Summary

Open-Source-Toolkit: Benchtop-Kohlefaser-Mikroelektroden-Array für Nervenaufzeichnung

Published: October 29, 2021
doi:

Summary

Hier beschreiben wir die Herstellungsmethodik für anpassbare Kohlefaser-Elektrodenarrays zur Aufzeichnung in vivo in Nerv und Gehirn.

Abstract

Herkömmliche periphere Nervensonden werden hauptsächlich in einem Reinraum hergestellt und erfordern den Einsatz mehrerer teurer und hochspezialisierter Werkzeuge. Dieser Artikel stellt einen Reinraum-“leichten” Herstellungsprozess von neuronalen Elektrodenarrays aus Kohlefaser vor, der von einem unerfahrenen Reinraumbenutzer schnell erlernt werden kann. Dieser Prozess zur Herstellung von Kohlefaser-Elektrodenarrays erfordert nur ein Reinraumwerkzeug, eine Parylene C-Abscheidungsmaschine, die schnell erlernt oder zu Grenzkosten an eine kommerzielle Verarbeitungsanlage ausgelagert werden kann. Dieser Herstellungsprozess umfasst auch die manuelle Bestückung von Leiterplatten, Isolierung und Spitzenoptimierung.

Die drei verschiedenen Hier untersuchten Spitzenoptimierungen (Nd:YAG-Laser, Lötlampe und UV-Laser) führen zu einer Reihe von Spitzengeometrien und 1-kHz-Impedanzen, wobei gebläselte Fasern zu der niedrigsten Impedanz führen. Während frühere Experimente die Wirksamkeit von Laser- und Lötlampenelektroden bewiesen haben, zeigt dieses Papier auch, dass UV-lasergeschnittene Fasern neuronale Signale in vivo aufzeichnen können. Bestehende Kohlefaser-Arrays haben entweder keine individuierten Elektroden zugunsten von Bündeln oder erfordern reinraumgefertigte Führungen für Die Bevölkerung und Isolierung. Die vorgeschlagenen Arrays verwenden nur Werkzeuge, die auf einem Benchtop für die Faserpopulation verwendet werden können. Dieser Herstellungsprozess für Kohlefaserelektrodenarrays ermöglicht eine schnelle Anpassung der Bulk-Array-Herstellung zu einem reduzierten Preis im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Sonden.

Introduction

Ein Großteil der neurowissenschaftlichen Forschung beruht auf der Aufzeichnung neuronaler Signale mittels Elektrophysiologie (ePhys). Diese neuronalen Signale sind entscheidend für das Verständnis der Funktionen neuronaler Netze und neuartiger medizinischer Behandlungen wie Gehirnmaschine und periphere Nervenschnittstellen1,2,3,4,5,6. Die Forschung rund um periphere Nerven erfordert maßgeschneiderte oder kommerziell erhältliche neuronale Aufzeichnungselektroden. Neuronale Aufzeichnungselektroden – einzigartige Werkzeuge mit Mikrometerabmessungen und zerbrechlichen Materialien – erfordern einen speziellen Satz von Fähigkeiten und Geräten für die Herstellung. Eine Vielzahl von spezialisierten Sonden wurde für spezifische Endanwendungen entwickelt; Dies bedeutet jedoch, dass Experimente um derzeit verfügbare kommerzielle Sonden herum entworfen werden müssen, oder ein Labor muss in die Entwicklung einer spezialisierten Sonde investieren, was ein langwieriger Prozess ist. Aufgrund der großen Vielfalt der neuronalen Forschung im peripheren Nerv besteht eine hohe Nachfrage nach einer vielseitigen ePhys-Sonde4,7,8. Eine ideale ePhys-Sonde würde eine kleine Aufnahmestelle, eine niedrige Impedanz9 und einen finanziell realistischen Preispunkt für die Implementierung in einem System aufweisen3.

Aktuelle kommerzielle Elektroden neigen dazu, entweder extraneurale oder Manschettenelektroden (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11) zu sein, die außerhalb des Nervs sitzen, oder intrafaszikulär, die in den Nerv eindringen und innerhalb des Faszikels von Interesse sitzen. Da manschettenelektroden jedoch weiter von den Fasern entfernt sitzen, nehmen sie mehr Lärm von nahe gelegenen Muskeln und anderen Faszikeln auf, die möglicherweise nicht das Ziel sind. Diese Sonden neigen auch dazu, den Nerv einzuengen, was zu Biofouling – einer Ansammlung von Gliazellen und Narbengewebe – an der Elektrodenschnittstelle führen kann, während das Gewebe heilt. Intrafaszikuläre Elektroden (wie LIFE12, TIME13 und Utah Arrays14) bieten den Vorteil der Faszikelselektivität und haben ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, was bei der Unterscheidung von Signalen für die Maschinenschnittstelle wichtig ist. Diese Sonden haben jedoch Probleme mit der Biokompatibilität, wobei sich die Nerven im Laufe der Zeit verformen3,15,16. Wenn sie kommerziell gekauft werden, haben beide Sonden statische Designs ohne Option für eine experimentspezifische Anpassung und sind für neuere Labore kostspielig.

