Name: 开源工具包:用于神经记录的台式碳纤维微电极阵列 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-10-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 50 s
Description: 学习制作碳纤维微电极阵列用于神经电生理记录。该方法无需洁净室经验，可在实验台上完成，适用于大鼠运动皮层等脑区的单细胞记录，为神经科学研究提供简便易行的定制化电极制备方案。

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本工作得到了美国国家神经疾病与卒中研究所（UF1NS107659 和 UF1NS115817）以及美国国家科学基金会（1707316）的经费支持。作者感谢密歇根大学工程学院提供的经费支持，以及密歇根材料表征中心和范弗拉克本科实验室提供的技术支持。作者感谢Khalil Najafi博士提供其Nd:YAG激光器的使用权限，以及Lurie纳米制造设施提供其聚对二甲苯C沉积设备的使用权限。我们还要感谢位于印第安纳州印第安纳波利斯的Specialty Coating Systems公司在商业涂层对比研究中提供的帮助。

所有动物实验程序均经密歇根大学机构动物护理和使用委员会批准。
1. 选择碳纤维阵列
<ol>
	<li>从图1所示的三种设计中选择一种印刷电路板（PCB）。
	 
	注意：本方案将重点介绍Flex Arrays。
	<ol>
		<li>请访问Chestek实验室网站（https://chestekresearch.engin.umich.edu），可免费获取PCB设计文件，并可直接发送至PCB制板厂家进行打印和订购。</li>
		<li>参见表1，了解各电路板连接器及其规格的汇总信息，以帮助选择适用于特定实验装置的连接器。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 将连接器焊接到电路板上
<ol>
	<li>将电烙铁温度设定为 315 °C（600 °F）。</li>
	<li>在PCB的所有焊盘上涂抹助焊剂。 
	注意：管内的助焊剂可挤压至焊盘上，而罐装助焊剂则可用棉签的木端蘸取，并充分涂抹于所有焊盘。</li>
	<li>在Flex Array的背面焊盘上形成小焊料堆图2A).</li>
	<li>将连接器引脚的底行焊接到焊盘的后一排图2B). 
	注意：Chestek 实验室提供的所有电路板设计均确保其连接器与指定电路板精确匹配。
	<ol>
		<li>为此，先在连接器两侧易于接触焊点的位置将引脚焊好。固定后，轻轻将烙铁尖插入前端引脚之间，以焊接后方剩余的连接。 
		注意：一旦后一排插针固定到位，连接器的其余部分便会与各自对应的焊盘上方的插针对齐。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将少量焊料施加到每个引脚上，焊接前排引脚至电路板。若焊接进展较慢，可额外添加一层助焊剂。
	<ol>
		<li>用100%异丙醇（IPA）和短毛刷清除多余的助焊剂。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用慢固化环氧树脂封装焊接连接处图2 C，D使用23 G针头和1 mL注射器，将针头斜面朝下置于引脚上，缓慢推动环氧树脂，使其流入并沿连接处流动。
	<ol>
		<li>将电路板放置过夜，使延迟固化的环氧树脂充分固化。 
		注意：尽管延迟固化环氧树脂的产品说明书标明其在30分钟内固化，但过夜放置可形成更稳定的连接。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将少量慢固化环氧树脂涂在电路板背面，然后将其粘附到连接器的边缘，从而将电路板背面与连接器两侧固定。
	<ol>
		<li>将板子再次静置过夜固化。 
		&#8203;注意：此时可选择保存芯片阵列或继续构建流程。若需暂停构建，应将芯片阵列置于洁净、干燥的容器中，于室温下保存。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 纤维群体
<ol>
	<li>将拉制好的玻璃毛细管剪裁至其尖端可插入阵列的导线之间（图3A）。
	<ol>
		<li>使用玻璃拉制仪和加热丝，按照以下参数制备毛细管：加热值 = 900，拉力 = 70，速度 = 35，时间 = 200，压力 = 900。 
		注意：数值无量纲，针对本设备特有（参见材料表）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用两根棉签的木柄端（每种银环氧树脂各用一根），从塑料培养皿中 scoops 取少量银环氧树脂，比例约为1:1，并用同一根木签混合。混合后丢弃棉签。</li>
	<li>用剃刀刀片将碳纤维束末端切下2–4 mm，置于打印纸片上。为便于分离难以拆分的纤维束，可轻轻将一张覆膜纸片从纤维束顶部滑过。 
	注意：覆膜纸片可向纤维传递静电，使纤维自行分离。</li>
