Fabricación de ti₃C₂ Matrizs de Microelectrodos MXene para Grabación Neuronal In Vivo

Este protocolo de síntesis produce tinta MXene de alta calidad con una conductividad metálica que alcanza por encima de 10.000 Siemens por centímetro. La principal ventaja de esta técnica es que permite el micro-patrón preciso de películas MXene sin dañar la película o dejar residuos dañinos en los electrodos. Para preparar una tinta de carburo de titanio, añada lentamente dos gramos de precursor de carburo de aluminio de titanio a un recipiente de reacción de 125 mililitros que contenga solución selectiva de grabado y revuelva la solución con una barra magnética de teflón durante 24 horas a 35 grados centígrados a 400 rotaciones por minuto.

Al final de la incubación, añadir 50 mililitros de agua desionizada a dos tubos centrífugos de 175 mililitros, dividir la mezcla de reacción de grabado por igual entre los tubos, y llenar a la marca de 150 mililitros. Lavar el material mediante centrifugación repetida, decantar el sobrenadante ácido en un contenedor de residuos peligrosos plásticos y añadir agua fresca a los tubos entre los pasos de centrifugación hasta que el pH de la solución sobrenadante alcance por encima del pH seis. Para la intercalación de las moléculas entre la partícula multicapa MXene para debilitarse fuera de las interacciones planas, añadir dos gramos de cloruro de litio a 100 mililitros de agua desionizada y agitar la solución a 200 rotaciones por minuto.

Cuando el cloruro de litio se haya disuelto, mezcle 100 mililitros de la solución de cloruro de litio con el sedimento de carburo de titanio de titanio. Transfiera la solución de nuevo al recipiente de plástico de 125 mililitros y remueva la reacción durante 12 horas a 25 grados centígrados y 200 rotaciones por minuto. Para la delaminación de la partícula multicapa a granel en MXeno de carburo de titanio de una sola capa, lave la solución de intercalación con múltiples centrifugaciones, decantando el sobrenadante transparente hasta que se observe un sobrenadante oscuro.

A continuación, centrifugar el sobrenadante oscuro durante una hora antes de decantar el sobrenadante verde diluido. Redisperse el sedimento hinchado con 150 mililitros de agua desionizada y dividir la solución por igual en tres tubos de centrífuga de 50 mililitros. Centrifugar las muestras para separar el sedimento MXene restante del sobrenadante MXene y agrupar los sobrenadantes en un solo recipiente.

A continuación, centrifugar la solución durante una hora adicional para una mayor selección de tamaño y optimización de la solución para aislar escamas de una a pocas capas. Para la fabricación de matrices de microelectrodos de carburo de titanio, deposite una capa inferior de cuatro micrómetros de grosor de Parylene-C en una oblea de silicio limpia. Para utilizar la fotolitografía para definir patrones metálicos en la oblea, gire el fotorresistor de la capa sobre la oblea a 3.000 rotaciones por minuto durante 40 segundos antes de hornear suavemente la oblea en una placa caliente durante 14,5 minutos a 95 grados Centígrados.

A continuación, cargue la oblea y la máscara en un alineador de máscara con la oblea colocada para que el anillo de la máscara de foto se superponga con todos los bordes de la oblea. Exponga la oblea con longitudes de onda de 365 nanómetros de línea de ojo a una dosis de 90 mililijoules por centímetro cuadrado y hornee la oblea en una placa caliente durante un minuto a 115 grados centígrados. Al final del horneado duro, sumerja la oblea en el desarrollador de RD6 durante dos minutos con agitación continua antes de enjuagar a fondo con agua desionizada y secar con una pistola de nitrógeno.

Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar 10 nanómetros de titanio seguidos de 100 nanómetros de oro en la oblea. A continuación, sumerja la oblea en una destripadora solvente durante unos 10 minutos hasta que el fotorresistido se haya disuelto y el exceso de metal se haya despegado por completo. Una vez que el despegue parezca completo, sonice la oblea durante 30 segundos para eliminar cualquier rastro de metal no deseado y enjuague la oblea con una destripadora de disolvente fresco y agua desionizada antes de secarla con una pistola de nitrógeno.

Al final del proceso de despegue, el oro será visible en las trazas de interconexión deseadas y en el anillo alrededor del borde de la oblea. Para la deposición de la capa Parylene-C sacrificial, primero exponga la oblea al plasma de oxígeno durante 30 segundos para hacer que la capa subyacente Parylene-C sea hidrófila antes de espínar el recubrimiento diluya la solución de limpieza en la oblea a 1.000 rotaciones por minuto durante 30 segundos. Deje que la oblea se seque al aire durante al menos cinco minutos antes de depositar tres micrómetros de Parylene-C en la oblea como se ha demostrado.

