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
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摘要
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....
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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。
- MAX相合成
- 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）。
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 00-90 螺钉 | McMaster-Carr | 90910A630 | 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 | Falcon | REF: 352076 | 用于洗涤 |
| 18 位 0.5 mm 间距 ZIF 连接器 | Molex | 505110-1892 | 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 Corporation | A79008-001 | 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） | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | 用于转移刻蚀液或 MXene 溶液 |
| 50 mL 聚丙烯（PP）锥形离心管 | Falcon | REF: 352070 | 用于洗涤和尺寸筛选 |
| Al 刻蚀剂 A 型 | Transene | 060-0026000-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 µm | Alfa Aesar | CAS: 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 6:1 | JT Baker | 1178-03 | 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 | Hermle | Benchmark Z 446 | 用于洗涤和尺寸筛选 |
| 右美托咪定 | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | 大鼠手术麻醉药 |
| 钻头钻针 | Fine Science Tools | 19007-07 | 用于钻孔的钻针 |
| 电动钻机 | Foredom | K.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 Systems | 781500 | 裸银导线 |
| 顶空瓶，玻璃材质 | Supelco | REF: 27298 | 用于储存 MXene 溶液 |
| 盐酸（12.1N） | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | 具有腐蚀性；用作刻蚀材料 |
| 氢氟酸（48-51% 水溶液） | Acros | CAS: 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 | Acros | CAS: 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 Corporation | M-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 Supply | 193.63200.3 | 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 Systems | 980130-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 | Medline | MDS093901 | 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 PG | MicroChem 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 World | 2885 | 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 Instruments | Model 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 | Corning | REF: 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 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | 用于 MAX 相合成 |
| 钛粉，-325 目，99%（以金属计），粒径 < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 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 | ThermoScientific | Evolution 201 | 用于测定浓度并观察吸收峰 |
| Zetasizer 粒径分析仪 | Malvern Panalytical | Nano ZS | 用于测定颗粒横向尺寸分布 |
参考文献
- Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001(2011).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M.
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