	<li>使用玻璃毛细管将银环氧树脂涂覆于电路板一侧每隔一对导线之间的间隙中（图3B）。
	<ol>
		<li>将少量环氧树脂沾附在拉制毛细管末端，轻轻涂抹于电路板末端每隔一条导线之间的间隙，填满空隙。 
		注意：填充时应使环氧树脂填满两根导线之间的间隙至顶部，但不得溢出而接触邻近导线。每根导线连接一个通道。采用此环氧填充方式可使每根纤维连接两个通道，因为双导线有助于提高纤维对准精度，并提供通道冗余，确保电连接可靠性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用聚四氟乙烯涂层镊子，将一根碳纤维放置于每一处含环氧树脂的导线间隙中（图3C）。</li>
	<li>使用洁净的拉制毛细管调整碳纤维位置，使其垂直于柔性阵列板末端，并完全埋入环氧树脂下方（图3D）。</li>
	<li>将阵列放置于木块上，使带纤维的一端悬垂于木块边缘。 
	注意：阵列后端的重量可使其稳定固定在木块上。</li>
	<li>将木块及阵列置于140 °C下烘烤20分钟，以固化银环氧树脂并固定纤维。</li>
	<li>对电路板另一侧重复步骤3.4–3.8。 
	注意：阵列可在任意烘烤步骤后储存；然而，若储存盒产生静电，且板上银环氧树脂用量不足，则可能导致纤维从板上脱离。
	<ol>
		<li>在储存盒内构建一个带粘性的抬高平台，使阵列主体可粘附于平台上，同时让带纤维的一端悬空于盒内，以防止纤维断裂。室温保存。 
		注意：若储存期间纤维从板上脱离，需用洁净的拉制玻璃毛细管将导线中的环氧树脂刮除，并重复步骤3.1–3.8以更换纤维。此后，阵列必须以纤维悬空的方式储存，以防纤维断裂。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 使用紫外光固化环氧树脂对碳纤维进行绝缘处理
<ol>
	<li>使用洁净的毛细管，在电路板一侧暴露的焊盘上涂抹一小滴紫外固化环氧树脂（直径约0.5 mm，图4A）。继续添加紫外固化环氧树脂液滴，直至焊盘完全被覆盖。 
	注意：确保紫外固化环氧树脂不要沾到PCB末端以外的碳纤维上，以便后续顺利插入。</li>
	<li>使用紫外光笔照射2分钟，使紫外固化环氧树脂固化（图4B）。</li>
	<li>对电路板的另一侧重复步骤4.1–4.2。</li>
	<li>在体视显微镜下利用目镜标尺配合外科剪刀，将纤维切割至1 mm长度。 
	注意：此时可将阵列保存起来，待后续步骤再继续操作。应将阵列存放于可使碳纤维悬空、不与容器直接接触的盒子中。阵列可在室温下长期保存。</li>
</ol>
5. 使用1 kHz阻抗扫描检查电路连接（图5）
<ol>
	<li>将碳纤维浸入1×磷酸盐缓冲液（PBS）中1 mm。</li>
	<li>使用银-氯化银（Ag|AgCl）参比电极和不锈钢棒（对电极）构成完整电路。
	<ol>
		<li>使用烧杯夹将Ag|AgCl电极悬置于1× PBS中，并将其连接至所用阻抗系统的参比端口。</li>
		<li>使用烧杯夹将不锈钢棒悬置于1× PBS中，并将其连接至所用阻抗系统的对电极输入端口。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用恒电位仪对每根纤维进行1 kHz阻抗扫描，设置扫描频率为1 kHz，交流电压幅值为0.01 Vrms ，波形为单正弦波。每次扫描开始前，将恒电位仪设为0 V并稳定5秒，以使记录信号达到稳定状态。通过与恒电位仪配套的软件记录测量数据。 
	注意：可在制备过程中的任意阶段进行测量；但仅在绝缘处理前和尖端制备期间的测量为必要步骤。表2列出了各制备步骤后在1 kHz下的典型阻抗范围，供用户参考。</li>
	<li>将纤维浸入去离子水（DI水）的小烧杯中清洗三次，随后于室温下自然干燥。 
	注意：阵列可存放至用户准备进行下一步操作时再继续处理。</li>
</ol>
6. 聚对二甲苯C绝缘
注意：选择聚对二甲苯C作为碳纤维的绝缘材料，因为它可以在室温下对成批的阵列进行沉积，并提供高度保形的涂层。
<ol>
	<li>使用配对连接器遮蔽 Flex Array 连接器。</li>
	<li>将一批 8–12 个阵列放入带有凸起粘性平台的存储盒中，以便一次性完成绝缘处理。放置阵列时，应使阵列的连接器端位于粘性平台上，而光纤端悬空（图6），以防止光纤粘附到粘性物质上导致脱落，并确保光纤表面获得均匀的聚对二甲苯（Parylene）涂层。</li>
	<li>在洁净室中使用聚对二甲苯C（Parylene C）沉积系统对阵列进行涂层处理，涂层厚度为 800 nm，操作时需穿戴该洁净室规定所需的适当个人防护装备（PPE）。 
	注意：此处规定的PPE包括洁净室专用鞋、防护服、头罩、护目镜、口罩和乳胶手套。需注意，这是进入洁净室的标准个人防护装备。此步骤可付费外包给聚对二甲苯涂层公司完成；然而，商业服务可能一次处理更多阵列。不同聚对二甲苯C沉积系统可能具有不同的安全注意事项，使用前应联系技术人员以确保操作安全。</li>
	<li>从 Flex Array 上移除用作遮蔽的配对连接器。</li>
