Summary
여기서는 신경과 뇌 에서 생체 내에서 기록하기 위한 맞춤형 탄소 섬유 전극 어레이를 위한 제조 방법론을 설명합니다.
Abstract
기존의 말초 신경 프로브는 주로 클린룸에서 제작되어 여러 개의 고가의 고도로 특수화된 공구를 사용해야 합니다. 이 백서는 미숙한 클린룸 사용자가 신속하게 학습할 수 있는 탄소 섬유 신경 전극 어레이의 클린룸 "빛" 제조 공정을 제시합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제작 공정에는 한계 비용으로 상업 처리 시설에 신속하게 학습하거나 아웃소싱 할 수있는 하나의 클린룸 도구 인 Parylene C 증착 기계가 필요합니다. 이 제조 프로세스에는 수동 채우기 인쇄 회로 기판, 절연 및 팁 최적화가 포함됩니다.
여기서 탐구한 세 가지 팁 최적화(Nd:YAG 레이저, 블로토치 및 UV 레이저)는 다양한 팁 지오메트리와 1kHz 임피던스를 생성하며, 불발섬유가 가장 낮은 임피던스를 생성합니다. 이전 실험은 레이저와 블로토치 전극 효능을 입증했지만,이 논문은 또한 UV 레이저 절단 섬유가 생체 내에서 신경 신호를 기록 할 수 있음을 보여줍니다. 기존 탄소 섬유 배열은 번들에 찬성하여 전극을 열수 하지 않거나 인구 및 절연을 위해 클린룸 조작 가이드가 필요합니다. 제안된 배열은 섬유 채우기의 벤치탑에서 사용할 수 있는 도구만 사용합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제조 공정을 통해 상용 프로브에 비해 가격이 낮아지며 벌크 어레이 제작을 신속하게 사용자 정의할 수 있습니다.
Introduction
신경 과학 연구의 대부분은 전기 생리학 (ePhys)을 사용하여 신경 신호를 기록하는 데 의존합니다. 이 신경 신호는 신경망및 두뇌 기계 및 말초 신경 인터페이스와 같은 새로운 의학 처리의 기능을 이해하는 데 중요합니다1,2,3,4,5,6. 말초 신경을 둘러싼 연구는 사용자 정의 또는 시판 적으로 사용할 수있는 신경 기록 전극을 필요로한다. 미크론 스케일 치수와 깨지기 쉬운 재료가 있는 신경 기록 전극 고유 도구는 특수 한 기술과 장비를 필요로 합니다. 특정 종단 용도로 다양한 특수 프로브가 개발되었습니다. 그러나 이는 현재 사용 가능한 상용 프로브를 중심으로 실험을 설계해야 하거나 실험실이 장시간 진행되는 전문 프로브 개발에 투자해야 한다는 것을 의미합니다. 말초 신경에서 신경 연구의 다양 한 다양 한 때문에, 다재 다능 한 ePhys 프로브에 대 한 높은 수요가 있다4,7,8. 이상적인 ePhys 프로브는 작은 녹음 사이트, 낮은 임피댄스9, 시스템의 구현을위한 재정적으로 현실적인 가격 포인트를 특징으로합니다3.
현재 상용 전극은 신경 외부에 앉아 있는 신경 신경또는 커프 전극(신경 커프스 전극111)이거나 신경을 관통하고 관심있는 근막 안에 앉는 근해 내의 경향이 있습니다. 그러나 커프 전극이 섬유에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 근처의 근육과 대상이 아닐 수 있는 다른 매심에서 더 많은 소음을 냅니다. 이 프로브는 또한 신경을 수축하는 경향이, 이는 신경교 세포의 biofouling-a 형성으로 이어질 수 있습니다 및 흉터 조직-조직이 치유 하는 동안 전극 인터페이스에서. 내막 전극(예: LIFE12, TIME13 및 유타 Arrays14)은 근심 선택성의 이점을 더하고 장비 인터페이싱을 위한 신호를 분리하는 데 중요한 신호 대 잡음 비율이 양호합니다. 그러나, 이 탐사선은 시간이 지남에 따라 변형되는 신경과 함께 생체 적합성에 문제가 있습니다3,15,16. 상업적으로 구입하면 이 두 프로브 모두 실험별 사용자 지정옵션이 없는 정적 설계를 가지고 있으며 새로운 실험실에서 비용이 많이 듭니다.
