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聚焦离子束光刻技术在微电极上刻蚀纳米结构

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DOI：

10.3791/60004

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2020年1月19日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 2Veteran Affairs Ann Arbor Healthcare System, 3Department of Neurology, School of Medicine, University of Michigan, 4Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 5Michigan Center for Materials Characterization, University of Michigan, 6Carl Zeiss SMT, Inc.

本文内容

摘要

我们已证明，将纳米结构蚀刻到皮层内微电极装置中可减轻炎症反应，并有望改善电生理记录效果。本文所述方法概述了一种将纳米结构蚀刻至非功能性及功能性单束硅基皮层内微电极表面的技术途径。

摘要

随着电子技术和制造技术的进步，皮层内微电极已取得显著改进，使得能够生产出分辨率更高、功能更强大的复杂微电极。制造技术的进步推动了仿生电极的发展，这类电极旨在无缝整合入脑实质，减轻电极植入后所引发的神经炎症反应，并提高电生理记录的质量与持续时间。本文介绍一种近期被归类为纳米结构的仿生方法操作方案。本方案采用聚焦离子束光刻技术（FIB），在非功能性及功能性单探针皮层内微电极表面刻蚀出特定的纳米结构特征。在电极表面刻蚀纳米结构可能有助于提升植入器件的生物相容性与功能性。使用FIB的优势之一在于其可在已完成制造的器件上进行刻蚀，而非仅限于制造过程中，从而为制造后修改多种医疗器械提供了无限可能。本文所述方案可针对不同材料类型、纳米结构特征以及器件类型进行优化。对植入式医疗器件表面进行改性，可提升器件性能及其与组织的整合能力。

引言

皮层内微电极（IME）是一种侵入式电极，可实现外部设备与大脑皮层内神经元群体之间的直接交互1,2。该技术是记录神经元动作电位的宝贵工具，有助于科学家深入探索神经元功能、增进对神经系统疾病的理解，并推动潜在治疗方法的开发。作为脑机接口（BMI）系统的一部分，皮层内微电极能够记录单个或少量神经元的动作电位，以检测可用于产生功能性输出的运动意图3。事实上，BMI系统已在假肢控制和治疗领域取得成功应用，例如帮助肌萎缩侧索硬化症（ALS）4和脊髓损伤患者5通过习得的感觉运动节律控制计算机光标，以及恢复慢性四肢瘫痪患者的运动能力6。

遗憾的是，由于机械、生物和材料等多种因素导致的失效模式，植入式微电极（IME）往往难以长期稳定记录信号7,8。电极植入后引发的神经炎症反应被认为是导致电极失效的重要挑战之一9,10,11,12,13,14。神经炎症反应始于IME的初始插入过程，此时血脑屏障被破坏，局部脑实质受损，胶质细胞和神经元网络受到干扰15,16。这种急性反应的特征是胶质细胞（小胶质细胞/巨噬细胞和星形胶质细胞）被激活，并在植入部位周围释放促炎性和神经毒性分子17,18,19,20。胶质细胞的长期持续激活会导致异物反应，其特征是形成胶质瘢痕，将电极与健康的脑组织隔离7,9,12,13,17,21,22。最终，由于电极与神经元之间形成物理屏障，以及神经元的退化和死亡，电极记录神经元动作电位的能力受到阻碍23,24,25。

皮层内微电极的早期失效问题已促使研究人员广泛开展下一代电极的研发工作，其中重点集中在仿生策略上26,27,28,29,30。与本方案特别相关的是，将纳米结构作为一类用于皮层内微电极（IMEs）的仿生表面改性手段31。已有研究证实，模拟体内自然环境结构的表面可引发更佳的生物相容性反应32,33,34,35,36。因此，本方案所依据的假设是：脑组织粗糙的结构与皮层内微电极光滑的结构之间存在的不匹配，可能促进了植入后IMEs引发的神经炎症及慢性异物反应（详见Kim等人的综述31）。我们先前的研究表明，在体外和离体神经炎症模型中，与平坦的对照表面相比，采用类似脑细胞外基质结构的纳米结构表面可显著降低培养于其上的星形胶质细胞的炎症标志物表达水平37,38。此外，我们还发现，利用聚焦离子束（FIB）光刻技术将纳米结构直接刻蚀到硅基探针表面后，植入该类纳米结构探针的动物表现出显著更高的神经元存活率以及更低的促炎基因表达水平，相较于光滑表面的对照组具有明显优势26。因此，本方案旨在描述如何使用FIB光刻技术在已制备的皮层内微电极装置上刻蚀纳米结构。该方案设计用于通过自动和手动相结合的方式，在皮层内微电极针体的硅质表面加工出纳米尺度的结构特征。这些方法操作简便、可重复性强，并且完全可以根据不同器件材料和所需特征尺寸进行优化。

