माइक्रोइलेक्ट्रोड में ईच नैनो-आर्किटेक्चर के लिए केंद्रित आयन बीम लिथोग्राफी
Summary
हमने दिखाया है कि इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड उपकरणों में नैनो-आर्किटेक्चर की नक़्क़ाशी भड़काऊ प्रतिक्रिया को कम कर सकती है और इसमें इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग में सुधार करने की क्षमता है। यहां वर्णित विधियां गैर-कार्यात्मक और कार्यात्मक एकल टांग सिलिकॉन इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड की सतह में नक़्क़ाशी नैनो-आर्किटेक्चर के लिए एक दृष्टिकोण की रूपरेखा तैयार करती हैं।
Abstract
इलेक्ट्रॉनिक्स और निर्माण प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ, इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड में पर्याप्त सुधार हुए हैं जो अधिक संकल्प और विस्तारित क्षमताओं के साथ परिष्कृत माइक्रोइलेक्ट्रोड के उत्पादन को सक्षम करते हैं । निर्माण प्रौद्योगिकी में प्रगति ने बायोमिमेटिक इलेक्ट्रोड के विकास का समर्थन किया है, जिसका उद्देश्य मस्तिष्क पैरान्चिमा में मूल रूप से एकीकृत करना, इलेक्ट्रोड प्रविष्टि के बाद देखी गई न्यूरोभड़काऊ प्रतिक्रिया को कम करना और गुणवत्ता में सुधार करना है और गुणवत्ता में सुधार करना है और इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल रिकॉर्डिंग की दीर्घायु। यहां हम हाल ही में नैनो-आर्किटेक्चर के रूप में वर्गीकृत एक बायोमिमेटिक दृष्टिकोण को नियोजित करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं। केंद्रित आयन बीम लिथोग्राफी (एफआईबी) का उपयोग इस प्रोटोकॉल में गैर-कार्यात्मक और कार्यात्मक एकल टांग इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड की सतह में विशिष्ट नैनो-आर्किटेक्चर सुविधाओं को नक़्क़ाशी करने के लिए किया गया था। इलेक्ट्रोड सतह में नैनो-आर्किटेक्चर नक़्क़ाशी ने प्रत्यारोपित डिवाइस की जैव अनुकूलता और कार्यक्षमता में संभावित सुधार का संकेत दिया। एफआईबी का उपयोग करने के लाभों में से एक विनिर्मित उपकरणों पर नक़्क़ाशी करने की क्षमता है, जैसा कि डिवाइस के निर्माण के दौरान किया गया था, विनिर्माण के बाद कई चिकित्सा उपकरणों को संशोधित करने के लिए असीम संभावनाओं को सुविधाजनक बनाता है। यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल को विभिन्न सामग्री प्रकारों, नैनो-आर्किटेक्चर सुविधाओं और उपकरणों के प्रकारों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों की सतह को बढ़ाने के ऊतकों में डिवाइस प्रदर्शन और एकीकरण में सुधार कर सकते हैं ।
Introduction
इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड (आईएएम) वेसिव इलेक्ट्रोड हैं जो बाहरी उपकरणों और सेरेब्रल कॉर्टेक्स1,2के अंदर न्यूरोनल आबादी के बीच प्रत्यक्ष इंटरफेसिंग का एक साधन प्रदान करते हैं। यह तकनीक तंत्रिका कार्य क्षमता रिकॉर्ड करने के लिए एक अमूल्य उपकरण है ताकि न्यूरोनल फ़ंक्शन का पता लगाने, न्यूरोलॉजिकल रोगों की अग्रिम समझ और संभावित उपचारविकसित करने की वैज्ञानिकों की क्षमता में सुधार किया जा सके। इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड, जिसे ब्रेन मशीन इंटरफेस (बीएमआई) सिस्टम के हिस्से के रूप में उपयोग किया जाता है, न्यूरॉन्स के किसी व्यक्ति या छोटे समूहों से कार्रवाई क्षमता की रिकॉर्डिंग को मोटर इरादों का पता लगाने में सक्षम बनाता है जिसका उपयोग कार्यात्मक आउटपुट3का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। वास्तव में, बीएमआई प्रणालियों का सफलतापूर्वक कृत्रिम और चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए उपयोग किया गया है, जैसे कि एमियोट्रोफिक पार्श्व स्क्लेरोसिस (एएलएस)4 और रीढ़ की हड्डी की चोटों5 के साथ रोगियों में कंप्यूटर कर्सर संचालित करने के लिए अधिग्रहीत सेंसरीमोटर रिदम नियंत्रण और रीढ़ की हड्डी की चोट5 और पुरानी टेट्राप्लेजिया6से पीड़ित लोगों में आंदोलन बहाल करना।
