Fabricación de ti3C2 Matrizs de Microelectrodos MXene para Grabación Neuronal In Vivo
Summary
Aquí describimos un método para fabricar matrices de microelectrodos Ti3C2 MXene y utilizarlas para la grabación neuronal in vivo.
Abstract
Las tecnologías de microelectrodos implantables se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal a microescala para obtener una comprensión más profunda de los fundamentos neuronales de la enfermedad cerebral y las lesiones. A medida que los electrodos se miniaturizan a la escala de células individuales, un aumento correspondiente en la impedancia de la interfaz limita la calidad de las señales registradas. Además, los materiales de electrodos convencionales son rígidos, lo que resulta en una falta mecánica significativa entre el electrodo y el tejido cerebral circundante, lo que provoca una respuesta inflamatoria que eventualmente conduce a una degradación del rendimiento del dispositivo. Para hacer frente a estos desafíos, hemos desarrollado un proceso para fabricar microelectrodos flexibles basados en Ti3C2 MXene, un nanomaterial recientemente descubierto que posee una capacitancia volumétrica notablemente alta, conductividad eléctrica, funcionalidad de superficie y procesabilidad en dispersiones acuosas. Los arreglos flexibles de microelectrodos Ti3C2 MXene tienen una impedancia notablemente baja debido a la alta conductividad y la alta superficie específica de las películas Ti3C2 MXene, y han demostrado ser exquisitamente sensibles para el registro de la actividad neuronal. En este protocolo, describimos un método novedoso para micropatrón de Ti3C2 MXene en matrices de microelectrodos en sustratos poliméricos flexibles y delineamos su uso para el registro de microelectrocorticografía in vivo. Este método se puede ampliar fácilmente para crear matrices de electrodos MXene de tamaño arbitrario o geometría para una gama de otras aplicaciones en bioelectrónica y también se puede adaptar para su uso con otras tintas conductoras además de Ti3C2 MXene. Este protocolo permite la fabricación simple y escalable de microelectrodos a partir de tintas conductoras basadas en soluciones, y específicamente permite aprovechar las propiedades únicas de Ti3C2 MXene hidrófilos para superar muchas de las barreras que han obstaculizado durante mucho tiempo la adopción generalizada de nanomateriales basados en carbono para microelectrodos neuronales de alta fidelidad.
Introduction
Comprender los mecanismos fundamentales subyacentes a los circuitos neuronales, y cómo se altera su dinámica en enfermedades o lesiones, es un objetivo crítico para desarrollar terapias eficaces para una amplia gama de trastornos neurológicos y neuromusculares. Las tecnologías de microelectrodos se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal en escalas espaciales y temporales finas. Sin embargo, la obtención de grabaciones estables con una alta relación señal-ruido (SNR) de electrodos a microescala ha demostrado ser particularmente difícil. A medida que las dimensiones de los electrodos se reducen para acercarse a la escala celular, un aumento correspondiente en la impedancia del electrodo degrada la calidad de la señal1. Además, numerosos estudios han demostrado que los electrodos rígidos compuestos por materiales electrónicos convencionales de silicio y metal producen daños e inflamación significativos en el tejido neural, lo que limita su utilidad para el registro a largo plazo2,3,4,5. Teniendo en cuenta estos hechos, ha habido un interés significativo en el desarrollo de microelectrodos con nuevos materiales que pueden reducir la impedancia de la interfaz electrodo-tejido y se pueden incorporar en factores de forma suaves y flexibles.
Un método comúnmente utilizado para reducir la impedancia de la interfaz electrodo-tejido es aumentar el área sobre qué especies iónicas en el fluido extracelular pueden interactuar con el electrodo, o la “superficie efectiva” del electrodo. Esto se puede lograr mediante nanopatrones6,desbaste superficial7,o electroplacado con aditivos porosos8,9. Los nanomateriales han ganado una atención significativa en este campo porque ofrecen áreas superficiales específicas intrínsecamente altas y combinaciones únicas de propiedades eléctricas y mecánicas favorables10. Por ejemplo, los nanotubos de carbono se han utilizado como recubrimiento para reducir significativamente la impedancia de los electrodos 11,12,13, el óxido de grafeno se ha procesado en electrodos de sonda blandos y flexibles de pie14,y se ha utilizado grafeno poroso con láser15. A pesar de su promesa, la falta de métodos de montaje escalables ha limitado la adopción generalizada de nanomateriales para electrodos de interconexión neuronal. Los nanomateriales a base de carbono en particular son típicamente hidrófobos, y por lo tanto requieren el uso de tensioactivos16,superácidos17o funcionalización superficial18 para formar dispersiones acuosas para métodos de fabricación de procesamiento de soluciones, mientras que los métodos alternativos de fabricación, como la deposición de vapor químico (CVD), normalmente requieren altas temperaturas que son incompatibles con muchos sustratos poliméricos19,20,21 ,22.
