Methodenartikel

Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie zu Etch-Nano-Architekturen in Mikroelektroden

DOI:

10.3791/60004

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19. Januar 2020

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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.

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Wir haben gezeigt, dass die Radierung der Nanoarchitektur in intracortische Mikroelektrodengeräte die Entzündungsreaktion reduzieren kann und das Potenzial hat, elektrophysiologische Aufnahmen zu verbessern. Die hier beschriebenen Methoden skizzieren einen Ansatz, Nano-Architekturen in die Oberfläche nicht-funktioneller und funktioneller Einschaftssilizium-Intracortical-Mikroelektroden zu ätzen.

Zusammenfassung

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Mit Fortschritten in der Elektronik und Fertigungstechnologie wurden intracortische Mikroelektroden erheblich verbessert, was die Herstellung anspruchsvoller Mikroelektroden mit größerer Auflösung und erweiterten Fähigkeiten ermöglicht. Der Fortschritt in der Fertigungstechnologie hat die Entwicklung von biomimetischen Elektroden unterstützt, die darauf abzielen, sich nahtlos in das Hirnparenchym zu integrieren, die neuroinflammatorische Reaktion nach dem Einsetzen der Elektroden zu reduzieren und die Qualität und Langlebigkeit elektrophysiologischer Aufnahmen. Hier beschreiben wir ein Protokoll, um einen biomimetischen Ansatz zu verwenden, der vor kurzem als Nano-Architektur klassifiziert wurde. Die Verwendung der fokussierten Ionenstrahllithographie (FIB) wurde in diesem Protokoll verwendet, um spezifische Nano-Architektur-Features in die Oberfläche nicht-funktionaler und funktioneller intracortischer Einzelschaft-Mikroelektroden zu ätzen. Das Ätzen von Nano-Architekturen in die Elektrodenoberfläche zeigte mögliche Verbesserungen der Biokompatibilität und Funktionalität des implantierten Geräts an. Einer der Vorteile der Verwendung von FIB ist die Fähigkeit, auf hergestellten Geräten zu ätzen, im Gegensatz zu während der Herstellung des Geräts, die unbegrenzte Möglichkeiten, zahlreiche medizinische Geräte nach der Herstellung zu modifizieren. Das hier vorgestellte Protokoll kann für verschiedene Materialtypen, Nanoarchitektur-Features und Gerätetypen optimiert werden. Die Erweiterung der Oberfläche implantierter medizinischer Geräte kann die Geräteleistung und Die Integration in das Gewebe verbessern.

Einleitung

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Intracortische Mikroelektroden (IME) sind invasive Elektroden, die eine Möglichkeit der direkten Verbindung zwischen externen Geräten und den neuronalen Populationen innerhalb der Großhirnrinde1,2bieten. Diese Technologie ist ein unschätzbares Werkzeug zur Aufzeichnung neuronaler Wirkungspotenziale, um die Fähigkeit der Wissenschaftler zu verbessern, die neuronale Funktion zu erforschen, das Verständnis neurologischer Erkrankungen zu fördern und potenzielle Therapien zu entwickeln. Die intracortische Mikroelektrode, die als Teil von Brain Machine Interface (BMI)-Systemen verwendet wird, ermöglicht die Aufzeichnung von Aktionspotentialen von einzelnen oder kleinen Gruppen von Neuronen, um motorische Absichten zu erkennen, die verwendet werden können, um funktionale Ausgänge zu erzeugen3. Tatsächlich wurden BMI-Systeme erfolgreich für prothetische und therapeutische Zwecke eingesetzt, wie z. B. die erworbene sensorimotorische Rhythmussteuerung, um einen Computercursor bei Patienten mit amyotropher Lateralsklerose (ALS)4 und Rückenmarksverletzungen5 zu bedienen und die Bewegung bei Menschen mit chronischer Tetraplegiewiederherzustellen 6.

Leider können IMEs im Laufe der Zeit aufgrund mehrerer Fehlermodi, die mechanische, biologische und materielleFaktoren7,8, enthalten, oft nicht konstant aufzeichnen. Die neuroentzündliche Reaktion, die nach der Elektrodenimplantation auftritt, wird als eine erhebliche Herausforderung angesehen, die zum Elektrodenversagen beiträgt9,10,11,12,13,14. Die neuroentzündliche Reaktion wird während der ersten Insertion des IME initiiert, das die Blut-Hirn-Schranke durchbricht, das lokale Hirnparenchym schädigt und gliale und neuronale Netzwerke15,16stört. Diese akute Reaktion ist durch die Aktivierung von Gliazellen (Mikroglia/Makrophagen und Astrozyten) gekennzeichnet, die pro-inflammatorische und neurotoxische Moleküle um die Implantatstelle17,18,19,20freisetzen. Die chronische Aktivierung von Gliazellen führt zu einer Fremdkörperreaktion, die durch die Bildung einer Glianarbe gekennzeichnet ist, die die Elektrode aus gesundem Hirngewebe isoliert7,9,12,13,17,21,22. Letztlich, Behinderung der Fähigkeit der Elektrode, neuronale Wirkungspotentiale aufzuzeichnen, aufgrund der physikalischen Barriere zwischen der Elektrode und den Neuronen und der Degeneration und des Todes von Neuronen23,24,25.

