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方法文章

Ti3C2 MXene 微电极阵列的制备用于 体内 神经信号记录

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DOI：

10.3791/60741

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2020年2月12日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pennsylvania, 2Center for Neuroengineering and Therapeutics, University of Pennsylvania, 3Corporal Michael J. Crescenz Veterans Affairs Medical Center, 4Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, 5A.J. Drexel Nanomaterials Institute, Drexel University, 6Department of Neurosurgery, University of Pennsylvania, 7Department of Neurology, University of Pennsylvania, 8Department of Physical Medicine and Rehabilitation

本文内容

摘要

我们在此描述一种用于制备Ti3C2 MXene微电极阵列及其应用 体内 神经记录

摘要

可植入式微电极技术已被广泛用于阐明微尺度下的神经动态，以更深入地理解脑疾病和脑损伤的神经基础。随着电极尺寸缩小至单个细胞级别，其界面阻抗相应升高，限制了记录信号的质量。此外，传统电极材料较为刚硬，导致电极与周围脑组织之间存在显著的力学失配，从而引发炎症反应，最终导致器件性能退化。为应对这些挑战，我们开发了一种基于Ti3C2 MXene的柔性微电极制造工艺。Ti3C2 MXene是一种新近发现的纳米材料，具有极高的体积电容、电导率、表面功能化能力以及在水相分散液中的良好可加工性。由Ti3C2 MXene制成的柔性微电极阵列因其薄膜材料的高电导率和高比表面积而表现出极低的阻抗，并已被证实对神经元活动记录具有极高的灵敏度。在本实验方案中，我们描述了一种将Ti3C2 MXene微图案化并制备于柔性聚合物基底上的新型微电极阵列的方法，并概述其在活体微皮层电图（in vivo micro-electrocorticography）记录中的应用。该方法可轻松扩展，用于制备任意尺寸或几何形状的MXene电极阵列，适用于生物电子学中的多种其他应用，也可适配于除Ti3C2 MXene以外的其他导电墨水。本方案实现了基于溶液法导电墨水的微电极的简便且可扩展的制备，特别有利于发挥亲水性Ti3C2 MXene的独特性能，从而克服长期以来阻碍碳基纳米材料在高保真神经微电极中广泛应用的诸多障碍。

引言

理解神经回路的基本机制及其在疾病或损伤中动力学特性的改变，是开发多种神经系统和神经肌肉疾病有效疗法的关键目标。微电极技术已被广泛用于揭示神经活动在精细时空尺度上的动态特征。然而，从微尺度电极获得高信噪比（SNR）的稳定记录一直极具挑战性。当电极尺寸缩小至接近细胞尺度时，电极阻抗相应升高，导致信号质量下降1。此外，大量研究表明，由传统硅材料和金属电子材料制成的刚性电极会对神经组织造成显著损伤和炎症反应，从而限制其在长期记录中的应用2,3,4,5。鉴于上述问题，人们迫切希望开发基于新型材料的微电极，以降低电极-组织界面阻抗，并可集成于柔软、柔性的器件结构中。

降低电极-组织界面阻抗的常用方法之一是增加细胞外液中的离子与电极相互作用的面积，即电极的"有效表面积"。这可以通过纳米图案化6、表面粗糙化7或使用多孔添加剂进行电镀8,9来实现。纳米材料在该领域已受到广泛关注，因其具有本征的高比表面积以及优异电学和力学性能的独特组合10。例如，碳纳米管已被用作涂层以显著降低电极阻抗11,12,13，氧化石墨烯已被加工成柔软、可弯曲的自支撑探针电极14，而激光热解多孔石墨烯已被用于制备柔性、低阻抗的微皮层脑电图（micro-ECoG）电极15。尽管前景广阔，但由于缺乏可扩展的组装方法，纳米材料在神经接口电极中的广泛应用仍受到限制。特别是碳基纳米材料通常具有疏水性，因此需要使用表面活性剂16、超强酸17或表面功能化处理18才能形成适用于溶液加工制备方法的水相分散液；而其他制备方法（如化学气相沉积（CVD））通常需要高温，这与许多聚合物基底不兼容19,20,21,22。