Als Reaktion auf die hohen Kosten und Biokompatibilitätsprobleme anderer Sonden können Kohlefaserelektroden neurowissenschaftlichen Labors die Möglichkeit bieten, ihre eigenen Sonden zu bauen, ohne dass spezielle Geräte erforderlich sind. Kohlefasern sind ein alternatives Aufnahmematerial mit einem kleinen Formfaktor, der eine geringe Beschädigung ermöglicht. Kohlefasern bieten eine bessere Biokompatibilität und eine wesentlich geringere Narbenreaktion als Silizium17,18,19 ohne die intensive Reinraumverarbeitung5,13,14. Carbonfasern sind flexibel, langlebig, lassen sich leicht in andere Biomaterialien integrieren19 und können von Nerve7,20 durchdringen und aufzeichnen. Trotz der vielen Vorteile von Carbonfasern empfinden viele Labore die manuelle Herstellung dieser Arrays als mühsam. Einige Gruppen21 kombinieren Kohlenstofffasern zu Bündeln, die zusammen zu einem größeren Durchmesser (~200 μm) führen; Unseres Wissens wurden diese Bündel jedoch nicht in Nerven verifiziert. Andere haben individuierte Kohlefaser-Elektrodenarrays hergestellt, obwohl ihre Methoden reinraumgefertigte Kohlefaserführungen22,23,24 und Geräte zum Bestücken ihrer Arrays erfordern17,23,24. Um dies zu beheben, schlagen wir eine Methode zur Herstellung eines Kohlefaser-Arrays vor, das auf dem Labortisch durchgeführt werden kann und spontane Modifikationen ermöglicht. Das resultierende Array behält individuierte Elektrodenspitzen ohne spezielle Faserbesiedlungswerkzeuge bei. Zusätzlich werden mehrere Geometrien vorgestellt, um den Anforderungen des Forschungsexperiments gerecht zu werden. Aufbauend auf früheren Arbeiten8,17,22,25 bietet dieses Dokument detaillierte Methoden zum manuellen Erstellen und Ändern verschiedener Array-Stile mit minimalem Reinraumschulungszeit.

Protocol

Alle Tierverfahren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Michigan genehmigt. 1. Auswahl eines Kohlefaser-Arrays Wählen Sie eine Leiterplatte (PCB) aus einem der drei in Abbildung 1 dargestellten Designs aus.HINWEIS: Für dieses Protokoll stehen Flex Arrays im Mittelpunkt. Beziehen Sie sich auf PCB-Designs auf der Website des Chestek Lab (https://chestekresearch.engin.umich.edu), kostenlos u…

Representative Results

Tipp Validierung: REM-BilderFrühere Arbeiten20 zeigten, dass das Schneiden von Scheren zu unzuverlässigen Impedanzen führte, da Parylen c über die Aufnahmestelle gefaltet wurde. Das Scherenschneiden wird hier nur verwendet, um Fasern vor der Verarbeitung mit einem zusätzlichen Finish-Schneidverfahren auf die gewünschte Länge zu schneiden. REM-Bilder der Spitzen wurden verwendet, um die exponierte Kohlenstofflänge und die Spitzengeometrie zu bestimmen (<strong class="xf…

Discussion

Materialsubstitutionen
Während alle verwendeten Materialien in der Materialtabelle zusammengefasst sind, müssen nur sehr wenige der Materialien von bestimmten Anbietern stammen. Das Flex Array-Board muss vom aufgeführten Anbieter stammen, da dieses das einzige Unternehmen ist, das das flexible Board drucken kann. Der Flex Array Connector muss ebenfalls bei dem aufgeführten Anbieter bestellt werden, da es sich um einen proprietären Connector handelt. Parylen C wird als Isoliermate…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 und UF1NS115817) und der National Science Foundation (1707316) finanziell unterstützt. Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung des University of Michigan College of Engineering und die technische Unterstützung des Michigan Center for Materials Characterization und des Van Vlack Undergraduate Laboratory. Die Autoren danken Dr. Khalil Najafi für den Einsatz seines Nd:YAG-Lasers und der Lurie Nanofabrication Facility für den Einsatz ihrer Parylene C-Abscheidungsmaschine. Wir möchten uns auch bei Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) für ihre Hilfe bei der kommerziellen Beschichtungsvergleichsstudie bedanken.