Das frühe Versagen intracortischer Mikroelektroden hat zu beträchtlicher Forschung in der Entwicklung von Elektroden der nächsten Generation geführt, mit Schwerpunkt auf biomimetischen Strategien26,27,28,29,30. Von besonderem Interesse für das hier beschriebene Protokoll ist die Verwendung der Nanoarchitektur als eine Klasse biomimetischer Oberflächenveränderungen für IMEs31. Es wurde festgestellt, dass Oberflächen, die die Architektur der natürlichen in vivo Umgebung imitieren, eine verbesserte biokompatible Reaktion haben32,33,34,35,36. Daher ist die Hypothese, die dieses Protokoll überzeugt, dass die Diskontinuität zwischen der rauen Architektur des Hirngewebes und der glatten Architektur der intracortischen Mikroelektroden zur neuroinflammatorischen und chronischen Fremdkörperreaktion auf implantierte IMEs beitragen kann (für eine vollständige Überprüfung beziehen Sie sich auf Kim et al.31). Wir haben bereits gezeigt, dass die Nutzung von Nano-Architektur-Features ähnlich der extrazellulären Matrix-Architektur des Gehirns astrozytäre Entzündungsmarker von Zellen reduziert, die auf nano-architekturierten Substraten kultiviert werden, im Vergleich zu flachen Kontrollflächen sowohl in vitro als auch ex vivo-Modellen der Neuroentzündung37,38. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Anwendung fokussierter Ionenstrahl-Lithographie (FIB) auf Etch-Nano-Architekturen direkt auf Siliziumsonden führte, was zu einer signifikant erhöhten neuronalen Lebensfähigkeit und einer geringeren Expression von entzündungshemmenden Genen von Tieren führte, die mit den Nano-Architektur-Sonden implantiert wurden, im Vergleich zur glatten Kontrollgruppe26. Daher ist der Zweck des hier vorgestellten Protokolls, die Verwendung der FIB-Lithographie zu beschreiben, um Nano-Architekturen auf hergestellten intracortischen Mikroelektrodengeräten zu ätzen. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um nano-Architektur-Große Features in Siliziumoberflächen intracortischer Mikroelektrodenschäfte zu ätzen, die sowohl automatisierte als auch manuelle Prozesse verwenden. Diese Methoden sind unkompliziert, reproduzierbar und können sicherlich für verschiedene Gerätematerialien und gewünschte Funktionsgrößen optimiert werden.

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Protokoll

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HINWEIS: Gehen Sie die folgenden Schritte vor, während Sie die richtige persönliche Schutzausrüstung wie Labormantel und Handschuhe tragen.

1. Montage nicht-funktionaler Siliziumsonde für Fokussierte Ionenstrahl (FIB) Lithographie

HINWEIS: Das vollständige Verfahren zur Beschreibung der Herstellung des SOI-Wafers mit den 1.000 Sonden finden Sie unter Ereifej et al.39.

  1. Isolieren Sie einen Streifen von 2-3 Siliziumsonden aus dem Silizium auf Isolator (SOI) Wafer mit 1.000 Sonden. Erstellen Sie keine Streifen, die mehr als drei Siliziumsonden enthalten. Dies kann die Wahrscheinlichkeit einer lockeren Montage erhöhen und zu Fehlausrichtungen führen, die dazu führen, dass die FIB falsch ätzt.
    HINWEIS: Streifen/Sonden, die nicht fest auf dem Aluminiumstummel sitzen, können zwei Komplikationen verursachen: 1) Wenn sich die Bühne bewegt, um auf dem nächsten Abschnitt zu arbeiten, wird es Vibrationen geben und das Fräsen wird nicht genau sein, bis sich die Sonde legt und 2) es kann eine hohe Variation verursachen und apriorisch aus der Fokusebene sein.
    1. Verwenden Sie beim Tragen von Handschuhen feine Zangen, um Druck um die Sonden auszuüben, um einen kleinen Abschnitt mit zwei bis drei Sonden abzubrechen.
  2. Reinigen Sie die Siliziumsonde vor der FIB-Ätzung sorgfältig von Staub und Schmutz. Bereiten Sie eine 6 Brunnen-Polystyrolplatte vor, indem Sie 3 ml/Well von 95% Ethanol in drei Brunnen pfeifen.
    1. Nehmen Sie den geschnittenen Streifen von Siliziumsonden vorsichtig mit feiner Spitze oder Vakuumzange auf und legen Sie ihn in das Zellsieb. Legen Sie nur einen Streifen Siliziumsonden pro Sieb, um ein Brechen der Sonden zu verhindern. Legen Sie das Sieb mit den Silikonsondenstreifen zur Reinigung in den ersten Brunnen, der 95 % Ethanol enthält. Halten Sie das Sieb im ersten Brunnen für 5 min.
    2. Bewegen Sie das Sieb mit den Siliziumsonden vom ersten Brunnen und legen Sie es in den zweiten Brunnen, der 95% Ethanol enthält, für weitere 5 min. Wiederholen Sie dies noch einmal im dritten Brunnen.
    3. Das Sieb mit den gereinigten Siliziumsonden auf eine Polytetrafluorethylenplatte legen, um es an der Luft zu trocknen. Führen Sie diesen Schritt in einer sterilen Haube durch, um Eine Kontamination durch Staub zu vermeiden.
  3. Legen Sie den luftgetrockneten Streifen von Siliziumsonden in einen versiegelten Behälter für den Transport zum SEM-FIB. Wickeln Sie das Sieb mit den luftgetrockneten Proben mit einer Kunststoff- oder Aluminiumfolienfolie für den Transport und/oder die Lagerung, um die Reinigung aufrechtzuerhalten.
  4. Verwenden Sie fein gekippte oder Vakuumzangen, um den sauberen Streifen von Siliziumsonden vorsichtig aufzunehmen und auf einen sauberen Aluminiumstummel (verwendet für DIE SEM-FIB-Bildgebung/Ätzung) zu legen, um sich auf die Montage vorzubereiten.
  5. Verwenden Sie einen Zahnstocher (oder ein anderes fein gekipptes Instrument wie einen dünnen elektrischen Draht), um einen winzigen Tropfen (ca. 10 l) Silberfarbe am Rand des Siliziumsubstrats, das die Sonden umgibt, zu platzieren. Sichern Sie den Streifen nach unten, indem Sie die silberne Farbe um die Seiten des Siliziumsubstrats, das die Sonde umgibt, verteilen. Lassen Sie die silberne Farbe vollständig trocknen, bevor Sie den Aluminiumstummel in den SEM-FIB legen.
    HINWEIS: Achten Sie darauf, keine silberne Farbe auf den Schaft der Elektrode zu bekommen, denn das ist der Teil, der geätzt wird. Ist der Sondenstreifen nicht sicher am Aluminiumstummel verankert, kann sich der Streifen während der Verarbeitung bewegen oder eine andere Brennebene haben, was zu einem falschen Fräsen durch die FIB führt. Mehrere Streifen von Siliziumsonden können auf den gleichen Aluminium-Stummel montiert werden, um sicherzustellen, dass zwischen den Streifen genügend Platz vorhanden ist, um nach dem Ätzen eine Entfernung aus dem Stub zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine effizientere Ätzung mehrerer Sonden mithilfe der unten beschriebenen automatisierten Funktion.