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方案

注意：操作时请穿戴适当的个人防护装备，例如实验服和手套。

1. 用于聚焦离子束（FIB）光刻的非功能硅探针安装

注意：有关制造带有 1,000 个探针的绝缘体上硅（SOI）晶圆的完整步骤，请参见 Ereifej 等人39。

  1. 从含有1000个探针的绝缘体上硅（SOI）晶圆中分离出一条包含2-3个硅探针的条带。切勿制作包含三个以上硅探针的条带，这可能会增加安装松动的风险，并导致错位，从而使聚焦离子束（FIB）刻蚀不准确。
    注意：若条带/探针未牢固地固定在铝制样品台上，可能引发两个问题：1）当载物台移动至下一区域工作时，会产生振动，导致铣削不精确，直至探针稳定；2）可能导致高度差异较大，使探针脱离焦平面。
    1. 佩戴手套后，使用精细镊子对探针周围施加压力，折下包含两到三个探针的小段。
  2. 在进行聚焦离子束（FIB）刻蚀前，仔细清除硅探针上的所有灰尘和碎屑。准备一个6孔聚苯乙烯板，在其中三个孔中每孔加入3 mL的95%乙醇。
    1. 使用尖头镊子或真空镊子小心夹取已切割的硅探针条带，并将其放入细胞筛中。每个细胞筛中仅放置一条硅探针条带，以防止探针断裂。将含有硅探针条带的细胞筛放入第一个含95%乙醇的孔中进行清洗，在第一个孔中保持5分钟。
    2. 将含有硅探针的细胞筛从第一个孔转移至第二个含95%乙醇的孔中，继续清洗5分钟。再重复一次，转移至第三个孔中。
    3. 将清洗后的硅探针条带所在的细胞筛放置于聚四氟乙烯板上，使其自然风干。此步骤应在无菌操作台中进行，以避免灰尘污染。
  3. 将风干后的硅探针条带放入密封容器中，以便运输至扫描电镜-聚焦离子束（SEM-FIB）设备。运输和/或储存时，用塑料膜或铝箔包裹含有风干样品的细胞筛，以保持清洁状态。
  4. 使用尖头镊子或真空镊子小心夹取清洁后的硅探针条带，并将其放置于洁净的铝制样品台（用于SEM-FIB成像/刻蚀）上，准备固定。
  5. 使用牙签（或其他尖端精细的工具，如细电线），在探针周围硅基底的边缘处涂抹少量银浆（约10 µL）。通过将银浆涂抹在探针周围硅基底的侧面，使条带牢固固定。在将铝制样品台放入SEM-FIB设备前，确保银浆完全干燥。
    注意：请务必避免将银浆沾到电极的针柄部分，因为该区域是后续将被刻蚀的部分。若探针条带未牢固固定在铝制样品台上，处理过程中条带可能发生移动或焦平面不一致，从而导致FIB刻蚀不准确。多个硅探针条带可安装在同一铝制样品台上，但需确保条带之间留有足够空间，以便刻蚀后从样品台上取出。这将有助于利用下文所述的自动化功能更高效地完成多个探针的刻蚀。