最近，一类被称为MXenes的二维（2D）纳米材料被报道，其具有高导电性、柔韧性、体积电容和固有的亲水性等优异性能的结合，使其成为神经接口电极领域极具前景的一类纳米材料23。MXenes是一类二维过渡金属碳化物和氮化物，通常通过从层状前驱体中选择性刻蚀A元素制备而成。这些前驱体通常是MAX相，通式为Mn+1AXn，其中M为早期过渡金属，A为元素周期表第12–16族元素，X为碳和/或氮，n = 1、2或324。二维MXene片层表面具有终止官能团，可能包括羟基（−OH）、氧（−O）或氟（−F）。这些官能团使MXenes具有固有的亲水性，并可实现灵活的表面修饰或功能化。在众多MXenes材料中，Ti3C2是研究最广泛且表征最充分的一种25,26,27。Ti3C2的体积电容显著高于活化石墨烯（~60−100 F/cm3）29、碳化物衍生碳（180 F/cm3）30和石墨烯凝胶薄膜（~260 F/cm3）31，达到1,500 F/cm328。此外，Ti3C2表现出极高的电子电导率（~10,000 S/cm）32，其生物相容性已在多项研究中得到证实33,34,35,36。Ti3C2薄膜的高体积电容在生物传感和刺激应用中具有优势，因为表现出电容性电荷转移的电极可避免潜在有害的水解反应。

我们的研究团队近期已证实，柔性薄膜钛3C2 微电极阵列，采用溶液加工方法制备，可同时记录微皮层电图（micro-ECoG）和皮层内神经元放电活动 体内 信噪比高36这些MXene电极相较于尺寸匹配的金（Au）电极表现出显著降低的阻抗，这可归因于MXene的高导电性以及电极的高比表面积。在本实验方案中，我们描述了制备平面钛基微电极阵列的关键步骤3C2 柔性聚对二甲苯-C基底上的MXene及其应用 体内 用于术中微电皮层脑电图（micro-ECoG）记录。该方法利用了MXene的亲水特性，使其能够采用简单且可扩展的溶液加工方法，无需使用表面活性剂或超强酸即可形成稳定的水相悬浮液。这种易于加工的特性可能实现MXene生物传感器在工业规模上的低成本生产，而这一优势正是基于其他碳纳米材料的器件广泛应用所面临的主要瓶颈。电极制备的关键创新在于旋涂后使用牺牲性聚合物层对MXene进行微图形化，该方法借鉴自溶液加工聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）微电极的相关文献。37，但此前尚未见用于MXene图案化的报道。Ti优异的电学性能3C2，加之其可加工性和二维形态，使其成为神经接口领域极具前景的材料。特别是钛3C2 为克服电极几何面积与电化学界面阻抗之间的基本权衡问题提供了一条途径，这一权衡问题是限制微尺度电极性能的主要因素。此外，本方案中描述的制备工艺可进行调整，以制备适用于不同记录范式的多种尺寸和几何形状的MXene电极阵列，也可轻松适配以整合除MXene以外的其他导电油墨。

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方案

所有体内实验均遵循美国国立卫生研究院（NIH）《实验动物护理与使用指南》，并经宾夕法尼亚大学机构动物护理与使用委员会（IACUC）批准。

1. Ti3C2 MXene 的合成

注意：本节所述的反应步骤应在化学通风橱内进行。本步骤中包含的洗涤操作应使用配平的离心管。所产生的所有废弃物均视为危险废物，应根据大学的相关规定妥善处理。

警告：氢氟酸（HF）是一种极度危险且具有强腐蚀性的酸。在使用用于合成MXenes的化学品之前，请查阅其材料安全数据表（MSDS），并实施和遵守适当的安全措施。处理氢氟酸时应配备适当的个人防护装备（PPE），包括实验服、耐酸围裙、密闭鞋、长裤、护目镜、全面罩、腈手套，以及由丁基橡胶或氯丁橡胶制成的耐氢氟酸手套。