2. Ausrichtung der FIB an den Siliziumsonden

  1. Klicken Sie auf die Entlüftungstaste in der Balkensteuerungs-Registerkarte, um die Kammer zu entlüften. Drücken Sie Shift+F3, um die Heimbühne auszuführen. Bestätigen Sie die Auswahl, indem Sie im Popup-Fenster die Schaltfläche "Startphase" auswählen.
    HINWEIS: Das Ausführen des Heimstadiumbetriebs ist ein vorbeugender Schritt, um sicherzustellen, dass die Bühnenachse von der Software korrekt gelesen wird und das Mikroskop in gutem Zustand ist.
  2. Nachdem die Home-Phase abgeschlossen ist, verschieben Sie die Stufe auf die Koordinaten X = 70 mm, Y = 70 mm, Z = 0 mm, T = 0°, R = 0°. Sobald die Kammer entlüftet ist, saubere Nitrilhandschuhe anziehen und die Kammertür öffnen.
    HINWEIS: Je nach Anwendung des vorherigen Benutzers kann es erforderlich sein, den Bühnenadapter zu ändern. Die Standard-Bühnenadapter (z.B. FEI-Stil) können durch Abschrauben der Zentralschraube gegen den Uhrzeigersinn entfernt und im Uhrzeigersinn in die Drehplatte der Bühne eingeschraubt werden.
  3. Stecken Sie den Aluminiumstummel, der die Sonden hält, in die Oberseite des Bühnenadapters. Sichern Sie den Aluminium-Stummel, indem Sie die eingestellte Schraube an der Seite des Bühnenadapters anziehen. Verwenden Sie für diese Aufgabe den 1,5 mm Sechskantschlüssel.
  4. Passen Sie die Höhe des Bühnenadapters an, indem Sie den Adapter im Uhrzeigersinn drehen, um ihn zu senken, oder gegen den Uhrzeigersinn, um ihn anzuheben. Befestigen Sie den Bühnenadapter an der Rotationsplatte, indem Sie die Verriegelungskegelmutter im Uhrzeigersinn drehen, bis die Mutter gegen die Bühnenrotationsplatte gesichert ist. Halten Sie den Bühnenadapter mit der anderen Hand, um die Drehung des Adapters und der Proben zu verhindern, während Sie die Verriegelungskegelmutter anziehen.
    HINWEIS: Verwenden Sie das angegebene Höhenmessgerät, um die entsprechende Höhe zu bestimmen. Die Oberseite des Aluminiumstummels sollte die gleiche Höhe wie die maximale Linie auf dem Höhenmesser haben. Über das Anziehen der Kegelmutter kann die Bühne und der Adapter beschädigt werden. Verwenden Sie nur genügend Kraft, um die Proben zu sichern.
  5. Erfassen Sie ein Navigationskamerabild. Schwenken Sie vorsichtig den Arm der Navigationskamera öffnen, bis er anhält. Die Mikroskopstufe bewegt sich automatisch an eine Position unter der Kamera. Sehen Sie sich das Live-Bild in Quadrant 3 der Mikroskop-Benutzeroberfläche (UI) an.
    1. Sobald sich die Helligkeitsstufe automatisch auf eine entsprechende Stufe anpasst, erfassen Sie das Bild, indem Sie die Taste auf der Kamerahalterung nach unten drücken. Warten Sie unbedingt, bis die gesamte Bildaufnahme abgeschlossen ist, die durch ein Pausensymbol in Quadrant 3 und das Ausschalten der Beleuchtung der Kamera angezeigt wird. Dies dauert ca. 10 s. Schwingen Sie den Kameraarm zurück in die geschlossene Position. Die Bühne kehrt zur ursprünglichen Position zurück.
  6. Schließen Sie die Mikroskopkammertür vorsichtig. Sehen Sie sich das CCD-Kamerabild in Quadrant 4 beim Schließen der Tür an. Stellen Sie sicher, dass die Proben und die Stufe einen sicheren Abstand zu jeder kritischen Komponente in der Mikroskopkammer haben.