2. 将聚焦离子束与硅探针对齐

  1. 在光束控制选项卡中点击vent按钮以对腔室进行通气。按下Shift+F3执行载物台归位操作。在弹出窗口中选择Home Stage按钮以确认选择。
    注意：执行载物台归位操作是一项预防性步骤，可确保软件正确读取载物台轴向位置，并确认显微镜处于良好状态。
  2. 完成载物台归位后，将载物台移动至坐标 X = 70 mm，Y = 70 mm，Z = 0 mm，T = 0°，R = 0°。待腔室通气完成后，戴上洁净的丁腈手套并打开腔室门。
    注意：根据前一位用户的应用情况，可能需要更换载物台适配器。标准载物台适配器（例如 FEI 风格）可通过逆时针旋转中心螺栓拆卸，并通过顺时针旋入载物台旋转盘进行安装。
  3. 将固定探针的铝制样品台插入载物台适配器顶部。通过拧紧适配器侧面的紧定螺钉来固定铝制样品台。此操作请使用 1.5 mm 六角扳手。
  4. 通过顺时针旋转适配器降低其高度，或逆时针旋转以升高。通过顺时针旋转锁紧锥形螺母，将载物台适配器固定在旋转盘上。拧紧锥形螺母时，请用另一只手握住载物台适配器，防止适配器和样品发生旋转。
    注意：使用提供的高度规确定合适高度。铝制样品台顶部应与高度规上所示的最大刻度线齐平。过度拧紧锥形螺母可能损坏载物台和适配器。仅需施加足够固定样品的力即可。
  5. 获取导航相机图像。小心地将导航相机臂向外摆动至其停止位置。显微镜载物台将自动移动到相机下方位置。观察显微镜用户界面（UI）中第四象限显示的实时图像。
    1. 当亮度自动调节至适当水平后，按下相机支架上的按钮以获取图像。请确保等待整个图像采集完成，完成标志为第四象限出现暂停符号且相机照明关闭。此过程约需 10 秒。将相机臂摆回关闭位置。载物台将返回原始位置。
  6. 小心关闭显微镜腔室门。关闭门时，请观察第四象限中的 CCD 相机图像，确保样品和载物台与腔室内任何关键组件保持安全距离。
  7. 在光束控制选项卡中，点击 Pump 按钮旁边的下拉箭头。在 UI 软件中选择Pump with Sample Cleaning按钮，以启动腔室真空泵和内置等离子清洗器。泵运行期间，请轻推腔室门表面，确保门已密封。等待约 8 分钟，直至腔室抽真空和等离子清洗周期完成。
    注意：可通过轻拉腔室门来确认真空密封状态；若系统处于真空状态，门应保持关闭。
  8. 当 UI 右下角图标变为绿色后，在光束控制选项卡中按下 Wake-Up 按钮，以开启电子束和离子束。选择第一象限并将束信号设置为电子束（如尚未设置），将第二象限设置为离子束（如尚未设置）。
    1. 将 SEM 电压设为 5 kV，SEM 束流设为 0.20 nA，SEM 探测器设为 ETD，探测器模式设为二次电子。将 FIB 电压设为 30 kV，FIB 束流设为 24 pA，FIB 探测器设为 ICE 探测器，探测器模式设为二次电子。
  9. 在导航相机图像（第三象限）中双击silicon probe，将载物台移至探针的大致位置。点击quadrant 1以将其设为活动象限，并按下暂停按钮以开始 SEM 扫描。将扫描驻留时间设为 300 ns，并关闭scan interlacing、line integration和frame averaging。在光束控制选项卡中将扫描旋转设为 0，并右键点击束偏移 2D 调节器并选择zero。
  10. 通过逆时针旋转 MUI 面板上的放大倍数旋钮，将放大倍数调整至最小值。使用 MUI 面板上的旋钮或Auto Contrast Brightness工具栏图标调节图像亮度和对比度。
  11. 通过在特征上双击鼠标左键以居中，或按下鼠标滚轮并激活摇杆鼠标模式来移动载物台。将需要图案化的硅探针移至 SEM 图像中心。
  12. 定位一个边缘或其他特征（如灰尘颗粒或划痕）。顺时针旋转放大倍数旋钮，将放大倍数提高至 2,000x。通过调节 MUI 上的粗调和微调焦旋钮，调整 SEM 焦距，直至图像清晰。图像清晰后，在工具栏中选择Link sample Z to working distance按钮。
  13. 通过查看导航选项卡中的 Z 轴坐标确认操作已完成。该值应约为 11 mm。在 Z 轴位置输入 4.0 mm，用鼠标点击Go To按钮或按键盘回车键，载物台将移动至 4 mm 工作距离。
  14. 在 X 和 Y 方向移动载物台，定位硅探针的肩部。尽可能将其置于 SEM 图像中心。在 T 坐标中输入"52"并将倾斜角改为 52˚，然后按回车键。观察探针肩部在图像中是否向上或向下移动。使用载物台 Z 滑块将探针肩部重新移回 SEM 图像中心。仅调整 Z 位置，不要移动 X、Y、T 或 R 轴。
  15. 运行阶段下拉菜单中的内置"xT Align Feature"命令。使用鼠标点击探针边缘平行的两个点。确保弹出窗口中选中了水平单选按钮，然后点击完成。载物台将旋转以使探针对齐载物台的 X 轴。再次使用鼠标在 X、Y 方向调整载物台，将探针下肩部置于 SEM 图像中心。
    注意：第一个点应朝向探针握持端，第二个点应朝向探针尖端。
  16. 选择第二象限中的 FIB，并确保束流仍为 24 pA。将放大倍数设为 5,000x，驻留时间设为 100 ns。在键盘上输入Ctrl-F，将 FIB 焦距设为 13.0 mm。在光束控制选项卡中，右键点击stigmator 2d adjuster并选择zero，同样右键点击Beam Shift 2d adjuster并选择zero。将扫描旋转设为 0°，并点击工具栏中的自动对比度亮度按钮。
  17. 在第二象限中寻找探针肩部的图像。使用snapshot tool通过 FIB 获取图像。确认探针肩部位于 FIB 图像中心；若未居中，双击探针肩部以将其移至中心。通过按键盘上的左箭头键约 10–15 次，将载物台向左移动。再次拍摄快照，并观察探针侧面是否仍位于 FIB 图像中心。
    注意：若未居中，则必须略微调整载物台旋转角度。若探针位于图像中心上方，载物台需向负方向旋转；若探针位于中心下方，则需顺时针旋转。根据对齐需要，输入 0.01 至 0.2 度的相对共心旋转值。
  18. 重复步骤 2.16 至 2.17，直至探针肩部边缘与载物台 X 轴完全对齐（向左移动时边缘保持在 FIB 图像中心）。
  19. 使用 FIB 将载物台移回探针下肩部。通过点击Add按钮，将当前载物台位置保存至位置列表。将 FIB 束流改为 2.5 nA，并确保 FIB 放大倍数仍为 5000x。运行自动亮度对比度功能，并将 FIB 驻留时间设为 100 ns。
  20. 按下暂停按钮以开始扫描。尽可能快速而精确地使用 MUI 面板上的粗调和微调焦旋钮，以及 X 和 Y 消像散旋钮，调节 FIB 焦点和像散。按下暂停按钮以停止 FIB 扫描。