	<li>将阵列放入新的存储盒中，待使用时取出。</li>
</ol>
7. 针尖制备方法
注意：本节中的两种尖端制备方法使用激光切割光纤。使用激光时，必须始终佩戴适当的个人防护装备（PPE），例如能抵抗所用波长的护目镜，同时激光附近区域的其他实验室人员也应穿戴相应的防护装备。尽管这些步骤中列出的光纤长度为推荐长度，用户可根据自身需求尝试任何合适的长度。用户必须从以下尖端制备方法中选择一种，因为仅用剪刀剪切不足以重新暴露电极25。
<ol>
	<li>掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光切割
	<ol>
		<li>使用手术剪将纤维切割至 550 µm。</li>
		<li>使用 532 nm 的脉冲 Nd:YAG 激光（5 mJ/脉冲，脉冲持续时间为 5 ns，功率为 900 mW）从纤维尖端去除 50 µm，以重新暴露聚对二甲苯 C（Parylene C）下方的碳层（通常需要 2–3 次脉冲）。
		<ol>
			<li>使用该激光系统自带的体视显微镜对纤维尖端进行对准。 
			注意：该系统允许用户设定一个窗口（此处为 50 µm × 20 µm（高度 × 宽度）），以覆盖纤维末端。</li>
			<li>在 500 倍放大倍数下将体视显微镜聚焦于纤维末端，以实现精确且准确的切割。 
			注意：聚对二甲苯 C 会从尖端轻微烧蚀（&#60;10 µm），形成钝头的圆柱形尖端。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>喷灯拉尖25,26,27
	<ol>
		<li>使用手术剪将纤维切割至 300 µm。</li>
		<li>将阵列浸入盛有去离子水的培养皿中，连接器朝下，并用少量橡皮泥固定在培养皿底部。</li>
		<li>使用笔式摄像头将纤维与水面进行对准，使纤维尖端刚好接触水面。</li>
		<li>调节丁烷喷灯火焰至 3–5 mm，并以来回移动的方式在纤维上方扫过，以实现纤维拉尖。 
		注意：当火焰经过时，纤维尖端会发出橙色光亮。</li>
		<li>将阵列从橡皮泥上取下，并在体视显微镜下以 50 倍放大倍数检查是否形成尖锐的尖端。 
		注意：若观察到尖锐的尖端，则无需进一步喷灯处理；若尖端仍呈钝状，请重复步骤 7.2.2–7.2.5。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>紫外激光切割28 
	&#8203;注意：目前紫外激光仅可用于零插入力（ZIF）和宽板设计，因为所用紫外激光的焦点尺寸大于柔性阵列碳纤维的间距。
	<ol>
		<li>使用手术剪将碳纤维切割至 1 mm。</li>
		<li>将紫外激光固定在三个正交配置的电动位移台上。 
		注意：该紫外激光为多模态氮化铟镓（InGaN）半导体激光器，输出功率为 1.5 W，波长为 405 nm。
		<ol>
			<li>确保激光输出连续光束，以实现快速有效的对准与切割。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将阵列牢固固定，以保持电极平面静止且水平，便于激光通过。确保阵列与激光之间保持适当距离，使纤维位于激光焦点处。可通过降低激光功率并调节距离，以实现对纤维的最佳聚焦28。</li>
		<li>以 25 µm/s 的速度移动紫外激光焦点穿过纤维平面，将纤维切割至所需长度（此处所有纤维均切割至 500 µm）。 
		&#8203;注意：纤维在被切断前会发出明亮的光。处理后的纤维应妥善保存，直至准备进行导电聚合物涂层处理。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 用于降低阻抗的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):对甲苯磺酸盐（PEDOT:pTS）导电涂层
<ol>
	<li>将 0.01 M 的 3,4-乙二氧基噻吩溶液与 0.1 M 的对甲苯磺酸钠溶液混合于 50 mL 去离子水中，在搅拌器上搅拌过夜（约 450 rpm），直至溶液中无可见颗粒。 
	注意：将溶液储存于避光容器中。混合后应冷藏保存，以确保溶液在 30 天内仍可使用。</li>
	<li>在 1× PBS 中使用与之前相同的参数（步骤 5.2–5.3）进行 1 kHz 阻抗扫描。记录连接良好的纤维（&#60;1 MΩ，通常为 16 根纤维中的 14–16 根）。</li>
	<li>通过电沉积 PEDOT:pTS 降低电极的阻抗。
	<ol>
		<li>将纤维尖端浸入 PEDOT:pTS 溶液中。</li>
		<li>按照步骤 5.2 的操作流程进行，将 1× PBS 溶液替换为 PEDOT:pTS 溶液，并将所有连接至电路板的线路短接至施加电流的通道。</li>
		<li>使用恒电位仪对每根良好纤维施加 600 pA 电流，持续 600 秒。</li>
		<li>运行结束后关闭电化学池，并让其静置 5 秒。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将纤维从溶液中取出，并用去离子水冲洗。</li>