다른 프로브가 제시한 높은 비용 및 생체 적합성 문제에 대응하여 탄소 섬유 전극은 특수 장비 없이 자체 프로브를 구축하기 위한 신경 과학 실험실을 위한 길을 제공할 수 있습니다. 탄소 섬유는 낮은 손상 삽입을 허용하는 작은 폼 팩터를 가진 대체 기록 재료입니다. 탄소 섬유는 집중적인 클린룸 처리 없이 실리콘17,18,19보다 생체 적합성이 우수하고 흉터 반응이 상당히 낮습니다5,13,14. 탄소 섬유는 유연하고 내구성이 뛰어나며 다른 생체 재료와 쉽게 통합할 수 있으며 신경7,20에서 침투하고 기록 할 수 있습니다. 탄소 섬유의 많은 장점에도 불구하고, 많은 실험실은 이러한 배열의 수동 제작이 힘들다고 합니다. 일부 그룹21은 탄소 섬유를 번들에 결합하여 전체적으로 더 큰 (~200 μm) 직경을 초래합니다. 그러나, 우리의 지식에, 이러한 번들은 신경에서 확인되지 않았습니다. 다른 사람들은 분산 된 탄소 섬유 전극 배열을 제작했지만, 그 방법은 클린룸 제작 탄소 섬유 가이드22,23,24 및 장비가 필요합니다17,23,24. 이를 해결하기 위해 실험실 벤치탑에서 수행할 수 있는 탄소 섬유 어레이를 제작하여 즉석 수정을 가능하게 합니다. 그 결과 어레이는 특수 섬유 채우기 도구 없이 분산된 전극 팁을 유지합니다. 또한 연구 실험의 요구에 맞게 여러 형상이 제공됩니다. 이전 작업에서 건물8,17,22,25, 이 문서는 필요한 최소한의 클린룸 교육 시간을 사용하여 수동으로 배열의 여러 스타일을 구축하고 수정하는 상세한 방법을 제공합니다.
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Protocol
모든 동물 절차는 미시간 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었다.
1. 탄소 섬유 배열 선택
- 그림 1에 표시된 세 가지 디자인 중 하나에서 인쇄 회로 기판(PCB)을 선택합니다.
참고: 이 프로토콜의 경우 플렉스 어레이가 초점이 됩니다.- Chestek Lab 웹 사이트 (https://chestekresearch.engin.umich.edu)의 PCB 디자인을 무료로 참조하고 PCB 인쇄 하우스를 통해 인쇄를 위해 전송및 주문 할 준비가되어 있습니다.
- 각 보드에 대한 커넥터 요약과 해당 사양에 대한 표 1 을 참조하여 특정 실험 설정에 적합한 커넥터를 선택하는 데 도움이 됩니다.
2. 커넥터를 회로 기판으로 납땜
- 납땜 철을 315°C(600°F)로 설정합니다.
- PCB의 모든 납땜 패드에 플럭스를 적용합니다.
참고: 튜브 내의 플럭스는 패드를 가로질러 압착될 수 있으며, 냄비에 플럭스는 모든 패드에 플럭스를 자유롭게 얼룩지게 하여 면에 기울어진 어플리케이터의 나무 끝으로 적용할 수 있습니다. - 플렉스 어레이의 뒷면 패드에 납땜의 작은 마운드를 형성 (그림 2A).
- 커넥터 핀의 맨 아래 행을 솔더 패드의 뒷줄로 납땜합니다(그림 2B).
참고: Chestek 연구소에서 제공하는 모든 보드 설계는 커넥터가 지정된 보드와 정확하게 페어링되도록 설계되었습니다.- 이렇게 하려면 커넥터 양쪽의 핀을 솔더 마운드에 쉽게 접근할 수 있도록 솔더를 솔더로 연결합니다. 일단 고정되면, 부드럽게 뒷면의 나머지 연결을 납땜 전면 핀 사이에 납땜 철 끝을 밀어.
참고: 핀의 뒷줄이 고정되면 나머지 커넥터는 할당된 솔더 패드 위의 각 핀과 정렬됩니다.