3. 编写蚀刻的自动化流程

  1. 在 Windows 开始菜单中找到软件并启动（例如，开始\程序\FEI 公司\应用程序\Nanobuilder）。将软件窗口放置在侧边显示器上，确保用户界面不被遮挡。通过点击文件，然后点击打开，打开用于硅探针图形化的文件。在窗口浏览器中导航至软件脚本所在位置（补充文件 1 — 文件名为 "Case_Western_2000_micron_Final_11H47M_runtime.jbj"）。
  2. 在软件中，选择显微镜下拉菜单，然后选择设置载物台原点。在软件中，选择显微镜下拉菜单，然后选择校准探测器。
  3. 在显微镜用户界面中，用鼠标单击四象限 1一次以选中该象限。忽略弹出窗口中显示的其他说明，本项目无需执行这些步骤。点击确定开始校准过程。该过程大约需要 5 分钟。请确保 ETD 和 ICE 探测器完成校准。若其他探测器校准失败，不影响实验。
  4. 在软件中，选择显微镜下拉菜单，然后选择执行以启动图形化序列。图形化完成后，关闭软件。
    注意：软件将接管四象限 3 和 4 用于图形化和对准功能。该脚本运行时间约为 12 小时。脚本运行期间，请勿更改显微镜上的任何参数。
  5. 在显微镜用户界面的电子束控制选项卡中点击"放气"，以关闭电子束并启动放气循环。在腔室放气过程中，将载物台移动至坐标 X = 70 mm，Y = 70 mm，Z = 0 mm，T = 0°，R = 0°。腔室放气完成后，戴上洁净的丁腈手套，打开腔室门。
  6. 使用 1.5 mm 六角扳手松开样品台适配器上的紧定螺钉。从腔室中取出带有图形化探针的铝制样品台。小心关闭显微镜腔室门。关闭门时，请观察四象限 4 中的 CCD 相机图像，确保样品台适配器与腔室内任何关键部件保持安全距离。
  7. 在电子束控制选项卡中，点击泵浦按钮旁边的向下箭头，然后选择泵浦按钮以启动腔室真空泵。泵运行时，轻轻按压腔室门表面，确保门已密封。
    注意：可通过轻轻拉动腔室门来确认真空密封状态，若系统处于真空状态，门应保持关闭。抽真空时间约为 5 分钟。单次运行只能对探针的一侧进行刻蚀。
  8. 若探针的正面和背面均需刻蚀，则在完成最终刻蚀并成像正面（如需图像）后，小心取下已刻蚀的硅探针条带。使用丙酮小心擦拭或刷洗银漆，使其溶解。然后小心将探针条带翻转至背面，重新安装、对准，并按照上述步骤进行刻蚀。