	<li>重新测量 1 kHz 阻抗，以确认纤维是否成功镀膜（使用步骤 5.2–5.3 中列出的相同参数）。 
	注意：阻抗低于 110 kΩ 的纤维视为合格纤维。</li>
</ol>
9. 连接接地线和参考电极线
<ol>
	<li>使用镊子轻轻刮除电路板上接地和参比通孔处的聚对二甲苯C涂层。在此电路板设计中，将接地和参比通孔成对短接。 
	注意：接地和参比通孔位于柔性阵列连接器附近，是靠近连接器的四个小金圆点。用户仅需去除最靠近碳纤维的通孔上的聚对二甲苯C涂层，以便进行测量。</li>
	<li>使用刀片裁剪两段5 cm长的绝缘银线。将一端露出2–3 mm的金属部分用于连接柔性阵列，另一端露出约10 mm的金属部分，以便在手术过程中更方便地进行接地和参比连接。</li>
	<li>将电烙铁重新加热至600 °F。在通孔上涂抹少量助焊剂。</li>
	<li>将一根银线（露出2–3 mm金属端）插入电路板上的每个电生理通孔中。在通孔顶部加焊少量焊料（图7A）。待探针冷却后，翻转探针，在通孔背面也加焊少量焊料（图7A）。</li>
	<li>使用手术剪剪除从背面焊点伸出的任何裸露导线，以减少记录过程中出现的噪声（图7B）。</li>
	<li>将阵列放回储存盒中，将导线向后弯曲并远离光纤。用胶带固定导线，防止导线与光纤之间发生潜在相互作用（图7C）。</li>
</ol>
10. 手术步骤
注意：使用大鼠皮层来测试紫外激光制备纤维的有效性，此前已有相关描述7,20。由于此类探针与火焰拉制纤维具有相似的几何结构和阻抗水平，因此也可用于神经组织。本手术操作格外谨慎，以验证紫外激光未改变电极的响应特性。
<ol>
	<li>使用氯胺酮（90 mg/kg）和赛拉嗪（10 mg/kg）的组合麻醉一只成年雄性Long Evans大鼠。通过脚趾夹捏试验确认麻醉效果。在眼睛上涂抹眼膏，以防止手术期间大鼠眼睛干涩。</li>
	<li>在右侧大脑半球运动皮层上方制作一个2 mm × 2 mm的颅骨开窗。通过测量前囟前1 mm、中线外侧1 mm的位置，确定颅骨开窗的左下角。</li>
	<li>将阵列安装到立体定位仪上，并通过缓慢降低光纤直至接触硬脑膜表面，以在硬脑膜处将立体定位仪归零。随后将阵列从手术部位提起并移至一侧，等待插入。</li>
	<li>使用带倒钩的针头轻柔地在组织表面拖动以切开硬脑膜。当部分硬脑膜被打开并暴露脑组织后，使用精细镊子进一步协助剥离硬脑膜。</li>
	<li>使用立体定位仪将光纤插入颅骨开窗，并缓慢手动将其插入脑组织深部1.2 mm处。</li>
	<li>使用专用于电生理记录的前置放大器和头戴式放大器记录10分钟的电生理数据。
	<ol>
		<li>将前置放大器的高通滤波器设置为2.2 Hz，抗混叠滤波器设置为7.5 kHz，并以25 kHz进行采样。 
		注意：在这些测量中，仅记录自发性活动，不施加任何刺激。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>安乐死
	<ol>
		<li>将大鼠置于5%异氟烷（氧气流速1 L/min）中，直至生命体征消失（20–30分钟）。通过断头法确认动物死亡。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
11. 峰电位分类
<ol>
	<li>使用已报道的方法8，利用脉冲分类软件对数据进行分类和分析。</li>
	<li>对所有通道应用高通滤波器（截止频率 250 Hz，4th 阶巴特沃斯滤波器），并将波形检测阈值设为 -3.5 × RMS。
	<ol>
		<li>使用高斯模型对具有相似特征的脉冲进行聚类。合并并平均至少包含 10 个波形的聚类，用于后续分析。</li>
		<li>从数据集中剔除或删除所有非脉冲波形。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在所有通道完成分类后导出数据，并使用分析软件绘制波形图并进行进一步分析。</li>
</ol>
12. 扫描电子显微镜（SEM）成像
注意：此步骤将导致芯片无法继续使用，仅可用于检查针尖处理结果，以确认芯片是否得到正确处理。构建成功的芯片无需执行此步骤。下文简要概述了扫描电镜（SEM）操作流程；然而，此前未使用过扫描电镜的用户应寻求经过培训人员的协助。
<ol>
	<li>剪下 PCB 的纤维端，并将其安装在贴有碳导电胶带的 SEM 样品台上。将阵列放置在由 4-5 层堆叠碳导电胶带组成的小平台上，以防止碳纤维粘附到 SEM 样品台上。</li>
	<li>按照金溅射镀膜仪制造商提供的操作规程，对阵列进行金溅射镀膜（100-300 Å）。</li>
	<li>为观察尖端处理效果，在 SEM 中以 15 mm 的工作距离和 20 kV 的电子束强度对阵列成像。 
	注意：如 图 8D 所示，对于紫外激光切割的纤维，可在低真空条件下无需溅射镀膜直接成像。在此配置下，建议使用 11-12 mm 的工作距离和 4 kV 的电子束强度。</li>
</ol>

