硅平面皮层内微电极表面处理工具

摘要

本方案描述了在进行表面修饰处理时操作硅平面皮层内微电极的工具 通过 气体沉积与水溶液反应。文中详细说明了在实验全程中用于操作装置的各组件的组装方法。

摘要

皮层内微电极具有重要的治疗潜力，但在植入后经过较短时间即面临性能显著下降的挑战。导致性能衰退的一个主要因素是电极周围邻近神经组织的损伤以及随之而来的神经炎症反应。为延长器件使用寿命，研究者已尝试通过化学修饰或在器件表面施加涂层以改善组织反应。此类表面处理的开发通常使用不具备目标应用所需电学元件的非功能性“假体”探针完成。在向功能性器件转化过程中，由于皮层内微电极阵列较为脆弱，需额外谨慎考虑。操作工具的使用可极大促进对组装完成的器件进行表面处理，尤其适用于需要较长时间操作步骤的修饰方法。本文所述的操作工具用于实施表面处理 通过 气相沉积与水溶液暴露。采用椭圆偏振光谱法和X射线光电子能谱法对涂层进行表征。对功能器件在涂覆前后进行电化学阻抗谱记录的比较，证实了修饰后器件的完整性。所述工具可轻松适用于其他电极器件及保持化学相容性的处理方法。

引言

神经假体设备旨在恢复多种患者群体中受损或缺失的感觉和运动功能，包括脊髓损伤、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、脑瘫以及截肢患者^1,2,3。皮层内微电极（IMEs）可在皮层神经元与用于控制神经假体的设备之间建立通信通路。皮层内微电极的一个显著优势是能够以高空间和时间分辨率记录神经信号，这有利于后续的信号处理及脑机接口的控制^4,5。然而，皮层内微电极的性能在植入后数月到一年内会显著下降^2,6,7,8。信号质量和稳定性的丧失对这项技术的应用产生了负面影响。

导致观察到的性能下降的一个重要因素是生物体对植入相关组织损伤和慢性神经炎症的反应^9,10,11....

方案

用于3D打印的所有编码文件均提供在补充编码文件1-16中。代表性结果部分所展示的分析使用了商业获取的功能性硅平面电极阵列（见材料表）。

1. 真空干燥器中气相沉积的组装操作

注意：用于在气相沉积过程中操作和固定器件的组装装置如图3所示。步骤1.1–1.8描述了将器件放入沉积装置中的操作流程（图4A）。

图3：用于在气相沉积过程中操作功能器件的3D打印部件组装示意图。 图中所示为未放置待镀样品的组装状态。使用螺丝和翼形螺母将部件1A与2B固定在....

结果

为展示操作组件的使用方法，采用所述方法学将氧化还原介体的固定化过程适配于活化硅表面。Potter-Baker 等人设计了将该化学方法应用于植入式微电极（IMEs）以减轻氧化应激的策略，并在非功能化硅质假体探针上进行了验证。⁴⁰该表面处理将抗氧化剂MnTBAP固定于经紫外/臭氧活化的硅表面。 通过 胺基功能化后接碳二亚胺交联化学反应⁵¹胺基官能化完成 通过 气相沉积与碳二亚胺交联化学 通过 水相反应。这些实验采用市售的密歇根式微电极阵列和硅质方形样品进行，以实现对涂层方法的材料分析（参见 材料表).

首先，使用氨基硅烷（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）进行胺基功能化。APTES 的气相沉积采用了 Munief 等人所述方法的改进方案⁴⁹。根据气相处理的操作规程，使用 3D 打印工具将器件牢固悬挂。接着，将 400 µL 液态 APTES 置于真空干.......