  1. MAX相合成
    1. 合成 Ti3AlC2 通过球磨 TiC（2 µm）、Ti（44 µm）和 Al（44 µm）粉末 18 小时，摩尔比（TiC:Ti:Al）为 2:1:1，使用氧化锆球。将粉末置于氧化铝坩埚中，在氩气气氛下以 5 °C/min 的升温速率加热至 1,380 °C，并保温 2 小时。待粉末冷却后，研磨所得 MAX 相块体，并过 200 目筛<74 µm 粒径）。
      注意：Ti3AlC2 用于合成MXene的MAX相前驱体已被证明对最终的Ti3C2 MXene 的特性38. 钛3C2 采用先前报道的方法制备MAX相材料，并从中选择性刻蚀出用于制造神经电极的成分。26.
  2. 蚀刻：去除钛中的铝层3AlC2 在酸性蚀刻液中（图1A)
    1. 在125 mL塑料容器中，先加入12 mL去离子水（DI H₂O），随后制备选择性蚀刻溶液。2O）后，加入 24 mL 盐酸（HCl）。穿戴好所有适当的氢氟酸（HF）刻蚀个人防护装备，向刻蚀液容器中加入 4 mL HF。通过缓慢加入 2 g Ti 进行选择性刻蚀3AlC2 将MAX相加入反应容器中，使用聚四氟乙烯磁力搅拌子在35 °C、400 rpm条件下搅拌24小时。
  3. 洗涤：将材料洗涤至中性 pH。
    1. 用去离子水将两个175 mL离心管各填充至100 mL2O. 将刻蚀反应混合物分装至175 mL离心管中，通过在3,500 rpm（2,550 × g）下反复离心洗涤材料 g5分钟。将酸性上清液倾倒至塑料危险废物容器中。重复操作直至pH达到6。
  4. 插层：将分子插入多层MXene颗粒之间，以削弱层间相互作用图1B)
    1. 将2 g氯化锂（LiCl）加入100 mL去离子水中2O，并在200 rpm下搅拌至完全溶解。混合100 mL的LiCl/H2O 与 Ti3C2/Ti3AlC2 沉淀并置于25 °C下搅拌反应12小时。
  5. 剥离：从块体多层颗粒剥离为单层至少层的Ti3C2 MXene（图1C)
    1. 在175 mL离心管中通过离心洗涤嵌入反应，离心条件为2,550 x g 5分钟。倾出澄清的上清液。重复操作，直至出现深色上清液。
    2. 继续以 2,550 x g 离心 1 小时 g倾倒出浅绿色的上清液。
    3. 用150 mL去离子水重新分散溶胀的沉淀2O. 将上清液转移至 50 mL 离心管中，在 2,550 x g 10 分钟，以分离残留的 MAX（沉淀）和 MXene（上清液）。
      注意：沉淀物的重新悬浮将变得困难，需要进行振荡或手动摇动。
    4. 收集上清液作为Ti3C2 MXene。通过在2,550 × g条件下离心后收集上清液，进一步进行尺寸筛选和溶液优化，以分离出单层至少数几层的片状结构。 g 1小时。
  6. 溶液储存：MXene油墨的长期储存包装图1D)
    1. 在氩气密封顶空瓶中包装前，先用氩气对溶液鼓泡处理30分钟（通过注射器转移）。将溶液以高浓度储存。>5 mg/mL），避免阳光直射，并在低温（≤5 °C）下保存以确保其稳定性。

2. Ti3C2 MXene 微电极阵列的制备

注意：本节所述操作步骤适用于标准大学洁净室设施内使用，例如宾夕法尼亚大学的辛格纳米技术中心。此类设施作为美国国家科学基金会（NSF）支持的国家纳米技术基础设施网络（NNIN）的一部分，向外部用户开放使用。在这些设施中，本节所述的许多工具、设备和材料均随洁净室使用权限一并提供，无需单独购买。