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<li>Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implanted+neural+interfaces+biochallenges+and+engineered+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).</li>
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<li>Saito, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+carbon+fibers+to+biomaterials%3A+A+new+era+of+nano-level+control+of+carbon+fibers+after+30-years+of+development%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development.</a> Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).</li>
<li>Welle, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+characterization+of+a+carbon+fiber+peripheral+nerve+electrode+appropriate+for+chronic+recording%5BTitle%5D)+AND+%22FASEB+Journal%22%5BJournal%5D)">Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording.</a> FASEB Journal. 34 (1), 1(2020).</li>
<li>Guitchounts, G., Cox, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((64-Channel+carbon+fiber+electrode+arrays+for+chronic+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology.</a> Scientific Reports. 10 (1), 3830(2020).</li>
<li>Patel, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+density+carbon+fiber+arrays+for+chronic+electrophysiology%2C+fast+scan+cyclic+voltammetry%2C+and+correlative+anatomy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy.</a> Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029(2020).</li>
<li>Massey, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Open-source+automated+system+for+assembling+a+high-density+microwire+neural+recording+array%5BTitle%5D)+AND+%222016+International+Conference+on+Manipulation%2C+Automation+and+Robotics+at+Small+Scales+%28MARSS%29%22%5BJournal%5D)">Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array.</a> 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).</li>
<li>Schwerdt, H. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subcellular+probes+for+neurochemical+recording+from+multiple+brain+sites%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites.</a> Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).</li>
<li>Welle, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-small+carbon+fiber+electrode+recording+site+optimization+and+improved+in+vivo+chronic+recording+yield%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield.</a> Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037(2020).</li>
<li>Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+carbon-fiber+electrode+array+for+long-term+neural+recording%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording.</a> Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016(2013).</li>
<li>Gillis, W. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+fiber+on+polyimide+ultra-microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010(2018).</li>
<li>Dong, T., Chen, L., Shih, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+sharpening+of+carbon+fiber+microelectrode+arrays+for+brain+recording%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micro+and+Nano-Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording.</a> Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013(2020).</li>
<li>Massey, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-density+carbon+fiber+neural+recording+array+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A high-density carbon fiber neural recording array technology.</a> Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024(2019).</li>
<li>Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tutorial%3A+a+computational+framework+for+the+design+and+optimization+of+peripheral+neural+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Protocols%22%5BJournal%5D)">Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces.</a> Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).</li>
<li>Khani, H., Wipf, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+tip-protected+polymer-coated+carbon-fiber+ultramicroelectrodes+and+pH+ultramicroelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).</li>
<li>El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+tip-protected+poly%28oxyphenylene%29+coated+carbon-fiber+ultramicroelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes.</a> Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).</li>
<li>Venkatraman, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+and+in+vivo+evaluation+of+PEDOT+microelectrodes+for+neural+stimulation+and+recording%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).</li>
<li>Petrossians, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrodeposition+and+Characterization+of+Thin-Film+Platinum-Iridium+Alloys+for+Biological+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces.</a> Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).</li>
<li>Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-impedance%2C+high+surface+area+Pt-Ir+electrodeposited+on+cochlear+implant+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).</li>
<li>Cassar, I. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrodeposited+platinum-iridium+coating+improves+in+vivo+recording+performance+of+chronically+implanted+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays.</a> Biomaterials. 205, 120-132 (2019).</li>
<li>Taylor, I. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+dopamine+detection+sensitivity+by+PEDOT%2Fgraphene+oxide+coating+on+in+vivo+carbon+fiber+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes.</a> Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).</li>
<li>Mohanaraj, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticle+modified+carbon+fiber+microelectrodes+for+enhanced+neurochemical+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3A+JoVE%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552(2019).</li>
<li>Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 - Carbon fibers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPusch%2C+J+%22Inorganic+and+composite+fibers.+Production%2C+properties%2C+and+applications%22">Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications</a>. , Woodhead Publishing. 31-51 (2019).</li>
<li>Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+responses+of+carbon+fiber+microelectrodes+to+dopamine+in+vitro+and+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biologica+Szegediensis%22%5BJournal%5D)">Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo.</a> Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