4. 检查最终蚀刻效果并成像

  1. 研磨完成后，使用更高倍率的扫描电镜（SEM）成像来验证不同区域的均匀性。
    注意：倾斜角度成像有助于更好地评估研磨深度的变化。应特别关注研磨区域之间的过渡区域。
  2. 研磨后再次使用光学显微镜对样品进行成像。
    注意：周期性研磨线条会导致折射效应，从而在不同成像角度下呈现出不同的颜色。如果颜色在探针沿线不连续，则明显表明研磨线条存在中断或破坏。

5. 为聚焦离子束刻蚀安装功能性硅探针

  1. 轻柔地从包装中取出功能性的硅电极。使用镊子小心地抬起覆盖在头部连接端上的塑料保护标签。从固定标签的粘性胶水的一角开始抬起，持续抬起直至整个电极被取出。
  2. 使用止血钳小心夹住电极，准备将其安装到立体定位仪框架中。在用镊子夹住保护标签的同时，将弯曲的止血钳轻轻环绕在硅探针上方的绿色杆部，止血钳的弯曲部分朝上指向标签方向。锁紧止血钳，确保电极不会从钳中脱落。
  3. 轻柔地移除覆盖在头部连接端上的塑料保护标签。在用止血钳固定电极的同时，小心地将电极夹入立体定位仪框架中以进行清洁。
  4. 将3个培养皿中各加入95%乙醇（每皿约10 mL）。将一个培养皿放置在已安装于立体定位仪框架上的电极下方用于清洁。通过向下旋转显微操作器（100 µm/s）缓慢降低电极，使探针部分浸入95%乙醇中。
    注意：请小心不要过快或过深地旋转显微操作器，以免导致电极断裂（即电极不应接触培养皿底部）。
  5. 将电极探针在95%乙醇中浸泡5分钟，然后通过向上旋转显微操作器（100 µm/s）缓慢将电极从乙醇中提起。重复此步骤两次，共进行三次清洗。让电极在空气中干燥五分钟。
  6. 采用与安装电极至立体定位仪框架相同的技巧，将电极从框架中取出。小心地将止血钳夹在电极杆部。当止血钳完全夹紧后，松开立体定位仪框架对电极的固定，重新盖上覆盖头部连接端的塑料保护标签，并将清洁后的电极放回其包装中。

6. 使用聚焦离子束刻蚀功能化硅探针

  1. 将清洁后的功能化硅电极安装到铝制样品台上。使用镊子小心夹取清洁后的功能化硅电极，并取下前置放大器端的保护标签。将电极探针置于铝制样品 stub 上，确保其不悬出任何边缘，然后使用一小段铜导电胶带或碳导电胶带，将前置放大器端牢固地固定在铝制样品 stub 上。
    注意：也可使用低剖面夹具来固定电极。操作时注意不要触碰电极探针部分。
  2. 按照上述步骤（第 2 节）操作，将电极置于电镜的等心高度，并确保电极位于扫描电镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）光束的重合点。将探针对准载物台的 "X" 方向。
  3. 将聚焦离子束（FIB）设置为用于刻蚀所需纳米结构的最佳电流，并确保聚焦和消像散已正确校正。设置一组具有所需间距和长度的线条阵列，以覆盖探针部分的视野范围（500 µm 区段）。随着刻蚀沿探针向更薄区域深入，相应调整线条长度。
    注意：在刻蚀功能化电极时，无法添加基准标记以实现过程自动化。因此，不同子区段（约 500 µm）之间的移动需手动完成。
  4. 完成第一区段的铣削后，务必在进入下一区段前检查铣削质量。重复步骤 6.3 以刻蚀探针的下一区段。将前一区段已铣削的线条与下一区段所用图案对齐，以避免各次刻蚀之间出现较大间隙。

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结果

单根皮层内探针表面的聚焦离子束刻蚀纳米结构
根据本文所述方法，采用既定方案对皮层内探针进行刻蚀，形成特定的纳米结构39。本方法中所描述的纳米结构设计的尺寸与形状，源自先前的体外实验结果，表明当胶质细胞与本文所述纳米结构共培养时，其反应性降低37,38。本文所述方法采用聚焦镓离子束（FIB）在非功能性的单根硅微电极探针表面刻蚀出纳米级的平行沟槽，如前所述39。这些纳米级平行沟槽通过软件中编写的自动化脚本，沿探针背面的针柄方向进行刻蚀。最终刻蚀出的纳米结构尺寸为：平行线宽200 nm，间距300 nm，深度200 nm（图1）。利用聚焦离子束在器件表面刻蚀纳米结构，可实现对已制造器件进行精确图案的加工。