警告：制备 MXene 电极时使用的多种化学品具有危险性，包括光刻胶、RD6 显影液、PG 去除剂、铝刻蚀液和缓冲氧化物刻蚀剂。使用前请查阅这些化学品的材料安全数据表（MSDS），并始终实施和遵守适当的安全措施。所有化学品均应在通风橱中操作。

  1. 在洁净的硅片上沉积一层4 μm厚的聚对二甲苯-C作为底层（参见 图2A).
  2. 使用第一块光刻掩模（掩模-1）来定义器件的金属互连结构，以及在晶圆边缘周围定义一个金属环，以辅助后续的剥离步骤（图2B).
    1. 以3,000 rpm转速在晶圆上旋涂NR71-3000p，持续40秒。随后在95 °C的热板上进行前烘，时间为14.5分钟。
    2. 将晶圆和掩模1装入光刻对准器中。调整晶圆位置，使光刻掩模上的环形图案与晶圆的所有边缘重合。
    3. 使用i线（365 nm波长）以90 mJ/cm的剂量进行曝光2在热板上以115 °C对晶圆进行坚膜1分钟。
    4. 将晶圆浸入RD6显影液中2分钟，持续搅动溶液。用去离子水彻底冲洗2O 并用 N 吹干2 枪
    5. 使用电子束蒸发仪在晶圆上沉积10 nm的Ti，随后沉积100 nm的Au。
      注意：典型的沉积参数为本底真空度5 x 10⁻⁶ Torr，沉积压力5 x 10⁻² Torr，沉积功率100 W，沉积时间4小时。-7 托和2 Å/s的速率。
    6. 将晶圆浸入PG剥离液中约10分钟，直至光刻胶完全溶解，多余金属彻底剥离，仅在期望的互连线路及晶圆边缘环形区域保留Ti/Au。当观察到剥离过程完成后，超声处理30秒，以去除残留的不必要金属。先用洁净的PG剥离液冲洗晶圆，再用去离子水彻底冲洗2O 并用 N 吹干晶圆2 枪
  3. 沉积牺牲性聚对二甲苯-C层（图2C).
    1. 将晶圆暴露于O2 等离子处理30秒，使底层的聚对二氯二甲苯（parylene-C）层具有亲水性。在去离子水中旋涂2%清洗液（如Micro-90）。2以 1,000 rpm 转速将 O 涂覆到晶圆上，持续 30 秒。让晶圆在空气中干燥至少 5 分钟。
      注意：稀释的皂液起到防粘附作用，可在后续步骤中便于剥离牺牲性的聚对二甲苯-C 层。
    2. 在晶圆上沉积 3 μm 的聚对二甲苯-C。
  4. 使用第二块光掩模（mask-2）来定义晶圆上MXene的图案以及边缘周围的环形结构图2D).
    1. 重复步骤 2.2.1−2.2.4，此次使用掩模-2，并在曝光前仔细对准晶圆与光掩模之间的对准标记。
    2. 使用 O2 采用等离子体反应离子刻蚀（RIE）对未被光刻胶覆盖区域的牺牲性聚对二甲苯-C（parylene-C）层进行刻蚀，以定义MXene电极和引线，这些结构应与Ti/Au互连部分重叠，同时形成围绕晶圆边缘的环状结构。使用台阶仪测量暴露的Ti/Au互连与底层parylene-C层之间的轮廓，以确认牺牲性parylene-C层已完全刻蚀。
      注意：蚀刻完成后，暴露的金属表面横截面将呈光滑状，而底部的聚对二甲苯-C层则会变得粗糙并发生部分蚀刻。该蚀刻步骤应在平面反应离子蚀刻（RIE）系统中进行，不可使用管式灰化器，且蚀刻时间与参数将高度依赖于所用的RIE系统。
  5. 将MXene溶液旋涂到晶圆上（图2E).