材料替代 
尽管所有使用的材料均已汇总于材料表中，但极少部分材料必须来自特定供应商。Flex Array 板必须从所列供应商处获取，因为只有该公司能够制造这种柔性电路板。Flex Array 连接器也必须从所列供应商处订购，因其为专有连接器。强烈推荐使用聚对二甲苯 C（Parylene C）作为纤维的绝缘材料，因为它能够在室温下可靠地形成保形涂层，并可耐受体内环境。聚酰亚胺板及板上的环氧树脂无法承受其他绝缘技术所需的高温。其余所有材料均可由用户自行决定从其他供应商购买或替换为替代品。本装置的设计旨在具备灵活性和可定制性，以适应最终用户的实验需求。但需注意，对所列材料或供应商的任何更改，均须由最终用户自行验证其有效性。
解决构建问题 
银导电胶沉积失败通常由以下几个原因导致：毛细管的宽度太宽，无法放入走线之间；毛细管太细，难以拾取和沉积导电胶；或毛细管上附着了过多的导电胶。前两个问题可通过切割一根尺寸更合适的毛细管来解决；最后一个问题则可通过更轻...

神经科学研究的许多工作依赖于使用电生理学（ePhys）记录神经信号。这些神经信号对于理解神经网络的功能以及诸如脑机接口和外周神经接口等新型医学治疗手段至关重要1,2,3,4,5,6。围绕外周神经开展的研究需要使用定制或商业化的神经记录电极。神经记录电极是一种具有微米级尺寸和脆弱材料的独特工具，其制备需要专门的技术和设备。目前已有多种专用探针被开发用于特定用途；然而，这意味着实验必须围绕现有商业探针进行设计，或者实验室需投入大量时间自行研发专用探针，而后者是一个耗时较长的过程。由于外周神经研究的多样性，对一种通用型ePhys探针的需求日益增长4,7,8。理想的ePhys探针应具备小尺寸记录位点、低阻抗9，以及在系统中应用时具备经济可行的价格3。
目前商用的电极通常为神经外电极或套管电极（Neural Cuff10、MicroProbes Nerve Cuff Electrode11），这些电极位于神经外部，或为束内电极，可穿透神经并置于目标神经束内。然而，由于套管电极距离神经纤维较远，会从邻近肌肉和其他非目标神经束中接收到更多噪声。这些探针还容易对神经造成压迫，导致在组织愈合过程中电极界面处发生生物污损——即胶质细胞和瘢痕组织的积聚。束内电极（如 LIFE12、TIME13 和 Utah Arrays14）具有神经束选择性的优势，并具备良好的信噪比，这对于机器接口中的信号分辨至关重要。然而，这些探针在生物相容性方面仍存在问题，随着时间推移可能导致神经变形3,15,16。当从商业渠道购买时，这两类探针均为固定设计，无法根据实验需求进行定制，且对新兴实验室而言成本较高。
针对其他探针存在的高成本和生物相容性问题，碳纤维电极为神经科学研究实验室提供了一种无需专用设备即可自行制备探针的途径。碳纤维是一种具有小尺寸优势的替代性记录材料，可实现低损伤植入。与硅材料相比，碳纤维具有更优的生物相容性，并显著降低瘢痕反应17,18,19，且无需复杂的洁净室加工流程5,13,14。碳纤维具有柔韧性好、耐用性强、易于与其他生物材料集成19的优点，能够穿透并记录神经信号7,20。尽管碳纤维具备诸多优势，许多实验室仍认为其阵列的手动制备过程繁琐费力。一些研究团队21将碳纤维集束形成直径较大（约200 µm）的结构；然而，据我们所知，这些集束尚未在神经组织中得到验证。另有研究者已制备出独立的碳纤维电极阵列，但其方法依赖洁净室制造的碳纤维导向结构22,23,24以及用于组装阵列的专用设备17,23,24。为解决这一问题，我们提出一种可在实验台面上完成的碳纤维阵列制备方法，支持临时修改设计。所制得的阵列可在无需专用纤维排布工具的情况下，保持各电极尖端的独立性。此外，本文还提供了多种几何构型，以满足不同研究实验的需求。在前期工作基础上8,17,22,25，本文详细阐述了多种类型阵列的手动构建与修改方法，所需洁净室操作培训时间极少。