刻蚀纳米结构对皮层内探针引发神经炎症的影响

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讨论

本文所述的制备方案利用聚焦离子束光刻技术，有效且可重复地在非功能性和功能性单硅微电极表面刻蚀出纳米结构。聚焦离子束（FIB）光刻通过使用高度聚焦的离子束选择性地去除基底表面材料来实现加工50,51。FIB是一种直接写入技术，能够以纳米级分辨率和高深宽比制造多种结构特征50,52,53。为了形成不同尺寸的结构，可通过优化离子束电流的大小，将离子束斑尺寸调节在3 nm至2 µm范围内50,51。使用FIB在表面刻蚀结构的一些普遍优势包括：1）适用于多种材料，包括硅、金属和聚合物53,54,

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由美国退伍军人事务部康复研究与发展服务局资助：#RX001664-01A1（CDA-1，Ereifej）和 #RX002628-01A1（CDA-2，Ereifej）。本内容不代表美国退伍军人事务部或美国政府的观点。作者谨此感谢 FEI 公司（现为赛默飞世尔科技的一部分）在人员支持和仪器使用方面提供的帮助，这些支持有助于开发本研究中所使用的脚本。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
16通道ZIF夹式前置放大器Tucker Davis TechnologiesZC16根据所使用的电极类型，可能需要更换前置放大器和前置放大器支架。 https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
1米电缆，全弹簧包裹Thomas Scientific1213F04任何未经处理的培养皿均可使用。 https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture
32通道ZIF夹式前置放大器支架Tucker Davis TechnologiesZ-ROD32根据所使用的电极类型，可能需要更换前置放大器和前置放大器支架。 https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
丙酮，稀释剂/延展剂/清洁剂，30mlTed Pella16023https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
婴儿型Mixter止血钳Fine Science Tools13013-14任何弯曲的止血钳均可使用。 https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat
双面碳导电胶带Ted Pella16084-7本方案建议了三种将功能电极固定在铝制样品台上的方法（铜或碳导电胶带，或低剖面夹具）。我们在研究中使用了碳导电胶带。 https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm
Corning Costar未经处理的多孔板 - 6孔Sigma AldrichCLS3736-100EA任何未经处理的6孔板均可使用。 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/
Dumont #5精细镊子Fine Science Tools11251-30使用该精细镊子或真空泵均可满足要求。 https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/Dumont-5-Forceps/11251-30
乙醇，190 proof（95%），USP，Decon LabsFisher Scientific22-032-600任何95%乙醇均可使用。 https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600
Falcon细胞筛Fisher Scientific08-771-1https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711
FEI、Tescan、Zeiss（也适用于Philips、Leo、Cambridge、Leica、CamScan）铝制带槽边缘样品台，Ø32mmTed Pella16148根据所使用的扫描电镜设备，可能需要不同尺寸的样品台。 https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180
Fisherbrand铝箔，标准厚度卷装Fisher Scientific01-213-101任何铝箔均可使用。 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250
Fisherbrand低型和高型聚四氟乙烯（PTFE）蒸发皿Fisher Scientific02-617-149任何特氟龙（Teflon）板均可使用，用于在探针清洗后将其干燥，且探针不会粘附在该表面上。 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552
密歇根型硅基功能电极NeuroNexusA1x16-3mm-100-177http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/
Model 1772通用支架KOPFModel 1772其他立体定位仪及其附件亦可满足要求。 http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Model 900-U小型动物立体定位仪KOPFModel 900-U其他立体定位仪及其附件亦可满足要求。 http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/
Model 960电极操纵器（带前后方向滑动组件）KOPFModel 960其他立体定位仪及其附件亦可满足要求。 http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Parafilm M 10cm × 76.2m（4" × 250英尺）Ted Pella807-5https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htm
PELCO真空拾取系统，220VTed Pella520-1-220使用该真空泵或精细镊子均可满足要求。 http://www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520
PELCO导电银漆Ted Pella16062https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
SEM FIB FEI Helios 650 NanolabThermo Fisher ScientificHelios G2 650这是本方案中使用的特定聚焦离子束与扫描电子显微镜设备，配备Nanobuilder软件。若使用其他FIB仪器，可能与本方案不完全兼容，特别是涉及Nanobuilder软件操作的步骤。 https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/