    1. 将MXene溶液移液至每个目标MXene图案上，随后以1,000 rpm转速旋涂晶圆40秒。将晶圆置于120 °C热板上干燥10分钟，以去除MXene薄膜中残留的水分。
  6. 使用电子束蒸发仪沉积 50 nm SiO2 沉积到晶圆上，作为后续加工步骤中MXene图案的保护层。
    注意：典型的沉积参数为本底压力 5 x 10⁻⁶ Torr，沉积压力 1 x 10⁻² Torr，沉积功率 100 W，沉积温度 300 °C，Ar 气流量 20 sccm，O₂ 气流量 1–5 sccm，沉积时间 30–60 分钟。-7 托，速率为 2 Å/s。
  7. 去除牺牲性聚对二甲苯-C层以图案化MXene和SiO₂2 层（图2F).
    1. 滴加少量去离子水2将镊子移至晶圆边缘，从晶圆外围环形区域中定义的牺牲性聚对二甲苯-C层边缘处开始，用镊子将其剥离。
      注意：水将与牺牲性聚对二甲苯-C层下方的皂化残留物结合，从而实现该剥离过程。
    2. 用去离子水彻底冲洗晶圆2O 以去除任何残留的清洗液。用 N 吹干晶圆2 然后将样品置于120 °C的加热板上加热1小时，以去除图案化MXene薄膜中的任何残留水分。
  8. 沉积4 μm厚的聚对二甲苯-C顶层（图2G).
  9. 使用第三块光刻掩模（mask-3）来定义器件轮廓以及电极和金键合焊盘（VIAs）上的开孔图2H).
    1. 重复步骤 2.2.1−2.2.4，此次使用 mask-3，并在曝光前仔细对准晶圆与光掩模之间的对准标记。
    2. 使用电子束蒸发仪在晶圆上沉积100 nm的Al。
      注意：典型的沉积参数为本底真空度5 x 10⁻⁶ Torr，沉积压力5 x 10⁻² Torr，功率100 W，氩气流量20 sccm，沉积时间30分钟。-7 托和2 Å/s的速率。
    3. 将晶圆浸入PG剥离液中约10分钟，直至金属完全剥离，仅保留覆盖器件部分的铝层，并在电极和键合焊盘位置形成开口。完成剥离后，超声处理30秒，以去除残留的多余金属。先用洁净的PG剥离液冲洗晶圆，再用去离子水彻底冲洗。2O 并用 N 吹干晶圆2 枪
  10. 刻蚀聚对二甲苯-C，以形成器件轮廓以及电极和金键合焊盘（通孔，VIAs）上方的开口图案图2我）。使用 O2 使用等离子体反应离子刻蚀（plasma RIE）去除器件周围以及覆盖在MXene电极接触点和Au键合焊盘上方的顶部聚对二甲苯-C（parylene-C）层。
    注意：当晶圆上器件之间的区域无聚对二甲苯-C残留时，表明刻蚀已完成。SiO2 覆盖在MXene上的层将起到刻蚀终止层的作用，防止O2 防止等离子体刻蚀或损坏MXene电极触点。
  11. 使用铝刻蚀剂A在50 °C下对覆盖器件的铝层进行湿法化学刻蚀，刻蚀时间取以下两个条件中先达到者：10分钟，或目视铝残留完全消失后继续刻蚀1分钟。刻蚀SiO2 使用6:1的缓冲氧化物刻蚀液（BOE）湿法化学刻蚀30秒，覆盖MXene电极（图2J).
    注意：MXene 微电极阵列现已制备完成。
  12. 通过在Si衬底晶圆上放置少量去离子水，释放器件。2O 在设备边缘，通过毛细作用使水被吸入设备下方，同时轻轻掀开设备图2K 和 图3).