<table><tbody><tr><td>3齿蛤</td><td>05-769-6Q</td><td>Fisher</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：20</td></tr><tr><td>3,4-乙二氧基噻吩（25 g）&lt;br/&gt; （PEDOT）</td><td>96618</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：102</td></tr><tr><td>353ND-T 环氧树脂（8盎司）++&lt;br/&gt; （仅限ZIF和宽板）</td><td>353ND-T/8OZ</td><td>环氧技术</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：48</td></tr><tr><td>Ag/AgCl（3M NaCl）参比电极（每包3个）</td><td>50-854-570</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：100</td></tr><tr><td>Autolab</td><td>PGSTAT12</td><td>Metrohm</td><td></td></tr><tr><td>喷灯</td><td>1WG61</td><td>Grainger</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：36</td></tr><tr><td>碳纤维</td><td>T-650/35 3K</td><td>Cytec Thornel</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>碳导电胶带</td><td>NC1784521</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：27</td></tr><tr><td>棉签</td><td>WOD1002</td><td>MediChoice</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：0.57</td></tr><tr><td>延迟固化环氧树脂++</td><td>1FBG8</td><td>Grainger</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：3</td></tr><tr><td>去离子水</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>数量：不适用&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>Dumont 镊子 #5</td><td>50-822-409</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：73</td></tr><tr><td>柔阵列**</td><td>n/a</td><td>MicroConnex</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：68</td></tr><tr><td>助焊剂</td><td>SMD291ST8CC</td><td>DigiKey</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：13</td></tr><tr><td>玻璃毛细管（每包350支）</td><td>50-821-986</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：60</td></tr><tr><td>玻璃培养皿</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>Hirose连接器&lt;br/&gt; （仅限 ZIF）</td><td>H3859CT-ND</td><td>DigiKey</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：2</td></tr><tr><td>耐光玻璃瓶</td><td>n/a</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>微移液管加热丝</td><td>FB315B</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>微移液管拉制仪</td><td>P-97</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>腈基手套（每包200副）</td><td>19-041-171C</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：47</td></tr><tr><td>离线分类软件</td><td>n/a</td><td>Plexon</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>Omnetics 连接器*&lt;br/&gt; （仅限Flex阵列）</td><td>A79025-001</td><td>Omnetics公司</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：35</td></tr><tr><td>Omnetics 连接器*&lt;br/&gt; （仅限Flex阵列）</td><td>A79024-001</td><td>Omnetics公司</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：35</td></tr><tr><td>Omnetics 转 ZIF 连接器</td><td>ZCA-OMN16</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>针式端子连接器&lt;br/&gt; （仅适用于宽板）</td><td>ED11523-ND</td><td>DigiKey</td><td>数量：16&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：10</td></tr><tr><td>探针储存盒</td><td>G2085</td><td>Melmat</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：2</td></tr><tr><td>剃刀片</td><td>4A807</td><td>Grainger</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：2</td></tr><tr><td>SEM 后</td><td>16327</td><td>lnf</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：3</td></tr><tr><td>银环氧树脂（1盎司）++</td><td>H20E/1OZ</td><td>环氧技术</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：125</td></tr><tr><td>银制接地参考导线</td><td>50-822-122</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：423.2</td></tr><tr><td>对甲苯磺酸钠（pTS）- 100 g</td><td>152536</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：59</td></tr><tr><td>焊料</td><td>24-6337-9703</td><td>DigiKey</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：60</td></tr><tr><td>烙铁头</td><td>T0054449899N-ND</td><td>Digikey</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：13</td></tr><tr><td>焊接站</td><td>WD1002N-ND</td><td>Digikey</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：374</td></tr><tr><td>SpotCure-B 紫外 LED 固化系统</td><td>n/a</td><td>FusionNet LLC</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：895</td></tr><tr><td>不锈钢棒</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>搅拌器</td><td>n/a</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：不适用</td></tr><tr><td>手术剪</td><td>08-953-1B</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：100</td></tr><tr><td>TDT 防护罩&lt;br/&gt; （仅限ZIF）</td><td>Z3_ZC16SHRD_RSN</td><td>TDT</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：3.5</td></tr><tr><td>聚四氟乙烯镊子</td><td>50-380-043</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：47</td></tr><tr><td>紫外 &amp;和可见光防护眼镜</td><td>92522</td><td>Loctite</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：45</td></tr><tr><td>UV环氧树脂（8盎司）++&lt;br/&gt; （仅限Flex阵列）</td><td>OG142-87/8OZ</td><td>环氧技术</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：83</td></tr><tr><td>紫外激光</td><td>n/a</td><td>WER</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：30</td></tr><tr><td>称量皿&lt;br/&gt; （500个装）</td><td>08-732-112</td><td>Fisher</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：58</td></tr><tr><td>宽板+</td><td>n/a</td><td>高级电路</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单位成本（美元）：3</td></tr><tr><td>ZIF 有源前置放大器</td><td>ZC16</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：925</td></tr><tr><td>ZIF 被动式头戴装置</td><td>ZC16-P</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单个成本（美元）：625</td></tr><tr><td>ZIF*</td><td>n/a</td><td>海岸到海岸电路</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 单件成本（美元）：9</td></tr></tbody></table>

开源工具包：用于神经记录的台式碳纤维微电极阵列

Open-source Toolkit: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array for Nerve Recording

传统的外周神经探针主要在洁净室中制备，需要使用多种昂贵且高度专业化的设备。本文介绍了一种洁净室“简化版”的碳纤维神经电极阵列制备工艺，该工艺可由缺乏洁净室经验的操作者快速掌握。这种碳纤维电极阵列的制备过程仅需使用一台洁净室设备，即聚对二甲苯C（Parylene C）沉积仪，该设备操作简单，易于学习，也可以极低的边际成本外包给商业加工机构完成。该制备工艺还包括手工装配印刷电路板、绝缘处理以及尖端优化等步骤。
本文探讨了三种不同的尖端优化方法（Nd:YAG 激光、喷灯和紫外激光），这些方法会产生不同范围的尖端几何形状和 1 kHz 阻抗，其中经喷灯处理的纤维具有最低的阻抗。尽管先前的实验已证实激光和喷灯电极的有效性，但本文还表明，紫外激光切割的纤维能够在活体（in vivo）中记录神经信号。现有的碳纤维阵列要么不采用独立电极而是使用束状结构，要么需要在洁净室中制备导引结构以实现纤维排布和绝缘。本文提出的阵列仅使用可在实验台操作的工具完成纤维排布。该碳纤维电极阵列的制备工艺使得大规模阵列的快速定制成为可能，且成本低于 commercially available 探针。

尖端验证：扫描电镜图像 
先前的研究20表明，使用剪刀切割会导致聚对二甲苯C在记录位点处折叠，从而产生不可靠的阻抗。因此，剪刀切割仅用于在采用其他精密切割方法前，将纤维裁剪至所需长度。通过扫描电镜图像评估尖端的暴露碳纤维长度及尖端几何形状（图8）。
剪刀切割和Nd:YAG激光切割光纤此前已有综述17,20。剪刀切割的光纤（图8A）其尖端几何形状不一致，切割时Parylene C会折叠覆盖在末端20。Nd:YAG激光切割的光纤在记录位点的面积、形状和阻抗方面保持一致（图8B）。火焰拉制的光纤20导致电极尺寸和形...