- 이렇게 하려면 커넥터 양쪽의 핀을 솔더 마운드에 쉽게 접근할 수 있도록 솔더를 솔더로 연결합니다. 일단 고정되면, 부드럽게 뒷면의 나머지 연결을 납땜 전면 핀 사이에 납땜 철 끝을 밀어.
- 각 핀에 소량의 납땜을 적용하여 핀의 앞줄을 보드에 납땜합니다. 납땜이 빠르게 발생하지 않으면 플럭스의 추가 레이어를 적용합니다.
- 100% 이소프로필 알코올(IPA)과 짧은 칫솔브러시로 여분의 플럭스를 청소하십시오.
- 23G 바늘과 1mL 주사기를 사용하여 지연된 세트 에폭시(도 2 C,D)의 납땜 연결을 캡슐화하여 핀 위에 베벨 면을 배치합니다. 에폭시를 주사기를 천천히 밀어 연결안팎으로 흐르도록 합니다.
- 지연 된 세트 에폭시가 치료 할 수 있도록 하룻밤 보드를 둡니다.
참고: 지연된 세트 에폭시에 대한 제품 인서트가 30분 안에 치료한다고 명시하지만, 하룻밤 동안 방치하면 더 안정적인 연결이 형성될 수 있습니다.
- 지연 된 세트 에폭시가 치료 할 수 있도록 하룻밤 보드를 둡니다.
- 보드 의 뒷면에 지연 된 세트 에폭시의 작은 라인을 배치하 고 커넥터의 가장자리에 당겨 커넥터의 측면에 보드의 뒷면을 확보 합니다.
- 다시 하룻밤 치료 보드를 둡니다.
참고: 이 시점에서 배열을 저장하거나 빌드를 계속합니다. 빌드에서 일시 중지하는 경우 배열을 실온에서 깨끗하고 건조한 상자에 보관하십시오.
- 다시 하룻밤 치료 보드를 둡니다.
3. 섬유 인구
- 팁이 배열의 흔적 사이에 맞을 수 있도록 당겨진 유리 모세관을 잘라냅니다(그림 3A).
- 유리 풀러와 필라멘트를 사용하여 열 = 900, 풀 = 70, 속도 = 35, 시간 = 200, 압력 = 900 : 다음과 같은 설정을 사용하여 모세 혈관을 합니다.
참고: 숫자는 단위적이지 않으며 이 장치에 특정합니다( 재료 표 참조).
- 유리 풀러와 필라멘트를 사용하여 열 = 900, 풀 = 70, 속도 = 35, 시간 = 200, 압력 = 900 : 다음과 같은 설정을 사용하여 모세 혈관을 합니다.
- 두 면 팁 어플리케이터 (실버 에폭시의 각 부분 당 하나)의 나무 끝을 사용하여 플라스틱 접시에 작은 ~ 1 :1 비율의 실버 에폭시를 떠서 스쿱하는 데 사용되는 동일한 스틱을 사용하여 혼합하십시오. 혼합 후 어플리케이터를 폐기합니다.
- 면도날을 사용하여 탄소 섬유 번들의 끝에서 2-4mm를 프린터 용지에 잘라냅니다. 분리하기 어려운 번들에 섬유를 쉽게 분리하려면 적층 된 종이 조각을 번들의 상단에 부드럽게 당깁니다.
참고: 적층된 종이 조각은 정적을 섬유로 전달하여 스스로 분리합니다. - 유리 모세관(그림 3B)과 함께 보드 한쪽에 있는 다른 모든 흔적 사이에 은에폭시를 적용합니다.
- 뽑아낸 모세관의 끝에 에폭시의 작은 방울을 가져 가라. 보드 끝에 있는 다른 모든 흔적 사이에 부드럽게 발라 간격을 채웁니다.
참고: 간격은 인접한 흔적을 만지지 않고 두 추적의 맨 위로 채워져야 합니다. 각 추적은 하나의 채널에 연결됩니다. 에폭시 인구의이 방법은 각 섬유가 그것에 연결된 두 개의 채널을 가지고 있음을 의미한다. 이는 두 개의 추적으로 섬유 정렬이 향상되고 채널의 중복성이 전기 연결을 보장하는 데 도움이 되므로 됩니다.