3. 接头构建与连接

注意：此时，薄膜微电极阵列必须通过适配器与电生理记录系统连接。本方案中使用的128通道刺激/记录控制器及RHS2000 16通道刺激/记录前置放大器（材料表）需通过与18针连接器A79039-001兼容的接口输入信号。本节使用一块印制电路板（PCB，图4A），其上配有零插入力（ZIF）连接器，用于与微电极阵列上的金焊盘连接，同时还配有连接器A79040-001，用于与记录系统的前置放大器连接。根据不同的数据采集系统，可在PCB上使用不同的连接器，以实现与电生理前置放大器的连接。

  1. 将焊锡膏薄薄地涂在PCB的每个焊盘上，然后将Omnetics连接器和ZIF连接器放置在PCB的相应位置，并在加热板上加热，直至焊锡熔融并形成连接（图4B）。
    注意：回流焊可通过加热板或烤箱轻松完成，无需使用昂贵的专用回流焊设备。
  2. 在MXene微电极阵列的金焊盘区域背面贴上两层聚酰亚胺胶带（材料表），以使器件达到足够的厚度，从而能够牢固地固定在ZIF连接器中。贴好胶带后，使用剃刀刀片或精密剪刀修剪超出聚对二甲苯（parylene-C）器件边缘的多余部分（图4C）。
  3. 在显微镜下或使用放大镜，将MXene微电极阵列对准ZIF连接器，使金焊盘与ZIF连接器内部的引脚对齐，然后闭合ZIF连接器以形成可靠连接（图4D,E）。
    注意：此处使用的ZIF连接器为18通道连接器，而所用器件为16通道。多余的未连接通道可在记录过程中通过阻抗测试识别为开路。
  4. 使用恒电位仪测试MXene电极的电化学阻抗，以确认器件制备成功并与PCB转接板连接良好。
    注意：讨论部分提供了合理的阻抗值范围，可用于故障排查。

4. 急性植入与神经记录

注意：使用无菌器械和无菌技术对成年雄性 Sprague Dawley 大鼠进行手术。每 10 分钟检查一次呼吸频率、眼睑反射和足底夹捏反射，以监测麻醉深度。使用加热垫维持体温。

  1. 给予预先镇痛处理（皮下注射缓释型布托啡诺 [SR]，1.2 mg/kg）。
  2. 实施麻醉（腹腔注射混合药物，包含 60 mg/kg 氯胺酮和 0.25 mg/kg 右美托咪定）。
  3. 在整个实验过程中每 10 分钟检查一次角膜反射和足底夹捏反射是否消失，以确认麻醉深度是否适当。
  4. 将大鼠固定于立体定位仪上，眼部涂抹眼用润滑剂，并用 10% 聚维酮碘溶液清洁剃毛后的头皮。
  5. 沿正中线做单一切口暴露颅骨，并钝性分离皮下组织。
  6. 在颅骨上植入一颗 00-90 螺钉，作为记录的接地电极。
  7. 使用带小钻头的牙科钻，在目标皮层记录位点制作颅骨开窗。
  8. 将阵列连接器固定至立体定位操纵器，并将其定位在颅骨开窗上方；轻柔下降，直至整个电极阵列与暴露的皮层完全接触。
  9. 将接地导线缠绕在颅骨螺钉上。
  10. 将记录系统前置放大器连接至电极阵列，开始记录自发神经活动。

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结果

在 图5 中展示了使用MXene微电极阵列记录的微小皮层脑电图（micro-ECoG）样本数据。将电极阵列放置于皮层后，记录电极上立即显示出清晰的生理信号，所有MXene电极均检测到振幅约为1 mV的ECoG信号。这些信号的功率谱证实了在氯胺酮-右美托咪定麻醉下的大鼠中常见的两种脑节律：1−2 Hz的慢波振荡以及40−70 Hz的γ振荡。此外，还观察到慢波振荡“向下”状态期间的宽频带功率衰减特征，以及在慢波振荡“向上”状态期间β频段（15−30 Hz）和γ频段（40−120 Hz）功率的选择性增强。实验结果可能因研究中使用的动物种类、目标脑区、麻醉类型以及麻醉给药后经过的时间而有所不同。