本文介绍了可定制碳纤维电极阵列的制备方法，用于在神经和脑组织中进行体内记录。

传统的外周神经探针主要在洁净室中制备，需要使用多种昂贵且高度专业化的设备。这……

碳纤维电极比神经元更小，造成的损伤极小。此外，它们可以在实验台上使用最少的专用设备进行制备。该技术的主要优势在于其简便性。它允许用户在无需洁净室经验的情况下构建和定制神经电极阵列。操作碳纤维并放置银环氧树脂具有较高难度且十分关键。这两部分步骤需要大量练习和精细的运动控制能力。第一天总是最困难的，但经过练习，大约一周后，你就能制作出一个功能性的神经阵列。首先，将电烙铁温度设置为 315 摄氏度。在所有焊盘上涂抹助焊剂。在柔性阵列的背面焊盘上形成少量焊料堆，然后焊接连接器两侧的引脚。固定后，轻轻将烙铁头插入前端引脚之间，以焊接背面剩余的连接。如果焊接耗时较长，可额外涂一层助焊剂，然后将前端一排引脚焊接到电路板上。使用100%异丙醇和短毛刷清除多余的助焊剂。接着，将环氧树脂装入注射器，针尖斜面朝下对准引脚，缓慢推动已调配好的环氧树脂，以包封焊点连接处。在电路板背面挤一条少量环氧树脂，并将其拉至连接器边缘，以固定连接器。使用玻璃拉制仪和细丝制备毛细管。切割拉制后的玻璃毛细管，使其尖端能够插入阵列的导线之间。然后，用两根棉签的木质端头在塑料皿中以约1:1的比例舀取银环氧树脂，并将其混合均匀。混合后丢弃涂抹棒。用剃刀刀片将碳纤维束末端剪下2至4毫米，置于打印纸上。轻轻将层压纸从纤维束顶部拉过，以分离纤维和纤维束。接下来，取少量环氧树脂涂在拉制好的毛细管末端，然后用特氟龙涂层镊子将一根碳纤维放置在电路板末端每隔一条线路的环氧树脂上，轻轻填充间隙。然后，使用洁净的拉制毛细管调整碳纤维，使其与柔性阵列板的末端垂直，并将其埋入环氧树脂中。将阵列放置在木块上，使带纤维的一端悬于木块边缘之外。将木块和阵列在140摄氏度下烘烤20分钟，以固化银环氧树脂，从而将纤维固定到位。如果银导电胶使两根或更多光纤短路，可使用洁净的玻璃毛细管轻轻刮除电路板上的胶体以去除。将制作完成的电路板存放在带有抬高平台的盒子中，使电路板的光纤端悬空，以防止光纤断裂。使用洁净的毛细管在暴露的导线上滴加少量紫外固化胶，继续逐滴添加，直至导线完全被覆盖。使用紫外笔将紫外固化胶在电路板一侧固化两分钟，然后对另一侧重复相同操作。在体视显微镜下利用目镜分划板和外科剪刀将光纤切割至一毫米长度。为检测电路连接情况，将恒电位仪设置为零伏并持续五秒，使记录信号达到稳定状态。使用恒电位仪对每根纤维进行1 kHz的阻抗扫描。通过与恒电位仪配套的软件记录测量数据。随后将纤维浸入烧杯中的去离子水中，重复三次，以冲洗纤维。用镊子轻轻刮去电路板上接地线和参考电极导线处的聚对二甲苯C涂层。接着，用刀片截取两段长度为五厘米的绝缘银线。将其中一端的2至3毫米以及另一端约10毫米处的绝缘层剥除。接下来，将电烙铁加热至 315 摄氏度，并在导线上涂抹少量助焊剂。将每根电生理导线插入电路板上的导线中约 2 至 3 毫米，并在导线顶端施加焊料。待探针冷却后，将其翻转，在导线背面也涂抹少量焊料。剪去从背面焊料堆中伸出的任何裸露导线。将阵列放入储存盒中，将导线向后弯曲，远离光纤，并用胶带固定导线，以防止光纤与导线之间可能的相互作用。采用扫描电镜（SEM）图像来确定暴露的碳纤维长度及尖端几何形状。剪刀切割的光纤尖端几何形状不一致，聚对二甲酰氯（Parylene C）会折叠覆盖在末端。NDYAG激光切割的光纤在记录位点区域、形状和阻抗方面保持一致。火焰灼烧切割的光纤导致电极尺寸最大，形状变异最明显，并形成尖锐的尖端。平均重新暴露了140微米的碳。紫外激光切割的光纤与火焰灼烧的光纤相似，从尖端暴露出约120微米的碳。所得阻抗处于电生理记录的可用范围内。NDYAG激光切割的纤维表面积最小，但阻抗最高，其次是火焰灼烧和紫外激光切割的纤维。然而，在所有情况下，经PEDOT:pTS涂层处理的纤维阻抗均低于110千欧的阈值。将四根经紫外激光处理的碳纤维（长度均为两毫米）同时植入大鼠运动皮层进行急性记录，结果显示所有纤维中共检测到三个神经单元，表明使用低成本紫外激光处理纤维的方法与其他切割方法效果相似。在实施该方案时，操作碳纤维应预留充足且洁净的操作空间。由于操作空间不足，很容易不慎将所有纤维扫落桌面。这些阵列现在适用于从大脑中记录信号单元。这些构建技术使得密歇根大学的Dr. Barnes团队以及凯斯西储大学的Dr. Chiel团队能够报告细胞内记录结果

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科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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用于急性和慢性在体记录的碳纤维微电极阵列的构建与实施

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