  7. Wählen Sie den Abwärtspfeil neben der Pump-Taste in der Strahlsteuerung Tab. Wählen Sie Pumpe mit ProbeReinigung Taste in der UI-Software, um die Kammer-Vakuumpumpe zu starten und eingebautPlasmareiniger. Stellen Sie sicher, dass die Tür versiegelt ist, indem Sie sanft auf die Türfläche drücken, während die Pumpe läuft. Warten Sie ca. 8 min, bis die Pumpzeit und der Plasmareinigungszyklus für die Mikroskopkammer abgeschlossen sind.
    HINWEIS: Eine Vakuumdichtung kann durch sanftes Ziehen an der Kammertür bestätigt werden, die geschlossen bleiben sollte, wenn sich das System unter Vakuum befindet.
  8. Sobald das Symbol in der unteren rechten Ecke der Benutzeroberfläche grün wird, drücken Sie die Wake-Up-Taste in der Balkensteuerungsregisterkarte, die den Elektronen- und Ionenstrahl einschaltet. Wählen Sie Quadrant 1 und stellen Sie das Strahlsignal auf Elektronenstrahl (wenn nicht bereits eingestellt), stellen Quadrant 2 auf Ionenstrahl (wenn nicht bereits eingestellt).
    1. Sem-Spannung auf 5 kV einstellen, SEM-Strahlstrom auf 0,20 nA einstellen, SEM-Detektor auf ETD einstellen, Detektormodus auf Sekundäres Elektron einstellen. FiB-Spannung auf 30 kV einstellen, FIB-Strahlstrom auf 24 pA einstellen, FIB-Detektor auf ICE-Detektor einstellen, Detektormodus auf das Sekundärelektron einstellen.
  9. Doppelklicken Sie auf die Siliziumsonde im Navigationskamerabild, Quadrant 3, um die Bühne an die ungefähre Position der Sonde zu bewegen. Klicken Sie auf Quadrant 1, um ihn als aktiven Quadranten auszuwählen, und klicken Sie auf die Pause-Taste, um den SEM-Scan zu starten. Stellen Sie die Scanverweilzeit auf 300 ns ein, und deaktivieren Sie scan-Interlacing, Linienintegrationund Frame-Mittelung. Stellen Sie die Scanrotation in der Trägersteuerungs-Registerkarte auf 0 und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Balkenverschiebungs-2d-Regler und wählen Sie Nullaus.
  10. Passen Sie die Vergrößerung auf den Minimalwert an, indem Sie den Vergrößerungsknopf auf dem MUI-Panel gegen den Uhrzeigersinn drehen. Passen Sie die Bildhelligkeit und den Kontrast mithilfe der Knöpfe auf dem MUI-Panel oder dem Symbol auto Contrast Brightness Toolbar an.
  11. Bewegen Sie die Bühne, indem Sie entweder mit der linken Maustaste auf ein Feature klicken, um es zu zentrieren, oder indem Sie das Mausrad nach unten drücken und den Joystick-Mausmodus aktivieren. Bewegen Sie die gewünschte Siliziumsonde, die gemustert werden soll, in die Mitte des SEM-Bildes.
  12. Suchen Sie eine Kante oder andere Merkmale wie staubpartikel oder Kratzer. Erhöhen Sie die Vergrößerung auf 2.000x, indem Sie den Vergrößerungsknopf im Uhrzeigersinn drehen. Passen Sie den Fokus des SEM an, indem Sie die groben und feinen Fokusknöpfe auf dem MUI drehen, bis das Bild im Fokus steht. Sobald das Bild im Fokus ist, wählen Sie die Schaltfläche Beispiel Z mit Arbeitsabstand in der Symbolleiste verknüpfen aus.
  13. Bestätigen Sie, dass der Vorgang abgeschlossen wurde, indem Sie sich die Z-Achsen-Koordinate auf der Navigationsregisterkarte ansehen. Der Wert sollte ca. 11 mm betragen. Geben Sie 4,0 mm in die Position der Z-Achse ein und drücken Sie die Taste Go To mit der Maus oder drücken Sie die Eingabetaste auf der Tastatur und die Bühne bewegt sich auf 4 mm Arbeitsabstand.
  14. Bewegen Sie die Bühne in X und Y, um die Schulter der Siliziumsonde zu lokalisieren. Positionieren Sie es so nah wie möglich an der Mitte des SEM. Ändern Sie die Stufenneigung auf 52°, indem Sie in der T-Koordinate "52" eingeben und enter drücken. Beobachten Sie, ob sich die Schulter der Sonde im Bild nach oben oder unten zu bewegen scheint. Verwenden Sie den Schieberegler Stage Z, um die Schulter der Sonde wieder in die Mitte des SEM-Bildes zu bringen. Passen Sie nur die Z-Position an, bewegen Sie nicht die X-, Y-, T- oder R-Achse.