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讨论

本方案中描述的MXene合成与剥离方法（HF/HCl/LiCl）基于MILD刻蚀法发展而来，后者采用LiF/HCl（原位生成HF）作为刻蚀介质26。MILD方法可在洗涤过程中当pH达到约5−6时，实现Ti3C2大尺寸薄片（横向尺寸达数µm）的自发剥离。与仅使用HF进行刻蚀相比，该方法所得材料具有更高的质量以及更优的材料性能，例如电子导电性和化学稳定性。HF/HCl/LiCl方法在继承MILD合成优势的基础上，进一步将各步骤（刻蚀、插层和剥离）分离，从而为使用者提供更强的调控能力。

在步骤 1.1 中，原料（TiC、Al、Ti）的比例、温度、升温速率和反应时间对于获得正确的 MAX 相至关重要。在刻蚀前对 MAX 相进行筛分，可确保刻蚀更加均匀。将 MAX 相加入刻蚀介质（步骤 1.2）时必须缓慢进行，以防止过热，建议的一般规则是每 1 g MAX 相添加时间不少于 5 分钟。如果出现过热问题，可在加入 Ti3AlC2 MAX 相时使用冰浴。在将刻蚀...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到了美国国立卫生研究院（资助号：R21-NS106434）、癫痫研究公民联盟“腾飞奖”、Mirowski家族基金会及Neil与Barbara Smit（F.V.）；美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（资助号：DGE-1845298，授予N.D.和B.M.）；陆军研究办公室（合作协议编号：W911NF-18-2-0026，授予K.M.）；以及通过埃奇伍德化学生物中心表面科学倡议计划（项目编号：PE 0601102A，项目号VR9，授予Y.G.和K.M.）的美国陆军资助。本工作部分在纳米技术Singh中心完成，该中心由美国国家科学基金会国家纳米技术协调基础设施计划（NNCI-1542153）支持。