दुर्भाग्य से, आईएमएस अक्सर कई विफलता मोड के कारण समय के साथ लगातार रिकॉर्ड करने में विफल रहता है जिसमें यांत्रिक, जैविक और भौतिक कारक7,8शामिल होते हैं। इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपण के बाद होने वाली न्यूरोभड़काऊ प्रतिक्रिया को इलेक्ट्रोड विफलता9, 10 ,11,12,13,14में योगदान देने के लिए एक काफी चुनौती माना जाता है । आईएमई के प्रारंभिक सम्मिलन के दौरान न्यूरोभड़काऊ प्रतिक्रिया शुरू की जाती है जो रक्त मस्तिष्क बाधा को तोड़ता है, स्थानीय मस्तिष्क परेंचिमा को नुकसान पहुंचाता है और ग्लियल और न्यूरोनल नेटवर्क15,16को बाधित करता है। इस तीव्र प्रतिक्रिया की विशेषता ग्लडियल कोशिकाओं (माइक्रोग्लिया/मैक्रोफेज और एस्ट्रोसाइट्स) की सक्रियता है, जो प्रत्यारोपण स्थल17,18,19,20के आसपास प्रो -भड़काऊ और न्यूरोटॉक्सिक अणुओं को छोड़ती है । ग्लियल कोशिकाओं की पुरानी सक्रियता के परिणामस्वरूप विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया होती है जो मस्तिष्क के स्वस्थ ऊतक7,9,12,13,17,21,22से इलेक्ट्रोड को अलग करने वाली ग्लियल निशान के गठन की विशेषता होती है । अंततः, इलेक्ट्रोड और न्यूरॉन्स के बीच शारीरिक बाधा और न्यूरॉन्स23,24,25के पतन और मृत्यु के कारण, न्यूरोनल कार्रवाई क्षमता रिकॉर्ड करने की इलेक्ट्रोड की क्षमता में बाधा।
इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड की शुरुआती विफलता से अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रोड के विकास में काफी शोध हुआ है , जिसमें बायोमिमेटिक रणनीतियों26,27,28,29,30पर जोर दिया गया है । यहां वर्णित प्रोटोकॉल के लिए विशेष रुचि का, आईआईएमएस31के लिए बायोमिमेटिक सतह परिवर्तन के एक वर्ग के रूप में नैनो-आर्किटेक्चर का उपयोग है। यह स्थापित किया गया है कि वीवो वातावरण में प्राकृतिक की वास्तुकला की नकल करने वाली सतहों में जैव संगत प्रतिक्रिया32,33 ,34,35,36है . इस प्रकार, इस प्रोटोकॉल को मजबूर करने वाली परिकल्पना यह है कि मस्तिष्क के ऊतकों की किसी न किसी वास्तुकला और इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड की चिकनी वास्तुकला के बीच विच्छेदन प्रत्यारोपित आईएमएस के न्यूरोभड़काऊ और पुरानी विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया में योगदान दे सकता है (पूरी समीक्षा के लिए किम एट अल31को संदर्भित करता है)। हमने पहले दिखाया है कि नैनो-आर्किटेक्चर के उपयोग में मस्तिष्क के बाह्य मैट्रिक्स वास्तुकला के समान विशेषताएं नैनो-आर्किटेक्चर्ड सब्सट्रेट्स पर सुसंस्कृत कोशिकाओं से एस्ट्रोसाइट भड़काऊ मार्कर को कम करती हैं, जबकि न्यूरोसूजन37,38के इन विट्रो और पूर्व वीवो मॉडल में फ्लैट नियंत्रण सतहों की तुलना में। इसके अलावा, हमने सिलिकॉन जांच पर सीधे नैनो-आर्किटेक्चर के लिए केंद्रित आयन बीम (एफआईबी) लिथोग्राफी के आवेदन को दिखाया है, जिसके परिणामस्वरूप चिकनी नियंत्रण समूह26की तुलना में नैनो-आर्किटेक्चर जांच के साथ प्रत्यारोपित जानवरों से न्यूरोनल व्यवहार्यता और समर्थक भड़काऊ जीन की कम अभिव्यक्ति हुई है। इसलिए, यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल का उद्देश्य निर्मित इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड उपकरणों पर नैनो-आर्किटेक्चर को एफआईबी लिथोग्राफी के उपयोग का वर्णन करना है। इस प्रोटोकॉल को स्वचालित और मैनुअल दोनों प्रक्रियाओं का उपयोग करते हुए इंट्राकॉर्टिकल माइक्रोइलेक्ट्रोड टांगों की सिलिकॉन सतहों में नैनो-आर्किटेक्चर आकार की विशेषताओं को नक़्क़ाशी करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। ये विधियां सीधी, प्रजनन योग्य हैं, और निश्चित रूप से विभिन्न डिवाइस सामग्रियों और वांछित सुविधा आकारों के लिए अनुकूलित की जा सकती हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां उल्लिखित फैब्रिकेशन प्रोटोकॉल गैर-कार्यात्मक और कार्यात्मक एकल टांग सिलिकॉन माइक्रोइलेक्ट्रोड की सतह में नैनो-आर्किटेक्चर को प्रभावी ढंग से और पुन: उत्पन्न करने के लिए केंद्रित आयन बीम लिथोग्…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस अध्ययन को संयुक्त राज्य अमेरिका (अमेरिका) के दिग्गजों मामलों के पुनर्वास अनुसंधान और विकास सेवा पुरस्कार: #RX001664-01A1 (सीडीए-1, Ereifej) और #RX002628-01A1 (सीडीए-2, Ereifej) द्वारा समर्थित किया गया था । सामग्री अमेरिका के दिग्गजों मामलों या संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार के विभाग के विचारों का प्रतिनिधित्व नहीं करते । लेखकों को कर्मचारियों की सहायता और इंस्ट्रूमेंटेशन के उपयोग के लिए FEI कंपनी (अब थर्मोफिशर वैज्ञानिक का हिस्सा) का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं, जो इस शोध में इस्तेमाल की गई लिपियों को विकसित करने में सहायता प्राप्त है ।
Materials