- 뽑아낸 모세관의 끝에 에폭시의 작은 방울을 가져 가라. 보드 끝에 있는 다른 모든 흔적 사이에 부드럽게 발라 간격을 채웁니다.
- 테플론 코팅 핀셋을 사용하여 각 에폭시 트레이스(그림 3C)에 탄소 섬유 1개를 배치합니다.
- 깨끗한 모세관을 사용하여 탄소 섬유를 조절하므로 플렉스 어레이 보드의 끝에 수직으로 묻혀 에폭시 아래에 묻혀 있습니다 (그림 3D).
- 블록 가장자리를 돌출한 섬유 끝이 있는 나무 블록에 배열을 놓습니다.
참고: 백 엔드의 가중치는 배열을 블록에 유지합니다. - 나무 블록과 배열을 140°C에서 20분 동안 굽고 은에폭시를 치료하고 섬유를 제자리에 고정시하십시오.
- 보드의 반대편에 대한 3.4-3.8 단계를 반복합니다.
참고: 배열은 베이킹 단계 후에 저장할 수 있습니다. 그러나, 저장 상자에서 정적 너무 작은 실버 에폭시가 보드를 채울 때 적용 된 경우 보드에서 멀리 당겨 섬유를 일으킬 수 있습니다.- 보드의 대부분이 접착제에 붙어 있을 수 있도록 상자 내에서 제기 된 접착제 플랫폼을 만들어 섬유 파손을 방지하기 위해 보드의 섬유 끝을 상자 내에서 일시 중단 할 수 있습니다. 실온에서 보관하십시오.
참고: 보관 하는 동안 섬유에서 당겨 하는 경우, 깨끗 한 뽑아 유리 모세관으로 흔적에서 에폭시를 긁어 하 고 반복 단계 3.1-3.8 섬유를 대체. 이 시점부터 배열은 섬유 파손을 방지하기 위해 이러한 방식으로 중단된 섬유와 함께 저장되어야 합니다.
- 보드의 대부분이 접착제에 붙어 있을 수 있도록 상자 내에서 제기 된 접착제 플랫폼을 만들어 섬유 파손을 방지하기 위해 보드의 섬유 끝을 상자 내에서 일시 중단 할 수 있습니다. 실온에서 보관하십시오.
4. 탄소 섬유를 절연하기 위해 자외선 (UV) 에폭시를 적용
- 깨끗한 모세관을 사용하고 작은 물방울 (보드의 한쪽에 노출 된 흔적에 UV 에폭시의 직경 이약0.5mm)을 적용합니다 (그림 4A). 추적이 완전히 다뤄지도록 UV 에폭시 방울을 계속 추가합니다.
참고: UV 에폭시가 PCB 의 끝을 지나 탄소 섬유에 들어가 나중에 원활한 삽입을 보장하도록 허용하지 마십시오. - UV 펜 광아래에서 UV 에폭시를 2분 동안 치료합니다(그림 4B).
- 보드의 반대편에 대해 4.1-4.2 단계를 반복합니다.
- 스테레오스코프 망상과 수술 가위를 사용하여 섬유를 1mm로 자른다.
참고: 다음 단계로 진행할 준비가 될 때까지 이 시점에서 배열을 저장할 수 있습니다. 탄소 섬유를 상자 자체에서 끌어올리는 상자에 보관해야 합니다. 어레이는 실온에서 무기한 으로 저장할 수 있습니다.
5. 1 kHz 임피던스 스캔으로 전기 연결 확인(그림 5)
- 탄소 섬유를 1mm에 1x 인산염 완충식식염(PBS)으로 침수합니다.
- 회로를 완료하려면 은은 염화물(Ag|을 사용하십시오| AgCl) 기준 전극 및 스테인레스 스틸 로드 (카운터 전극).
- 비커 클램프를 사용하여 Ag를 일시 중단합니다| 1x PBS의 AgCl 전극을 사용 중인 임피던스 시스템의 참조에 연결합니다.
- 비커 클램프를 사용하여 1x PBS에서 스테인레스 스틸 로드를 일시 중단하고 사용되는 임피던스 시스템의 카운터 전극 입력에 연결합니다.