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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
00-90 螺钉McMaster-Carr90910A630用于缠绕接地导线的颅骨螺钉
128 通道刺激/记录控制器Intan Technologies神经记录系统的一个组件
175 mL 聚丙烯（PP）锥形离心管FalconREF: 352076用于洗涤
18 位 0.5 mm 间距 ZIF 连接器Molex505110-1892用于连接柔性聚对二甲苯微电极阵列与 PCB 适配板
18 位双排公头纳米微型（.025"/.64mm）连接器Omnetics Connector CorporationA79008-001用于将 PCB 适配板连接至记录前置放大器
3mL 一次性塑料移液管（带刻度）RienarRienar-3ML-20PCS用于转移刻蚀液或 MXene 溶液
50 mL 聚丙烯（PP）锥形离心管FalconREF: 352070用于洗涤和尺寸筛选
Al 刻蚀剂 A 型Transene060-0026000-QT在最终聚对二甲苯-C 刻蚀后去除铝刻蚀掩模层
铝粉，-325 目，99.5%（以金属计），粒径 < 44 µmAlfa AesarCAS: 7429-90-5用于 MAX 相合成
AutoCAD 软件Autodesk Inc.用于绘制光刻掩模的设计软件。免费替代软件包括 DraftSight 和 LayoutEditor。
缓冲氧化物刻蚀液 6:1JT Baker1178-03在制造过程结束时去除 SiO₂ 层，以暴露 MXene 电极的接触点
缓释型布托啡诺Wildlife Pharmaceuticals大鼠手术镇痛药
离心机HermleBenchmark Z 446用于洗涤和尺寸筛选
右美托咪定Midwest Veterinary Supply193.13250.3大鼠手术麻醉药
钻头钻针Fine Science Tools19007-07用于钻孔的钻针
电动钻机ForedomK.1070用于开颅手术的微型电机钻
电子束蒸发仪Kurt J. Lesker Company用于在制造过程中蒸发 Ti、Au 和 SiO₂。大多数大学洁净室均配备此类或类似设备
接地导线A-M Systems781500裸银导线
顶空瓶，玻璃材质SupelcoREF: 27298用于储存 MXene 溶液
盐酸（12.1N）Fisher ScientificCAS: 7647-01-0具有腐蚀性；用作刻蚀材料
氢氟酸（48-51% 水溶液）AcrosCAS: 7664-39-3刻蚀材料
Jupiter II RIE 系统March Plasma Systems Inc.平面反应离子刻蚀（RIE）系统，用于在 O2 等离子体中刻蚀聚对二甲苯-C。大多数大学洁净室均配备类似的平面 RIE 刻蚀系统
Kapton 标准聚酰亚胺胶带，1/4"DuPont用于增加柔性聚对二甲苯微电极阵列上金键合焊盘区域的厚度，以便插入 ZIF 连接器
氯胺酮宾夕法尼亚大学医院大鼠手术麻醉药
KLA P-7 触针式轮廓仪KLA Corporation用于测量二维轮廓，以确认在步骤 2.4.2 中已完全刻蚀掉牺牲性聚对二甲苯-C 层。大多数大学洁净室均配备此类或类似的触针式轮廓仪
氯化锂，99%，分析纯，无水AcrosCAS: 7447-41-8具有吸湿性；用于剥离工艺的材料
MA6 掩模对准仪Karl Suss Microtec AG用于将每张光刻掩模与晶圆上的图案对准，并用紫外光曝光晶圆。大多数大学洁净室均配备此类或类似设备
Micro-90 清洗液International Products CorporationM-9050-12用作防粘附层，以便去除牺牲性聚对二甲苯-C 层，从而实现 MXene 图案化
NR71-3000p 光刻胶Futurrex Inc.NR71-3000p负性光刻胶，用于定义器件中的 Ti/Au 走线和 MXene 图案
眼科软膏Midwest Veterinary Supply193.63200.3用于防止手术期间角膜干燥
聚对二甲苯沉积系统Specialty Coating Systems用于蒸发形成薄而均匀的聚对二甲苯-C 薄膜
聚对二甲苯-C 二聚体Specialty Coating Systems980130-c-01lbe柔性聚合物，用作柔性 MXene 器件的底层和顶层钝化层
光刻掩模（铬层覆盖钠钙玻璃）宾夕法尼亚大学我们的光刻掩模是在大学洁净室中使用 Heidelberg DWL66+ 激光直写系统制作的，但也有多个供应商可根据提供的设计文件制造光刻掩模
聚维酮碘溶液MedlineMDS093901用于预防头皮切口周围感染
印刷电路板（PCB）Advanced Circuits用于连接 MXene 电极阵列与测量电子设备（如恒电位仪和 Intan 记录系统）。Advanced Circuits 及其他供应商可根据提供的设计文件制造和组装 PCB
RD6 显影液Futurrex Inc.RD6 Developer用于在紫外光曝光后显影 NR71-3000p 负性光刻胶
Reference 600 恒电位仪Gamry Instruments用于测量电极阻抗，以评估器件质量
Remover PGMicroChem Corp.G050200在金属沉积后用于去除 NR71-3000p 光刻胶，实现剥离式图案化
RHS2000 Stim SPI 接口电缆Intan Technologies神经记录系统的一个组件
RHS2116 放大器板Intan Technologies神经记录系统的一个组件
硅晶圆Wafer World2885制造用基底
旋涂仪Cost Effective Equipment用于在晶圆上涂覆光刻胶以及施加 Micro-90 和 MXene 层。大多数大学洁净室均配备旋涂仪
立体定位仪Kopf InstrumentsModel 902用于在神经外科手术中固定大鼠位置
聚四氟乙烯涂层磁力搅拌子CorningREF: 1233W95用于在刻蚀和插层过程中进行搅拌
碳化钛，99.5%（以金属计），粒径 ~2 µmAlfa AesarCAS: 12070-08-5用于 MAX 相合成
钛粉，-325 目，99%（以金属计），粒径 < 44µmAlfa AesarCAS: 7440-32-6用于 MAX 相合成
超声波清洗机Reynolds Tech用于在剥离工艺中去除金属和光刻胶颗粒，以实现金属图案化
紫外-可见分光光度计ThermoScientificEvolution 201用于测定浓度并观察吸收峰
Zetasizer 粒径分析仪Malvern PanalyticalNano ZS用于测定颗粒横向尺寸分布

参考文献

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