  15. Führen Sie den integrierten Befehl "xT Align Feature" aus, der sich im Dropdown-Menü der Bühne befindet. Klicken Sie mit der Maus auf zwei Punkte parallel zum Rand der Sonde. Stellen Sie sicher, dass das horizontale Optionsfeld im Popup-Fenster ausgewählt ist, und klicken Sie auf Fertig stellen. Die Bühne wird gedreht, um die Sonde an der X-Achse der Bühne auszurichten. Passen Sie die Bühne in X,Y mit der Maus an, um die untere Schulter der Sonde wieder in die Mitte des SEM-Bildes zu stellen.
    HINWEIS: Der erste Punkt sollte sich auf den Griff der Sonde und den zweiten Punkt in Richtung des Punkts der Sonde richten.
  16. Wählen Sie die FIB in Quadrant 2 und stellen Sie sicher, dass der Strahlstrom immer noch 24 pA ist. Stellen Sie die Vergrößerung auf 5.000x und die Verweilzeit auf 100 ns. Geben Sie Strg-F auf der Tastatur ein, um den FIB-Fokus auf 13,0 mm einzustellen. Klicken Sie auf der Registerkarte Balkensteuerung mit der rechten Maustaste in den Stigmator 2d-Einsteller und wählen Sie Null aus, und klicken Sie außerdem mit der rechten Maustaste in die Beam Shift 2d-Einstellertaste und wählen Sie Null. Stellen Sie die Scandrehung auf 0° ein und drücken Sie die Taste für die automatische Kontrasthelligkeit in der Symbolleiste.
  17. Suchen Sie nach einem Bild der Sondenschulter in Quadrant 2. Verwenden Sie das Snapshot-Tool, um ein Bild mit der FIB zu erfassen. Bestätigen Sie, dass sich die Sondenschulter in der Mitte des FIB-Bildes befindet, wenn nicht, doppelklicken Sie auf die Sondenschulter, um sie in die Mitte zu verschieben. Bewegen Sie die Bühne nach links, indem Sie die linke Pfeiltaste auf der Tastatur etwa 10-15 Mal drücken. Erstellen Sie einen weiteren Schnappschuss und beobachten Sie, ob sich die Sondenseite noch in der Mitte der FIB befindet.
    HINWEIS: Wenn nicht, muss die Stufenrotation leicht eingestellt werden. Wenn sich die Sonde über dem Bildmittelpunkt befindet, muss die Bühne in die negative Richtung gedreht werden. Wenn sich die Sonde unter der Mitte befindet, muss die Bühne im Uhrzeigersinn gedreht werden. Geben Sie eine relative compuzentrische Drehung von 0,01 bis 0,2 Grad ein, je nachdem, welche Weise zum Ausrichten der Sonde erforderlich ist.
  18. Wiederholen Sie die Schritte 2.16 bis 2.17 so oft wie nötig, bis der Rand der Sondenschulter perfekt an der X-Achse der Bühne ausgerichtet ist (die Kante bleibt in der Mitte der FIB, während sie sich nach links bewegt).
  19. Bewegen Sie die Bühne mit dem FIB zurück zur unteren Schulter der Sonde. Speichern Sie die Bühnenposition in der Positionsliste, indem Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen klicken. Ändern Sie den FIB-Strahlstrom auf 2,5 nA und stellen Sie sicher, dass die Vergrößerung der FIB immer noch 5000x beträgt. Führen Sie die automatische Helligkeitskontrastfunktion aus und stellen Sie die FIB-Verweilzeit auf 100 ns ein.
  20. Drücken Sie die Pause-Taste, um mit dem Scannen zu beginnen. Passen Sie den FIB-Fokus und den Astigmatismus so schnell und präzise wie möglich an, indem Sie die Grob- und Feinfokusknöpfe und die X- und Y-Stigmator-Regler auf dem MUI-Panel verwenden. Drücken Sie die Pause-Taste, um das FIB-Scannen zu stoppen.