参考文献

  1. Salcman, M., Bak, M. J. A new chronic recording intracortical microelectrode. Medical and Biological Engineering. 14 (1), 42-50 (1976).
  2. Im, C., Seo, J. -M. A review of electrodes for the electrical brain signal recording. Biomedical Engineering Letters. 6 (3), 104-112 (2016).
  3. Donoghue, J. Bridging the Brain to the World: A Perspective on Neural Interface Systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  4. Gilja, V., et al. Clinical translation of a high-performance neural prosthesis. Nature medicine. 21 (10), 1142-1145 (2015).
  5. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  6. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping in a person with tetraplegia through brain-controlled muscle stimulation: a proof-of-concept demonstration. Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  7. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
  8. Barrese, J. C., et al. Failure mode analysis of silicon-based intracortical microelectrode arrays in non-human primates. Journal of Neural Engineering. 10 (6), 066014(2013).
  9. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003(2009).
  10. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020(2012).
  11. Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  12. Kozai, T. D., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neurosciences. 6 (1), 48-67 (2015).
  13. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001(2015).
  14. Michelson, N. J., et al. Multi-scale, multi-modal analysis uncovers complex relationship at the brain tissue-implant neural interface: new emphasis on the biological interface. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 033001(2018).
  15. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  16. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  17. Ravikumar, M., et al. The Roles of Blood-derived Macrophages and Resident Microglia in the Neuroinflammatory Response to Implanted Intracortical Microelectrodes. Biomaterials. 0142 (35), 8049-8064 (2014).
  18. Hermann, J., Capadona, J. Understanding the Role of Innate Immunity in the Response to Intracortical Microelectrodes. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 46 (4), 341-367 (2018).
  19. Ereifej, E. S., et al. Implantation of Intracortical Microelectrodes Elicits Oxidative Stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00009 (2018).
  20. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  21. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  22. Salatino, J. W., Ludwig, K. A., Kozai, T. D., Purcell, E. K. Glial responses to implanted electrodes in the brain. Nature Biomedical Engineering. 1 (11), 862(2017).
  23. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. -S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  24. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  25. Liu, X., et al. Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 7 (3), 315-326 (1999).
  26. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  27. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).
  28. Wei, X., et al. Nanofabricated Ultraflexible Electrode Arrays for High-Density Intracortical Recording. Advanced Science. , 1700625(2018).
  29. Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002(2016).
  30. Chen, R., Canales, A., Anikeeva, P. Neural recording and modulation technologies. Nature Reviews Materials. 2 (2), 16093(2017).
  31. Kim, Y., et al. Nano-Architectural Approaches for Improved Intracortical Interface Technologies. Frontiers in Neuroscience. 12, (2018).
  32. Millet, L. J., Bora, A., Sweedler, J. V., Gillette, M. U. Direct cellular peptidomics of supraoptic magnocellular and hippocampal neurons in low-density co-cultures. ACS Chemical Neurosciences. 1 (1), 36-48 (2010).
  33. Ding, H., Millet, L. J., Gillette, M. U., Popescu, G. Actin-driven cell dynamics probed by Fourier transform light scattering. Biomedical Optical Express. 1 (1), 260-267 (2010).
  34. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
  35. Curtis, A. S., et al. Cells react to nanoscale order and symmetry in their surroundings. IEEE Trans Nanobioscience. 3 (1), 61-65 (2004).
  36. Zervantonakis, I. K., Kothapalli, C. R., Chung, S., Sudo, R., Kamm, R. D. Microfluidic devices for studying heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments. Biomicrofluidics. 5 (1), 13406(2011).
  37. Ereifej, E. S., et al. Nanopatterning effects on astrocyte reactivity. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 101 (6), 1743-1757 (2013).
  38. Ereifej, E. S., Cheng, M. M. -C., Mao, G., VandeVord, P. J. Examining the inflammatory response to nanopatterned polydimethylsiloxane using organotypic brain slice methods. Journal of Neuroscience Methods. 217 (1-2), 17-25 (2013).