- 단일 sine 파형에서 0.01 Vrms 에서 1kHz 스캔 주파수로 설정된 강력한 iostat를 사용하여 각 섬유에 대해 1kHz 임피던스 스캔을 실행합니다. 기록된 신호를 안정화하기 위해 각 스캔의 시작 부분에 전위요스타트를 0V로 설정합니다. 전위요스타트 관련 소프트웨어를 통해 측정값을 기록합니다.
참고: 빌드의 모든 지점에서 측정을 수행할 수 있습니다. 그러나 단열 재열및 팁 준비 중에만 필요합니다. 표 2 에는 사용자의 참조를 위해 각 빌드 단계가 1kHz에서 실행 한 후 임피던스의 일반적인 범위를 나열합니다. - 작은 비커에 세 번 찍어 분해된(DI) 물에 섬유를 헹구고 실온에서 건조하게 합니다.
참고: 사용자가 다음 단계로 계속 진행할 때까지 배열을 저장소에 보관할 수 있습니다.
6. 패린 C 절연
참고: Parylene C는 어레이의 배치에 걸쳐 실온에서 증착될 수 있고 고도로 상체 코팅을 제공하기 때문에 탄소 섬유의 절연 재료로 선택되었습니다.
- 결합 커넥터를 사용하여 Flex 어레이 커넥터를 마스크합니다.
- 8-12 배열을 한 번실행으로 절연할 수 있도록 제기된 접착제 플랫폼이 있는 저장소 상자에 배치를 배치합니다. 배열의 커넥터 끝이 접착 배열의 섬유 단부(도 6)가 접착제에 달라붙는 것을 방지하고 섬유에 균일한 Parylene 코팅을 보장하기 위해 접착 플랫폼에 배치합니다.
- 포장실에서 배열을 800nm두께로 코팅하고, 사용되는 개별 클린룸에 의해 정의된 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용한다.
참고 : 여기 PPE는 클린 룸 신발, 정장, 머리 덮개, 고글, 마스크 및 라텍스 장갑으로 정의되었습니다. 이것은 클린 룸을 입력하기위한 표준 PPE라는 점에 유의해야합니다. 이 단계는 요금에 대한 Parylene 코팅 회사에 아웃소싱 할 수 있습니다; 그러나 상용 서비스는 한 번에 더 많은 어레이를 코팅할 수 있습니다. 각 Parylene C 증착 시스템은 다른 안전 예방 조치를 가질 수 있습니다. 사용자 안전을 보장하기 위해 사용하기 전에 기술자에게 문의하십시오. - Flex 배열에서 마스크로 사용되는 결합 커넥터를 제거합니다.
- 사용 준비가 될 때까지 배열을 새 상자에 넣습니다.
7. 팁 준비 방법
참고: 이 섹션의 두 가지 팁 제제는 레이저를 사용하여 섬유질을 자른다. 사용되는 파장에 내성고와 같은 적절한 PPE는 레이저를 사용할 때 항상 착용해야하며 레이저 부근의 다른 실험실 사용자도 PPE에 있어야합니다. 이러한 단계에 나열된 섬유 길이는 권장되지만 사용자는 필요에 맞는 길이를 시도할 수 있습니다. 사용자는 가위 절단만으로는 전극25를 다시 노출하기에 충분하지 않기 때문에 다음 팁 준비 방법 중 하나를 선택해야 합니다.
- 네오디뮴 도핑 이트리움 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저 컷
- 외과 가위로 섬유를 550 μm로 자른다.
- 532nm Nd:YAG 펄스 레이저(5mJ/펄스, 5ns 지속시간, 900mW)를 사용하여 섬유 끝에서 50μm를 잘라 파라린 C 밑의 탄소를 다시 노출시니다(보통 2-3펄스소요).
- 이 레이저 시스템과 함께 제공되는 내장 된 입체 스코코프를 사용하여 섬유 팁을 정렬합니다.
참고:이 시스템은 사용자가 창(여기, 50 μm x 20 μm(높이 x 폭)을 정렬하여 섬유의 끝을 포괄하는 데 사용되었다. - 정확하고 정밀한 절단을 위해 섬유 의 끝에 500x 배율로 스테레오스코프를 집중시하십시오.
참고: Parylene C는 팁에서 약간(<10 μm)을 제거하여 무딘 원통형 팁을 남깁니다.
- 이 레이저 시스템과 함께 제공되는 내장 된 입체 스코코프를 사용하여 섬유 팁을 정렬합니다.