Recientemente, se ha descrito una clase de nanomateriales bidimensionales (2D), conocidos como MXenes, que ofrece una combinación excepcional de alta conductividad, flexibilidad, capacitancia volumétrica y hidroflicidad inherente, lo que los convierte en una clase prometedora de nanomateriales para electrodos de interfaz neuronal23. Los mXenes son una familia de carburos y nitruros metálicos de transición 2D que se producen más comúnmente al grabar selectivamente el elemento A a partir de precursores en capas. Por lo general, se trata de fases MAX con la fórmula general Mn+1AXn, donde M es un metal de transición temprana, A es un elemento de grupo de 12 a 16 de la tabla periódica, X es carbono y/o nitrógeno, y n a 1, 2 o 324. Las escamas bidimensionales de MXene tienen grupos funcionales que terminan la superficie y pueden incluir hidroxilo (OH), oxígeno (O) o flúor (-F). Estos grupos funcionales hacen MXenes inherentemente hidrófilos y permiten la modificación o funcionalización flexible de la superficie. De la gran clase de MXenes, Ti3C2 ha sido el más estudiado y caracterizado25,26,27. Ti3C2 muestra una capacitancia volumétrica notablemente mayor (1.500 F/cm3)28 que el grafeno activado (60 x 100 F/cm3)29, carbonos derivados del carburo (180 F/cm3)30y películas de gel de grafeno (260 F/cm3)31. Además, Ti3C2 muestra una conductividad electrónica extremadamente alta (10.000 S/cm)32,y su biocompatibilidad se ha demostrado en varios estudios33,34,35,36. La alta capacitancia volumétrica de las películas Ti3C2 es ventajosa para aplicaciones de ciesificación biológica y estimulación, ya que los electrodos que exhiben transferencia capacitiva de carga pueden evitar reacciones de hidrólisis potencialmente dañinas.
Nuestro grupo ha demostrado recientemente arreglos flexibles de microelectrodos Ti3C2 de película delgada, preparados utilizando métodos de procesamiento de soluciones, que son capaces de registrar tanto la microelectrocorticografía (micro-ECoG) como la actividad de espiga neuronal intracortical in vivo con alto SNR36. Estos electrodos de mxene mostraron una impedancia significativamente reducida en comparación con los electrodos de oro (Au) de tamaño coincidente, que se pueden atribuir a la alta conductividad del mxene y la alta superficie de los electrodos. En este protocolo, describimos los pasos clave para fabricar matrices de microelectrodos planos de Ti3C2 MXene en sustratos flexibles de parileno-C y utilizarlos in vivo para el registro intraoperatorio de micro-ECoG. Este método aprovecha la naturaleza hidrófila de MXene, lo que hace posible el uso de métodos de procesamiento de soluciones que son simples y escalables sin necesidad de utilizar tensioactivos o sobreácidos para lograr suspensiones acuosas estables. Esta facilidad de procesabilidad puede permitir una producción rentable de biosensores MXene a escala industrial, lo que ha sido una limitación importante para la adopción generalizada de dispositivos basados en otros nanomateriales de carbono. La innovación clave en la fabricación de electrodos radica en el uso de una capa polimérica sacrificial para micropatrón del MXene después del recubrimiento de espín, un método adaptado de la literatura sobre poliprocesado solución(3,4-etilendioxitiofeno):poly(sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS) microelectrodos37,pero que no había sido descrito previamente para el patrón MXene. Las excepcionales propiedades eléctricas de Ti3C2,junto con su procesabilidad y morfología 2D lo convierten en un material muy prometedor para interfaces neuronales. En particular, Ti3C2 ofrece una ruta hacia la superación del equilibrio fundamental entre el área geométrica del electrodo y la impedancia de la interfaz electroquímica, un factor limitante primario para el rendimiento del electrodo a microescala. Además, el procedimiento de fabricación descrito en este protocolo se puede adaptar para producir matrices de electrodos MXene de diferentes tamaños y geometrías para diferentes paradigmas de grabación, y también se puede adaptar fácilmente para incorporar otras tintas conductoras además de MXene.