讨论

本方案旨在用于硅平面微电极阵列的表面处理。3D打印工具针对低剖面连接器的密歇根型微电极阵列进行了定制⁵⁰。非功能性探针通过使用生物相容性粘合剂将硅探针粘附至3D打印的标签上组装而成。3D打印标签的设计尺寸与市售设备所采用的连接器相似。3D打印标签的文件作为补充代码文件15、补充代码文件16提供。采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）线材制作3D打印部件。如有需要，也可使用聚乳酸（PLA）线材制造这些工具。表面反应使用孔深为17.4 mm的24孔板进行。在将本方案适配于其他设备时，需考虑电极类型（连接器尺寸、探针柄长度）、所用3D打印机的分辨率以及线材的化学兼容性。

由于测试本身的尺寸限制和/或破坏性，对已组装的器件进行表面处理分析时，无法采用常规的标准分析技术。为了获得硅平面微电极阵列表面处理情况的表征结果，可在对功能器件进行处理的同时，将器件级硅样品一同处理，以便后续分析。若使用的是其他类型的器件，则样品材料需与该器件的基底材料一致。尽管该方法属于间接手段，但可用于不同批次处理之间的质量比对。用于气相.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1-[3-(二甲氨基)丙基]-3-乙基碳二亚胺甲碘化物（EDC）	Sigma-Aldrich	165344-1G	固体，于-20 °C干燥条件下保存
15 mL 圆锥形离心管	Fisher Scientific	14-959-70C
18磅实心尼龙扎带	Cole-Parmer	EW-06830-66	长度4英寸
2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）	Sigma-Aldrich	4432-31-9	固体
3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）	Sigma-Aldrich	440140-100ML	液体，带Sure/Seal密封盖的容器
50 mL 圆锥形离心管	Fisher Scientific	14-959-49A
铝箔	Fisher Scientific	01-213-103
铝制称量皿	Fisher Scientific	08-732-102	直径66 mm
Bel-Art 真空干燥器	Fisher Scientific	08-594-15B
Corning Costar TC处理多孔板	Millipore Sigma	CLS3527-100EA	24孔板，聚苯乙烯材质
氰基丙烯酸酯胶粘剂	LocTite	N/A
数码显微镜	Keyence	VHX-S750E
Disco DAD3350 切割锯	Disco	DAD3350	用于将硅片切割成1 cm × 1 cm的样品
双面聚酰亚胺胶带	Kapton Tape	PPTDE-1/4	¼” × 36码
EP21LVMed – 低粘度双组分环氧树脂	Masterbond	EP21LVMed	符合USP VI类认证，通过ISO 10993-5细胞毒性测试
Epilog Fusion Pro 48 激光机	Epilog	N/A	CO2 激光
泡沫胶带	XFasten	N/A	1/8" 厚
Gamry Interface 1010E 恒电位仪	Gamry	992-00129
高精度45°弯曲锥形超细尖镊子/钳子	Fisher Scientific	12-000-131
实验室封口膜	Fisher Scientific	15-901-10L
Mn(III)四(4-羧基苯基)卟啉（MnTBAP）	EMD Millipore	475870-25MG	固体，于-20 °C保存
N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐，≥98%（HPLC）	Sigma-Aldrich	56485-250MG	固体，于4°C干燥条件下保存
铂包铌网阳极	Technic	N/A	单面覆有125μ”厚铂层，钛框架，带一条居中安装于6”边上的1” × 6”钛带
硅平面微电极阵列，16通道	NeuroNexus	A1x16-3mm-100-177-CM16LP	电极位点材料为铱，探针厚度为15 μm
硅片	University Wafer	1575	直径100 mm，p型，硼掺杂，晶向100，电阻率0.01–0.02 欧姆·厘米，厚度525 μm，单面抛光，优等品
银/氯化银参比电极	Gamry Instruments	930-00015
Solidworks		N/A
不锈钢十字平头螺钉	McMaster Carr	96877A629	#8-32，1 1/2"，全螺纹
Ⅰ型去离子水	ChemWorld	CW-DI1-20
Ultimaker 3 3D打印机	Ultimaker	N/A
Ultimaker Cura	Ultimaker	N/A	3D打印软件
Ultimaker NFC ABS线材	Dynamism, Inc.	1621	2.85 mm
Ultimaker NFC PLA线材	Dynamism, Inc.	1609	2.85 mm
真空表 真空表	Measureman Direct	N/A	甘油填充，2-1/2”表盘尺寸，¼”NPT接口，-30” Hg/-100kPa-0
蝶形螺母	Everbilt	934917	#8-32，镀锌