3. Schreiben eines automatisierten Prozesses für die Radierung

  1. Starten Sie die Software, indem Sie sie im Windows-Startmenü suchen (d. h. Start-Programme, FEI-Unternehmen, Anwendungen, Nanobuilder). Positionieren Sie das Softwarefenster auf dem Seitenmonitor, damit die Benutzeroberfläche nicht verdeckt ist. Öffnen Sie die Datei zum Mustern der Silizium-Sonden, indem Sie auf Datei klicken, und öffnenSie dann . Richten Sie den Windows-Browser an den Speicherort des Softwareskripts(Zusatzdatei 1 - der Dateiname ist "Case_Western_2000_micron_Final_11H47M_runtime.jbj").
  2. Wählen Sie innerhalb der Software das Dropdown-Menü des Mikroskops aus und wählen Sie Bühnenursprung festlegen. Wählen Sie innerhalb der Software das Dropdown-Menü des Mikroskops aus und wählen Sie dann Detektoren kalibrieren.
  3. Klicken Sie auf der Mikroskop-Benutzeroberfläche einmal mit der Maus auf Quad 1, um Quad 1 auszuwählen. Ignorieren Sie die anderen Anweisungen im Popup-Fenster, sie sind für dieses Projekt nicht erforderlich. Klicken Sie auf OK, um die Kalibrierung zu starten. Der Vorgang dauert ca. 5 min. Stellen Sie sicher, dass die ETD- und ICE-Detektoren kalibriert werden. Es ist in Ordnung, wenn andere Detektoren Kalibrierungsfehler haben.
  4. Wählen Sie innerhalb der Software das Dropdown-Menü des Mikroskops aus und wählen Sie Ausführen aus, um die Mustersequenz zu starten. Wenn das Muster abgeschlossen ist, schließen Sie die Software.
    HINWEIS: Die Software übernimmt Quad 3 und 4 für die Musterungs- und Ausrichtungsfunktionen. Die Ausführung des Skripts dauert ca. 12 h. Während das Skript ausgeführt wird, ändern Sie keinen Parameter auf dem Mikroskop.
  5. Drücken Sie "Vent" in der Mikroskop-UI-Beam-Control-Registerkarte, um die Mikroskopstrahlen herunterzufahren und den Entlüftungszyklus zu starten. Während die Kammer entlüftet, verschieben Sie die Bühne auf die Koordinaten X = 70 mm, Y = 70 mm, Z = 0 mm, T = 0°, R = 0°. Sobald die Kammer entlüftet ist, saubere Nitrilhandschuhe anziehen und die Kammertür öffnen.
  6. Lösen Sie die Setschraube am Stubenadapter mit dem 1,5 mm Hexschlüssel. Entfernen Sie den Aluminiumstummel, der die gemusterte Sonde enthält, aus der Kammer. Schließen Sie die Mikroskopkammertür vorsichtig. Sehen Sie sich das CCD-Kamerabild in Quadrant 4 beim Schließen der Tür an. Stellen Sie sicher, dass der Bühnenadapter einen sicheren Abstand zu jeder kritischen Komponente in der Mikroskopkammer hat.
  7. Wählen Sie den Abwärtspfeil neben der Pump-Taste in der Balkensteuerung. Wählen Sie Pump-Taste, um die Kammer-Vakuumpumpe zu starten. Stellen Sie sicher, dass die Tür versiegelt ist, indem Sie sanft auf die Türfläche drücken, während die Pumpe läuft.
    HINWEIS: Eine Vakuumdichtung kann durch sanftes Ziehen an der Kammertür bestätigt werden, die geschlossen bleiben sollte, wenn sich das System unter Vakuum befindet. Die Pumpzeit beträgt ca. 5 min. Nur eine Seite der Sonde kann während eines einzigen Durchlaufs geätzt werden.
  8. Wenn die Vorder- und Rückseite der Sonde eine Ätzung erfordert, entfernen Sie vorsichtig den geätzten Streifen von Siliziumsonden, nachdem Sie die endgültige Ätzung überprüft und die Vorderseite geabbildung gemacht haben (falls Bilder benötigt werden). Lösen Sie die silberne Farbe mit Aceton auf, indem Sie den Aceton vorsichtig auf die Silberfarbe streicheln.. Drehen Sie den Streifen vorsichtig auf die Rückseite, montieren Sie ihn nach den oben beschriebenen Schritten wieder an, richten Sie ihn aus und ätzen Sie.

4. Überprüfen der endgültigen Ätze und Bildgebung

  1. Sobald das Fräsen abgeschlossen ist, überprüfen Sie die Homogenität der verschiedenen Abschnitte mit SEM-Bildgebung bei einer höheren Vergrößerung.
    HINWEIS: Die Bildgebung im geneigten Winkel ermöglicht eine bessere Beurteilung der Variation in der Frästiefe. Besondere Aufmerksamkeit sollte den Übergangsregionen zwischen den Frässtandorten gewidmet werden.
  2. Stellen Sie die Proben nach dem Fräsen mit einem optischen Mikroskop wieder ab.
    HINWEIS: Die periodisch gefrästen Linien führen zu einem Brechungseffekt, der in Abhängigkeit vom Bildwinkel zu unterschiedlichen Farben führt. Wenn die Farbe nicht kontinuierlich zusammen mit der Sonde ist, ist dies ein klarer Hinweis auf die Störung in den gefrästen Linien.