| 16-Channel ZIF-Clip Headstage | Tucker Davis Technologies | ZC16 | The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html |
| 1-meter cable, ALL spring wrapped | Thomas Scientific | 1213F04 | Any non treated petri dish will suffice. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture |
| 32-Channel ZIF-Clip Headstage Holder | Tucker Davis Technologies | Z-ROD32 | The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html |
| Acetone, Thinner/Extender/Cleaner, 30ml | Ted Pella | 16023 | https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062 |
| Baby-Mixter Hemostat | Fine Science Tools | 13013-14 | Any curved hemostat will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat |
| Carbon Conductive Tape, Double Coated | Ted Pella | 16084-7 | The protocol suggested three options for mounting the functional electrode to the aluminum stub (copper or carbon conductive tape or a low profile clip. We utilized the carbon conductive tape in our study. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm |
| Corning Costar Not Treated Multiple Well Plates – 6 well | Sigma Aldrich | CLS3736-100EA | Any non-treated 6 well plate will suffice. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/ |
| Dumont #5 Fine Forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Either this fine forceps or the vacuum pump will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/Dumont-5-Forceps/11251-30 |
| Ethanol, 190 proof (95%), USP, Decon Labs | Fisher Scientific | 22-032-600 | Any 95% ethanol will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600 |
| Falcon Cell Strainer | Fisher Scientific | 08-771-1 | https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711 |
| FEI, Tescan, Zeiss (also for Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), aluminum, grooved edge, Ø32mm | Ted Pella | 16148 | Depending on the SEM machine used, you may need a different size stub. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180 |
| Fisherbrand Aluminum Foil, Standard-gauge roll | Fisher Scientific | 01-213-101 | Any aluminum foil will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250 |
| Fisherbrand Low- and Tall-Form PTFE Evaporating Dishes | Fisher Scientific | 02-617-149 | Any Teflon plate will suffice, this is used to dry the probes after washing on a surface they will not stick onto. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552 |
| Michigan-style silicon functional electrode | NeuroNexus | A1x16-3mm-100-177 | http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/ |
| Model 1772 Universal holder | KOPF | Model 1772 | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/ |
| Model 900-U Small Animal Stereotaxic Instrument | KOPF | Model 900-U | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/ |
| Model 960 Electrode Manipulator with AP Slide Assembly | KOPF | Model 960 | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/ |
| Parafilm M 10cm x 76.2m (4" x 250') | Ted Pella | 807-5 | https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htm |
| PELCO Vacuum Pick-Up System, 220V | Ted Pella | 520-1-220 | Either this vacuum pump or the fine forceps will suffice. http://www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520 |
| PELCO Conductive Silver Paint | Ted Pella | 16062 | https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062 |
| SEM FIB FEI Helios 650 Nanolab | Thermo Fisher Scientific | Helios G2 650 | This is the specific focused ion beam and scanning electron microscope used in the protocol. The Nanobuilder software is what it comes with. If a different FIB instrument is used, it may not be completely compatible with the protocol, specifically the steps requiring the Nanobuilder software. https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/ |
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