Materials

3 prong clams 05-769-6Q Fisher Qty: 2
Unit Cost (USD): 20
3,4-ethylenedioxythiophene (25 g)
(PEDOT)
96618 Sigma-Aldrich Qty: 1
Unit Cost (USD): 102
353ND-T Epoxy (8oz)++
(ZIF and Wide Board Only)
353ND-T/8OZ Epoxy Technology Qty: 1
Unit Cost (USD): 48
Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) 50-854-570 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 100
Autolab PGSTAT12 Metrohm
Blowtorch 1WG61 Grainger Qty: 1
Unit Cost (USD): 36
Carbon Fibers T-650/35 3K Cytec Thornel Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Carbon tape NC1784521 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 27
Cotton Tipped Applicator WOD1002 MediChoice Qty: 1
Unit Cost (USD): 0.57
Delayed Set Epoxy++ 1FBG8 Grainger Qty: 1
Unit Cost (USD): 3
DI Water n/a n/a Qty: n/a
Unit Cost (USD): n/a
Dumont Tweezers #5 50-822-409 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 73
Flex Array** n/a MicroConnex Qty: 1
Unit Cost (USD): 68
Flux SMD291ST8CC DigiKey Qty: 1
Unit Cost (USD): 13
Glass Capillaries (pack of 350) 50-821-986 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 60
Glass Dish n/a n/a Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Hirose Connector
(ZIF Only)
H3859CT-ND DigiKey Qty: 2
Unit Cost (USD): 2
Light-resistant Glass Bottle n/a Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Micropipette Heating Filiment FB315B Sutter Instrument Co Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Micropipette Puller P-97 Sutter Instrument Co Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Nitrile Gloves (pack of 200) 19-041-171C Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 47
Offline Sorter software n/a Plexon Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Omnetics Connector*
(Flex Array Only)
A79025-001 Omnetics Inc Qty: 1
Unit Cost (USD): 35
Omnetics Connector*
(Flex Array Only)
A79024-001 Omnetics Inc Qty: 1
Unit Cost (USD): 35
Omnetics to ZIF connector ZCA-OMN16 Tucker-Davis Technologies Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Pin Terminal Connector
(Wide Board Only)
ED11523-ND DigiKey Qty: 16
Unit Cost (USD): 10
Probe storage box G2085 Melmat Qty: 1
Unit Cost (USD): 2
Razor Blade 4A807 Grainger Qty: 1
Unit Cost (USD): 2
SEM post 16327 lnf Qty: 1
Unit Cost (USD): 3
Silver Epoxy (1oz)++ H20E/1OZ Epoxy Technology Qty: 1
Unit Cost (USD): 125
Silver GND REF wires 50-822-122 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 423.2
Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g 152536 Sigma-Aldrich Qty: 1
Unit Cost (USD): 59
Solder 24-6337-9703 DigiKey Qty: 1
Unit Cost (USD): 60
Soldering Iron Tip T0054449899N-ND Digikey Qty: 1
Unit Cost (USD): 13
Soldering Station WD1002N-ND Digikey Qty: 1
Unit Cost (USD): 374
SpotCure-B UV LED Cure System n/a FusionNet LLC Qty: 1
Unit Cost (USD): 895
Stainless steel rod n/a n/a Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Stir Plate n/a Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): n/a
Surgical Scissors 08-953-1B Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 100
TDT Shroud
(ZIF Only)
Z3_ZC16SHRD_RSN TDT Qty: 1
Unit Cost (USD): 3.5
Teflon Tweezers 50-380-043 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 47
UV & Visible Light Safety Glassees 92522 Loctite Qty: 1
Unit Cost (USD): 45
UV Epoxy (8oz)++
(Flex Array Only)
OG142-87/8OZ Epoxy Technology Qty: 1
Unit Cost (USD): 83
UV Laser n/a WER Qty: 1
Unit Cost (USD): 30
Weigh boat
(pack of 500)
08-732-112 Fisher Qty: 1
Unit Cost (USD): 58
Wide Board+ n/a Advanced Circuits Qty: 1
Unit Cost (USD): 3
ZIF Active Headstage ZC16 Tucker-Davis Technologies Qty: 1
Unit Cost (USD): 925
ZIF Passive Headstage ZC16-P Tucker-Davis Technologies Qty: 1
Unit Cost (USD): 625
ZIF* n/a Coast to Coast Circuits Qty: 1
Unit Cost (USD): 9

Referenzen

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Richie, J. M., Patel, P. R., Welle, E. J., Dong, T., Chen, L., Shih, A. J., Chestek, C. A. Open-source Toolkit: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array for Nerve Recording. J. Vis. Exp. (176), e63099, doi:10.3791/63099 (2021).

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