5. Montage einer funktionalen Siliziumsonde für die FIB-Ätzung

  1. Entfernen Sie vorsichtig die funktionelle Siliziumelektrode aus der Verpackung. Verwenden Sie Zangen, um die Kunststoff-Schutzlasche, die die Kopfstufe bedeckt, vorsichtig zu heben. Beginnen Sie, eine Ecke der Lasche aus dem klebrigen Kleber zu heben, der sie an Ort und Stelle hält, und heben Sie weiter, bis die gesamte Elektrode entfernt ist.
  2. Klemmen Sie die Elektrode vorsichtig mit Hämostaten, um sich auf die Montage in den stereotaxic-Rahmen vorzubereiten. Während Sie die abgedeckte Lasche mit der Zange halten, legen Sie vorsichtig gekrümmte Hämostate um den grünen Schaft über dem Siliziumschaft, wobei der gekrümmte Teil der Hämostate nach oben zur Lasche zeigt. die Hämostate.
  3. Entfernen Sie vorsichtig die Kunststoff-Schutzlasche, die die Kopfstufe bedeckt. Während Sie die Elektrode mit den Hämostaten halten, klemmen Sie die Elektrode vorsichtig in den stereotaxic-Rahmen für die Reinigung.
  4. Füllen Sie 3 Petrischalen mit 95% Ethanol (ca. 10 ml pro Petrischale). Legen Sie die Petrischale unter die Elektrode, die zur Reinigung in den stereotaxic Rahmen montiert ist. Senken Sie die Elektrode langsam, indem Sie den Mikromanipulator nach unten (100 m/s) drehen, so dass der Schaft in das 95% Ethanol getaucht wird.
    HINWEIS: Achten Sie darauf, den Mikromanipulator nicht zu schnell oder zu tief zu drehen, dies kann dazu führen, dass die Elektrode bricht (d. h., die Elektrode sollte die Petrischale nicht berühren).
  5. Lassen Sie den Elektrodenschaft im 95% Ethanol für 5 min, und heben Sie dann langsam die Elektrode aus dem 95% Ethanol, indem Sie den Mikromanipulator nach oben drehen (100 m/s). Wiederholen Sie diesen Schritt zwei weitere Male, für insgesamt drei Wähbe. Lassen Sie die Elektrode fünf Minuten lang trocknen.
  6. Verwenden Sie die gleiche Technik für die Montage der Elektrode in den stereotaxic Rahmen, um die Elektrode aus dem stereotaxic Rahmen zu entfernen. Legen Sie die Hämostate vorsichtig um den Schaft der Elektrode. Sobald die Hämostate fest geklammert sind, lassen Sie die Elektrode aus dem stereotaxic Rahmen, geben Sie die Kunststoff-Schutzlasche zurück, die die Kopfstufe bedeckt, und legen Sie die gereinigte Elektrode wieder in ihre Verpackung.

6. Ätzen funktionale Siliziumsonde mit FIB

  1. Montieren Sie die gereinigte funktionale Siliziumelektrode auf einem Aluminiumständer. Nehmen Sie die gereinigte funktionelle Siliziumelektrode vorsichtig mit Zangen auf und entfernen Sie die Schutzlasche von der Kopfbühne. Legen Sie den Elektrodenschaft auf den Aluminium-Stummel, damit er nicht über irgendeine Kante hängt, dann mit einem kleinen Stück Cu oder Carbon leitfähiges Band, pin die Kopfbühne sicher an den Aluminium-Stub.
    HINWEIS: Alternativ kann ein Low-Profile-Cliphalter verwendet werden, um die Elektrode niedrig zu halten. Achten Sie darauf, den Elektrodenschaft nicht zu berühren.
  2. Nach den oben beschriebenen Schritten (Abschnitt 2) positionieren Sie die Elektrode in euzentrischer Höhe und stellen Sie sicher, dass sich die Elektrode am Zufallspunkt der SEM- und FIB-Strahlen befindet. Richten Sie den Schaft an der "X"-Richtung der Bühne aus.
  3. Stellen Sie die FIB auf den optimalen Strom für das Fräsen der erforderlichen Nano-Architektur und stellen Sie sicher, dass Fokus und Stigmation richtig korrigiert werden. Bereiten Sie ein Array von Linien mit dem gewünschten Abstand und der gewünschten Länge vor, um das Sichtfeld des Schafts (500 m Abschnitte) abzudecken. Passen Sie die Linienlängen an, wenn die Radierung den Schaft auf die dünneren Abschnitte herunterbekommt.
    HINWEIS: Beim Ätzen der Funktionselektrode ist es nicht möglich, Handelszeichen hinzuzufügen, um den Prozess zu automatisieren. Daher erfolgt das Verschieben zwischen den Unterabschnitten (ca. 500 m) manuell.
  4. Nachdem das Fräsen des ersten Abschnitts abgeschlossen ist, stellen Sie sicher, dass Sie die Fräsqualität überprüfen, bevor Sie zum nächsten Abschnitt übergehen. Wiederholen Sie Schritt 6.3, um den nächsten Abschnitt des Schafts zu ätzen. Richten Sie die gefrästen Linien aus dem vorherigen Abschnitt an den Mustern aus, die für den nächsten Abschnitt verwendet werden, um große Lücken zwischen den Durchläufen zu vermeiden.

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Ergebnisse

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FIB geätzte Nano-Architektur auf den Oberflächen von Einzelnen Shank Intracortical Sonden
Unter Verwendung der hier beschriebenen Methoden wurden intracortische Sonden mit spezifischen Nano-Architekturen nach etablierten Protokollen39geätzt. Dimensionen und Form des in diesen Methoden beschriebenen Nano-Architektur-Designs wurden aus früheren In-vitro-Ergebnissen umgesetzt, die eine Abnahme der Gliazellreaktivität darstellen, wenn sie mit dem hier beschriebenen Nano-Architektur...

