Herstellung von Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays für In Vivo Neural Recording

Nicolette Driscoll; Kathleen Maleski; Andrew  G. Richardson; Brendan Murphy; Babak Anasori; Timothy  H. Lucas; Yury Gogotsi; Flavia Vitale

doi:10.3791/60741

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Methodenartikel

Herstellung von Ti₃C₂ MXene Microelectrode Arrays für In Vivo Neural Recording

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DOI:

10.3791/60741

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12. Februar 2020

Nicolette Driscoll¹^,²^,³ , Kathleen Maleski⁴^,⁵ , Andrew G. Richardson²^,⁶ , Brendan Murphy¹^,²^,³ , Babak Anasori⁴^,⁵ , Timothy H. Lucas²^,⁶ , Yury Gogotsi⁴^,⁵ , Flavia Vitale¹^,²^,³^,⁷^,⁸

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir beschreiben hier eine Methode zur Herstellung von Ti₃C₂ MXene Mikroelektroden-Arrays und deren Verwendung für die in vivo-neurale Aufnahme.

Zusammenfassung

Implantierbare Mikroelektrodentechnologien wurden weit verbreitet eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf der Mikroskala aufzuklären, um ein tieferes Verständnis der neuronalen Grundlagen von Hirnerkrankungen und Verletzungen zu gewinnen. Da Elektroden auf die Skala einzelner Zellen miniaturisiert werden, begrenzt ein entsprechender Anstieg der Grenzflächenimpedanz die Qualität der aufgezeichneten Signale. Darüber hinaus sind herkömmliche Elektrodenmaterialien steif, was zu einer signifikanten mechanischen Diskrepanz zwischen der Elektrode und dem umgebenden Hirngewebe führt, was eine Entzündungsreaktion hervorruft, die schließlich zu einer Verschlechterung der Geräteleistung führt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir ein Verfahren zur Herstellung flexibler Mikroelektroden auf Basis von Ti₃C₂ MXene entwickelt, einem kürzlich entdeckten Nanomaterial, das eine bemerkenswert hohe volumetrische Kapazität, elektrische Leitfähigkeit, Oberflächenfunktionalität und Verarbeitbarkeit in wässrigen Dispersionen besitzt. Flexible Arrays von Ti₃C₂ MXene Mikroelektroden haben aufgrund der hohen Leitfähigkeit und der hohen spezifischen Oberfläche der Ti₃C₂ MXene-Folien eine bemerkenswert geringe Impedanz und haben sich als exquisit empfindlich für die Aufzeichnung neuronaler Aktivität erwiesen. In diesem Protokoll beschreiben wir eine neuartige Methode zum Mikromustern von Ti₃_C2 MXen e in Mikroelektroden-Arrays auf flexiblen polymeren Substraten und skizzieren deren Verwendung für die In-vivo-Mikroelektrokortikographie-Aufzeichnung. Diese Methode kann leicht erweitert werden, um MXene-Elektroden-Arrays beliebiger Größe oder Geometrie für eine Reihe anderer Anwendungen in der Bioelektronik zu erstellen und es kann auch für den Einsatz mit anderen leitfähigen Tinten neben Ti₃C₂ MXen angepasst werden. Dieses Protokoll ermöglicht die einfache und skalierbare Herstellung von Mikroelektroden aus lösungsbasierten leitfähigen Tinten und ermöglicht es speziell, die einzigartigen Eigenschaften von hydrophilen Ti₃C₂ MXene zu nutzen, um viele der Barrieren zu überwinden, die die weit verbreitete Verbreitung von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien für hochtreue neuronale Mikroelektroden lange behindert haben.

Einleitung

Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die neuronalen Schaltkreisen zugrunde liegen, und wie ihre Dynamik bei Krankheiten oder Verletzungen verändert wird, ist ein entscheidendes Ziel für die Entwicklung wirksamer Therapeutika für eine breite Palette von neurologischen und neuromuskulären Erkrankungen. Mikroelektrodentechnologien wurden häufig eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf feinen räumlichen und zeitlichen Skalen aufzuklären. Die Aufnahme stabiler Aufnahmen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Mikroelektroden hat sich jedoch als besonders anspruchsvoll erwiesen. Da die Abmessungen der Elektroden auf eine zelluläre Skala reduziert werden, vers....