu elektrofizyoloji (ePhys) kullanarak sinir sinyallerinin kaydedilmelerine dayanır. Bu sinir sinyalleri, sinir ağlarının işlevlerini ve beyin makinesi ve periferik sinir arayüzleri gibi yeni tıbbi tedavileri anlamak için çok önemlidir1,2,3,4,5,6. Periferik sinirleri çevreleyen araştırmalar, özel yapım veya ticari olarak kullanılabilen nöral kayıt elektrotları gerektirir. Mikron ölçekli boyutlara ve kırılgan malzemelere sahip nöral kayıt elektrotlarına özgü aletler, imal etmek için özel bir beceri ve ekipman seti gerektirir. Belirli son kullanımlar için çeşitli özel problar geliştirilmiştir; ancak bu, deneylerin şu anda mevcut ticari problar etrafında tasarlanması veya bir laboratuvarın uzun bir süreç olan özel bir prob geliştirilmesine yatırım yapması gerektiği anlamına gelir. Periferik sinirdeki çok çeşitli sinir araştırmaları nedeniyle, çok yönlü bir ePhys probuna yüksek talep vardır4,7,8. İdeal bir ePhys probu, küçük bir kayıt sitesi, düşük empedans9 ve bir sistemde uygulama için finansal olarak gerçekçi bir fiyat noktasına sahiptir3.
Mevcut ticari elektrotlar, sinirin dışında oturan extraneural veya manşet elektrotları (Nöral Manşet10, MicroProbes Sinir Manşet Elektrodi11) veya sinire nüfuz eden ve ilgi alanı içinde oturan intrafassiküler olma eğilimindedir. Bununla birlikte, manşet elektrotları liflerden daha uzakta oturdukça, yakındaki kaslardan ve hedef olmayabilecek diğer fasiküllerden daha fazla gürültü alırlar. Bu problar aynı zamanda siniri daraltma eğilimindedir, bu da doku iyileşirken glial hücrelerin ve skar dokusunun elektrot arayüzünde biyofouling-birikmesine yol açabilir. İntrafastiküler elektrotlar (LIFE12, TIME13 ve Utah Arrays14 gibi) fasikül seçiciliğinin faydasını ekler ve makine araları için sinyalleri ayırt etmede önemli olan iyi sinyal-gürültü oranlarına sahiptir. Bununla birlikte, bu probların biyouyumlulukla ilgili sorunları vardır ve sinirler zamanla deforme hale gelir3,15,16. Ticari olarak satın alındığında, her iki prob da deneye özgü özelleştirme seçeneği olmayan statik tasarımlara sahiptir ve daha yeni laboratuvarlar için maliyetlidir.
Diğer problar tarafından sunulan yüksek maliyet ve biyouyumluluk sorunlarına yanıt olarak, karbon fiber elektrotlar nörobilim laboratuvarlarının özel ekipmana ihtiyaç duymadan kendi problarını oluşturmaları için bir yol sunabilir. Karbon fiberler, düşük hasar yerleştirilmesine izin veren küçük bir form faktörüne sahip alternatif bir kayıt malzemesidir. Karbon fiberler, yoğun temiz oda işlemesi olmadan silikon17,18,19’dan daha iyi biyouyumbilite ve önemli ölçüde daha düşük skar tepkisi sağlar5,13,14. Karbon fiberler esnek, dayanıklı, diğer biyomalzemelerle kolayca entegre edilebilir19 ve sinirden nüfuz edebilir ve kaydedebilir7,20. Karbon fiberlerin birçok avantajına rağmen, birçok laboratuvar bu dizilerin manuel imalatını zorlu buluyor. Bazı gruplar21 karbon fiberleri toplu olarak daha büyük (~200 μm) bir çapa neden olan demetler halinde birleştirir; ancak, bizim bilgimize göre, bu demetler sinir olarak doğrulanmamıştır. Diğerleri, yöntemleri temiz oda fabrikasyon karbon fiber kılavuzları22,23,24 ve dizilerini doldurmak için ekipman gerektirse de, kendi dizilerini doldurmak için individüated karbon fiber elektrot dizileri üretmiştir17,23,24. Bunu ele almak için, laboratuvar tezgahında gerçekleştirilebilecek ve doğaçlama değişikliklere izin veren bir karbon fiber dizisi imal etme yöntemi öneriyoruz. Elde edilen dizi, özel fiber doldurma araçları olmadan bölünmemiş elektrot uçlarını korur. Ayrıca, araştırma deneyinin ihtiyaçlarına uygun olarak birden fazla geometri sunulmaktadır. Önceki çalışmalardan 8,17,22,25 inşa eden bu makale, gerekli minimum temiz oda eğitim süresi ile çeşitli dizi stillerini manuel olarak oluşturmak ve değiştirmek için ayrıntılı metodolojiler sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Malzeme ikameleri
Kullanılan tüm malzemeler Malzeme Tablosunda özetlenirken, malzemelerin çok azının belirli satıcılardan gelmesi gerekmektedir. Esnek kartı yazdırabilen tek şirket oldukları için Flex Array panosu listelenen satıcıdan gelmelidir. Flex Array bağlayıcısı, özel bir bağlayıcı olduğu için listelenen satıcıdan da sipariş edilmelidir. Parylene C, oda sıcaklığında in vivo ortama dayanabilecek güvenilir bir şekilde konformsal bir kapl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüleri (UF1NS107659 ve UF1NS115817) ve Ulusal Bilim Vakfı (1707316) tarafından finansal olarak desteklendi. Yazarlar, Michigan Üniversitesi Mühendislik Koleji’nden finansal destek ve Michigan Malzeme Karakterizasyon Merkezi ve Van Vlack Lisans Laboratuvarı’ndan teknik destek kabul ediyor. Yazarlar, Nd:YAG lazerinin ve Lurie Nanofabrication Facility’nin Parylene C biriktirme makinelerinin kullanımı için Dr. Khalil Najafi’ye teşekkür eder. Ayrıca ticari kaplama karşılaştırma çalışmasındaki yardımları için Specialty Coating Systems’e (Indianapolis, IN) teşekkür ederiz.
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).