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Diskussion

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Das hier skizzierte Fertigungsprotokoll nutzt fokussierte Ionenstrahllithographie, um Nanoarchitekturen effektiv und reproduzierbar in die Oberfläche nicht-funktionaler und funktioneller Einzelschaftsilizium-Mikroelektroden einzuätzen. Fokussierte Ionenstrahl-Lithographie (FIB) ermöglicht die selektive Ablation der Substratoberfläche durch verwendung eines fein fokussierten Ionenstrahls50,51. FIB ist eine Direktschreibtechnik, die verschiedene Funktionen mit nano...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Diese Studie wurde vom United States (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service Awards unterstützt: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) und #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Der Inhalt stellt nicht die Ansichten des U.S. Department of Veterans Affairs oder der Regierung der Vereinigten Staaten dar. Die Autoren danken FEI Co. (Jetzt Teil von Thermofisher Scientific) für die Unterstützung und den Einsatz von Instrumenten durch das Personal, die bei der Entwicklung der in dieser Forschung verwendeten Skripte halfen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
16-Kanal ZIF-Clip KopftischTucker Davis TechnologiesZC16Je nach verwendeter Elektrode müssen der Kopftisch und der Kopftischhalter möglicherweise gewechselt werden. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
Meter langes Kabel, ALLES federumwickeltThomas Scientific1213F04Jede unbehandelte Petrischale reicht aus. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture
32-Kanal ZIF-Clip KopfbühnenhalterTucker Davis TechnologiesZ-ROD32Je nach verwendeter Elektrode müssen möglicherweise der Kopftisch und der Kopftischhalter gewechselt werden. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
Aceton, Verdünner/Extender/Reiniger, 30mlTed Pella16023https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
Baby-Mixter HämostatFine Science Werkzeuge13013-14Jedes gebogene Hämostatikum reicht aus. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat
Carbon leitfähiges Klebeband, doppelt beschichtetTed Pella16084-7Das Protokoll schlug drei Optionen für die Montage der Funktionselektrode am Aluminiumstummel vor (Kupfer- oder Kohlenstoffleitband oder ein flacher Clip). Wir haben das leitfähige Carbonband in unserer Studie verwendet. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm
Corning Costar Unbehandelte Mehrfach-Well-Platten - 6 WellSigma AldrichCLS3736-100EAJede unbehandelte 6-Well-Platte reicht aus. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/
Dumont #5 Feine PinzetteFine Science Tools11251-30Entweder diese feine Pinzette oder die Vakuumpumpe reicht aus. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/ Dumont-5-Pinzette/11251-30
Ethanol, 190 proof (95%), USP, Decon LabsFisher Scientific22-032-600Jedes 95%ige Ethanol ist ausreichend. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600
Falcon Cell SiebFisher Scientific08-771-1https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711
FEI, Tescan, Zeiss (auch für Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), Aluminium, Rillenkante, Ø 32mmTed Pella16148Je nachdem, welches REM-Gerät verwendet wird, benötigen Sie möglicherweise einen Stummel in unterschiedlicher Größe. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180
Fisherbrand Aluminiumfolie, Standard-Gauge-RolleFisher Scientific01-213-101Jede Alufolie reicht aus. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250
Fisherbrand Low- und Tall-Form PTFE VerdampfungsschalenFisher Scientific02-617-149Jede Teflonplatte reicht aus, diese wird verwendet, um die Sonden nach dem Waschen auf einer Oberfläche zu trocknen, auf der sie nicht kleben bleiben. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552
Funktionselektrode aus Silizium im Michigan-StilNeuroNexusA1x16-3mm-100-177http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/
Modell 1772 UniversalhalterKOPFModell 1772Andere stereotaktische Rahmen und Zubehör reichen aus. http://kopfinstruments.com/ product/model-1772-universal-holder/
Modell 900-U Stereotaktisches KleintiergerätKOPFModell 900-UAndere stereotaktische Rahmen und Zubehör sind ausreichend. http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/
Modell 960 Elektrodenmanipulator mit AP-SchlittenbaugruppeKOPFModell 960Andere stereotaktische Rahmen und Zubehör sind ausreichend. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Parafilm M 10cm x 76.2m (4" x 250')Ted Pella807-5https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htm
PELCO Vakuum-Aufnahmesystem, 220VTed Pella520-1-220Entweder diese Vakuumpumpe oder die feine Pinzette reicht aus. http:// www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520
PELCO Leitfähiges SilberLackiert Ted Pella16062<a href="https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062" target="_blank">https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
SEM FIB FEI Helios 650 NanolabThermo Fisher ScientificHelios G2 650Dabei handelt es sich um das spezifische fokussierte Ionenstrahl- und Rasterelektronenmikroskop, das im Protokoll verwendet wird. Die Nanobuilder-Software ist das, was sie mitbringt. Wenn ein anderes FIB-Gerät verwendet wird, ist es möglicherweise nicht vollständig mit dem Protokoll kompatibel, insbesondere mit den Schritten, für die die Nanobuilder-Software erforderlich ist. https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/
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Referenzen

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