Después de una segunda ronda de fotolitografía usando la máscara dos, utilice el grabado de iones reactivos de plasma de oxígeno para grabar a través de la capa sacrificial Parylene-C en las áreas no cubiertas por el fotorresista para definir los electrodos y trazas de MXene. El grabado debe superponerse parcialmente con las interconexiones de oro de titanio, así como el anillo alrededor de los bordes de la oblea. A continuación, utilice un perfilómetro para medir el perfil entre las interconexiones expuestas de titanio y oro y la capa inferior Parylene-C para confirmar un grabado completo de la capa sacrificial Parylene-C.

Para recarir la solución de MXene en la oblea, primero prescinda la solución en cada uno de los patrones de MXeno deseados antes de girar la oblea a 1.000 rotaciones por minuto durante 40 segundos. Seque la oblea en una placa caliente de 120 grados Celsius durante 10 minutos para eliminar cualquier agua residual de la película MXene y luego utilice un evaporador de haz de electrones para depositar una capa protegida de dióxido de silicio de 50 nanómetros en la oblea. Para eliminar la capa Parylene-C sacrificial, coloque una pequeña gota de agua desionizada en el borde de la oblea y use pinzas para pelar la capa de Parylene-C sacrificial comenzando desde donde se definen los bordes de la capa en el anillo alrededor del exterior de la oblea.

A continuación, enjuague bien la oblea con agua fresca desionizada para eliminar cualquier residuo restante de la solución de limpieza y seque la oblea con una pistola de nitrógeno. Coloque la oblea seca en una placa caliente de 120 grados Celsius durante una hora para eliminar cualquier agua residual de las películas de MXene con patrón antes de depositar una capa de cuatro micrómetros de espesor de Parylene-C en la oblea como se ha demostrado. Después de realizar otra ronda de fotolitografía con la máscara tres, utilice un evaporador de haz de electrones para depositar aluminio de 100 nanómetros en la oblea y sumerja la oblea en una destripadora de disolvente durante 10 minutos hasta que el metal se haya levantado por completo de la oblea.

Después de sonicación, enjuague y secado como se ha demostrado, se puede observar aluminio cubriendo los dispositivos con aberturas para los electrodos y almohadillas de unión. Utilice el grabado de iones reactivos de plasma de oxígeno para grabar a través de las capas Parylene-C que rodean los dispositivos y a través de la capa superior Parylene-C que cubre tanto los contactos del electrodo MXene como las almohadillas de unión de oro. Cuando no haya residuos de Parylene-C en la oblea entre dispositivos, utilice un grabado químico húmedo en aluminio etchant tipo A a 50 grados Celsius durante 10 minutos o hasta que pase un minuto cuando todos los rastros visuales del aluminio hayan desaparecido.

Para grabar el óxido de silicio que cubre los electrodos MXene, utilice un grabado químico húmedo en el grabado de óxido tamponado de seis a uno durante 30 segundos. A continuación, coloque una pequeña gota de agua desionizada al final del dispositivo. Pelar suavemente el dispositivo como el agua es perversa debajo del dispositivo por acción capilar para liberar el dispositivo de la oblea de sustrato de silicio.

Aquí, se muestran los datos de microelectrografía de muestra registrados en una matriz de microelectrodos MXene. Los estados corticales ABAJO se basan en la vaguada de la oscilación lenta en uno a dos hercios. Después de la aplicación de la matriz de electrodos en la corteza, las señales fisiológicas claras fueron inmediatamente evidentes en los electrodos de grabación con aproximadamente un milivoltivo de señales de electrocorticografía de amplitud que aparecen en todos los electrodos MXene.

Los espectros de potencia de estas señales confirmaron la presencia de dos ritmos cerebrales comúnmente observados en ratas bajo anestesia de dexmedetomidina de ketamina, oscilaciones lentas de uno a dos hercios y oscilaciones gamma a 40 a 70 hercios. Además, se observó una atenuación de potencia de banda ancha característica durante el estado DOWN de la oscilación lenta y una banda beta selectiva de 15 a 30 hercios y amplificación de potencia de banda gamma de 40 a 120 hercios durante el estado UP de la oscilación lenta. La optimización del método de síntesis ha permitido la expansión del uso de MXenes en otras aplicaciones como en dispositivos optoelectrónicos, textiles inteligentes y más.

Este procedimiento implica el uso de productos químicos peligrosos, incluyendo ácido fluorhídrico, grabado de aluminio y desarrollador fotorresista. Asegúrese de utilizar siempre el EPP adecuado al manipular estos productos químicos.