  39. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1704420(2018).
  40. Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
  41. Mullen, R. J., Buck, C. R., Smith, A. M. NeuN, a neuronal specific nuclear protein in vertebrates. Development. 116 (1), 201-211 (1992).
  42. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  43. Sladek, Z., Rysanek, D. Expression of macrophage CD14 receptor in the course of experimental inflammatory responses induced by lipopolysaccharide and muramyl dipeptide. Veterinarni Medicina. 53 (7), 347-357 (2008).
  44. Janova, H., et al. CD14 is a key organizer of microglial responses to CNS infection and injury. Glia. , (2015).
  45. Ziegler-Heitbrock, H. W. L., Ulevitch, R. J. CD14: Cell surface receptor and differentiation marker. Immunology Today. 14 (3), 121-125 (1993).
  46. Lowenstein, C. J., Padalko, E. iNOS (NOS2) at a glance. Journal of Cell Science. 117 (14), 2865-2867 (2004).
  47. Aktan, F. iNOS-mediated nitric oxide production and its regulation. Life Sciences. 75 (6), 639-653 (2004).
  48. Kozai, T. D., et al. Comprehensive chronic laminar single-unit, multi-unit, and local field potential recording performance with planar single shank electrode arrays. Journal of Neurosciences Methods. 242, 15-40 (2015).
  49. Kozai, T. D., et al. Mechanical failure modes of chronically implanted planar silicon-based neural probes for laminar recording. Biomaterials. 37, 25-39 (2015).
  50. Raffa, V., Vittorio, O., Pensabene, V., Menciassi, A., Dario, P. FIB-nanostructured surfaces and investigation of bio/nonbio interactions at the nanoscale. IEEE Transactions on Nanobioscience. 7 (1), 1-10 (2008).
  51. Lehrer, C., Frey, L., Petersen, S., Ryssel, H. Limitations of focused ion beam nanomachining. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 19 (6), 2533-2538 (2001).
  52. Watkins, R., Rockett, P., Thoms, S., Clampitt, R., Syms, R. Focused ion beam milling. Vacuum. 36 (11-12), 961-967 (1986).
  53. Veerman, J., Otter, A., Kuipers, L., Van Hulst, N. High definition aperture probes for near-field optical microscopy fabricated by focused ion beam milling. Applied Physics Letters. 72 (24), 3115-3117 (1998).
  54. Lanyon, Y. H., Arrigan, D. W. Recessed nanoband electrodes fabricated by focused ion beam milling. Sensors and Actuators B: Chemical. 121 (1), 341-347 (2007).
  55. Menard, L. D., Ramsey, J. M. Fabrication of sub-5 nm nanochannels in insulating substrates using focused ion beam milling. Nano Letters. 11 (2), 512-517 (2010).
  56. Ziberi, B., Cornejo, M., Frost, F., Rauschenbach, B. Highly ordered nanopatterns on Ge and Si surfaces by ion beam sputtering. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (22), 224003(2009).
  57. Reyntjens, S., Puers, R. A review of focused ion beam applications in microsystem technology. Journal of Micromechanics and Microengineering. 11 (4), 287(2001).
  58. Heyderman, L., David, C., Kläui, M., Vaz, C., Bland, J. Nanoscale ferromagnetic rings fabricated by electron-beam lithography. Journal of Applied Physics. 93 (12), 10011-10013 (2003).
  59. Baquedano, E., Martinez, R. V., Llorens, J. M., Postigo, P. A. Fabrication of Silicon Nanobelts and Nanopillars by Soft Lithography for Hydrophobic and Hydrophilic Photonic Surfaces. Nanomaterials. 7 (5), 109(2017).
  60. Eom, H., et al. Nanotextured polymer substrate for flexible and mechanically robust metal electrodes by nanoimprint lithography. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (45), 25171-25179 (2015).
  61. Li, K., Morton, K., Veres, T., Cui, B. 5.11 Nanoimprint Lithography and Its Application in Tissue Engineering and Biosensing. Comprehensive Biotechnology. , 125-139 (2011).
  62. Dong, B., Zhong, D., Chi, L., Fuchs, H. Patterning of conducting polymers based on a random copolymer strategy: Toward the facile fabrication of nanosensors exclusively based on polymers. Advanced Materials. 17 (22), 2736-2741 (2005).
  63. Dalby, M. J., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. The response of fibroblasts to hexagonal nanotopography fabricated by electron beam lithography. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 84 (4), 973-979 (2008).
  64. Tseng, A. A., Chen, K., Chen, C. D., Ma, K. J. Electron beam lithography in nanoscale fabrication: recent development. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing. 26 (2), 141-149 (2003).
  65. Yang, Y., Leong, K. W. Nanoscale surfacing for regenerative medicine. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 478-495 (2010).
  66. Vermeij, T., Plancher, E., Tasan, C. Preventing damage and redeposition during focused ion beam milling: The "umbrella" method. Ultramicroscopy. 186, 35-41 (2018).

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