Protocol
Representative Results
Discussion
El procedimiento de síntesis y delaminación de MXene descrito en este protocolo (HF/HCl/LiCl) se construyó a partir del enfoque de grabado MILD que empleó un lif/HCl (hf in situ) etchant medio26. El enfoque MILD permite que grandes escamas de Ti3C2 (varias de tamaño lateral) se delalen espontáneamente durante el lavado una vez que se haya alcanzado el pH 5o6. En comparación con el grabado con HF solo, esto resulta en material con mayor calidad y propiedades de material…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (concesión no. R21-NS106434), el Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, la Mirowski Family Foundation y Neil and Barbara Smit (F.V.); el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (conceder no. DGE-1845298 a N.D. y B.M.); la Oficina de Investigación del Ejército (Acuerdo Cooperativo Número W911NF-18-2-0026 a K.M.); y por el Ejército de los Estados Unidos a través del Programa de Iniciativa de Ciencia Sólapto en el Centro Biológico Químico Edgewood (PE 0601102A Proyecto VR9 a Y.G. y K.M.). Este trabajo se llevó a cabo en parte en el Centro Singh de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo del Programa Nacional de Infraestructura Coordinada en Nanotecnología de la Fundación Nacional de Ciencias (NNCI-1542153).
Materials
| 00-90 screw | McMaster-Carr | 90910A630 | Skull screw around which ground wire is wrapped |
| 128ch stimulation/recording controller | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| 175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes | Falcon | REF: 352076 | Used for washing |
| 18 position 0.5 mm pitch ZIF connector | Molex | 505110-1892 | Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board. |
| 18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage. |
| 3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Used for transferring etchant or MXene solutions |
| 50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube | Falcon | REF: 352070 | Used for washing and size selection |
| Al etchant Type A | Transene | 060-0026000-QT | For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch. |
| Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Used for MAX synthesis |
| AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor. | |
| Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure. |
| Buprenorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia for rat surgery | |
| Centrifuge | Hermle | Benchmark Z 446 | Used for washing and size selection |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthesia for rat surgery |
| Drill burr | Fine Science Tools | 19007-07 | Burrs for drill |
| Electric drill | Foredom | K.1070 | Micromotor drill for craniotomies |
| Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker Company | Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Ground wire | A-M Systems | 781500 | Bare silver wire |
| Headspace Vial, glass | Supelco | REF: 27298 | Used for storing MXene solutions |
| Hydrochloric acid (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosive; etchant material |
| Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Etchant material |
| Jupiter II RIE system | March Plasma Systems Inc. | Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system. | |
| Kapton standard polyimide tape, 1/4" | DuPont | Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector. | |
| Ketamine | Hospital of the Univ. of Penn. | Anesthesia for rat surgery | |
| KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool. | |
| Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous | Acros | CAS: 7447-41-8 | Hygroscopic; delamination material |
| MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
| Micro-90 cleaning solution | International Products Corporation | M-9050-12 | Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene |
| NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices. |
| Ophthalmic ointment | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | To prevent corneal drying during surgery |
| Parylene deposition system | Specialty Coating Systems | Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C | |
| Parylene-C dimer | Specialty Coating Systems | 980130-c-01lbe | Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices |
| Photomasks (chrome on soda lime glass) | University of Pennsylvania | Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files. | |
| Povidone-iodine solution | Medline | MDS093901 | To help prevent infection around scalp incision |
| Printed Circuit Board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files. | |
| RD6 Developer | Futurrex Inc. | RD6 Developer | Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure |
| Reference 600 potentiostat | Gamry Instruments | Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning |
| RHS2000 Stim SPI interface cable | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| RHS2116 amplifier board | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
| Si wafers | Wafer World | 2885 | Substrate for fabrication |
| Spin Coater | Cost Effective Equipment | For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters. | |
| Stereotaxic frame | Kopf Instruments | Model 902 | For positioning the rat for neurosurgery |
| Teflon-coated magnetic stir bar | Corning | REF: 1233W95 | Used to stir during etching and intercalation |
| Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Used for MAX synthesis |
| Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Used for MAX synthesis |
| Ultrasonic bath sonicator | Reynolds Tech | For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals. | |
| UV vis spectrophotometer | ThermoScientific | Evolution 201 | Used to determine concentration and observe absorption peak |
| Zetasizer, Particle Size Analysis | Malvern Panalytical | Nano ZS | Used to determine particle lateral size distibution |
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