- 블로토치 샤프닝25,26,27
- 수술 가위로 섬유를 300 μm로 자른다.
- 배열을 탈이온된 물, 커넥터 사이드 다운으로 배열을 잠그고 소량의 퍼티로 접시 바닥에 고정합니다.
- 펜 카메라를 사용하여 섬유를 수면과 정렬하여 섬유가 거의 수면에 닿지 않도록 합니다.
- 부탄 블로토치 불꽃을 3-5mm로 조정하고 섬유를 선명하게 하기 위해 앞뒤로 움직이면 섬유 의 상단에 실행합니다.
참고: 불꽃이 지나면 섬유 팁이 주황색으로 빛납니다. - 퍼티에서 배열을 제거하고 50배율 미만의 뾰족한 팁에 대한 스테레오스코프에서 스위처에서 스태커스코프로 검사합니다.
참고: 뾰족한 팁이 관찰되면 더 이상 블로토치가 필요하지 않습니다. 팁이 무딘 것처럼 보이면 7.2.2-7.2.5 단계를 반복하십시오.
- UV 레이저 컷28
참고: UV 레이저는 현재 0개의 삽입 력(ZIF) 및 와이드 보드 설계에서만 사용할 수 있습니다.- 수술 가위로 탄소 섬유를 1mm로 자른다.
- UV 레이저를 세 개의 직교로 구성된 전동 단계에 부착합니다.
참고: UV 레이저는 1.5W 출력 출력 과 405 nm 파장을 가진 멀티 모드 인듐 갈륨 Nitride (InGaN) 반도체입니다.- 레이저에 빠르고 효과적인 정렬 및 절단을 위한 연속 빔이 있는지 확인합니다.
- 레이저가 통과할 수 있도록 조레이를 제자리에 고정하여 고요하고 레벨의 전극 평면을 유지합니다. 레이저에서 적절한 거리에서 어레이를 유지하여 레이저의 초점에 따라 섬유가 빛을 발하도록 하십시오. 이렇게 하려면 레이저에 낮은 전력을 제공하고 거리를 조정하여 fiber28에 가장 잘 초점을 맞춥니다.
- 25 μm/s의 속도로 섬유 평면을 가로질러 UV 레이저 초점을 이동하여 섬유를 원하는 길이로 절단합니다(여기서 모든 섬유는 500 μm로 절단됩니다).
참고 : 섬유는 절단되기 전에 밝은 빛을 방출합니다. 전도성 폴리머로 코팅될 준비가 될 때까지 치료 후 섬유를 보관하십시오.
8. 폴리 (3,4-에틸렌디옥시티오페네):p 톨루에네술포네이트 (PEDOT:pTS) 하부 임피던스를위한 전도성 코팅
- 0.01 M 3,4-에틸렌디옥시티오펜과 0.1M 나트륨 p-toluenesulfonate의 혼합 용액은 DI 수의 50mL에서 파동 플레이트(~450rpm)에 밤새 저어주거나 액액에서 미립자를 관찰할 수 없을 때까지 저어줍니다.
참고: 용액을 광내용 용기에 보관합니다. 혼합 후 용액을 냉장 보관하여 최대 30일 동안 용액을 사용할 수 있도록 합니다. - 1x PBS에서 이전과 동일한 매개 변수(5.2-5.3단계)를 사용하여 1kHz 임피던스 스캔을 실행합니다. 어떤 섬유가 좋은 연결(<1 MΩ, 일반적으로 16섬유 중 14-16개)에 유의하십시오.
- PEDOT:pTS가 있는 전극은 전극의 임피던스를 낮춥시다.
- PEDOT:pTS 솔루션에서 섬유 팁을 잠수하십시오.
- 5.2단계에서 배치된 단계를 따라 PEDOT:pTS용 1x PBS 솔루션을 전환하고 보드에 대한 모든 연결을 적용된 현재 채널로 전환합니다.
- 강력한 iostat를 사용하여 600 s에 대 한 좋은 섬유 당 600 pA를 적용 합니다.
- 셀을 끄고 실행이 끝날 때 5s에 대해 휴식을 취할 수 있습니다.
- 용액에서 섬유를 제거하고 DI 물에 헹구습니다.
- 1kHz 임피던스를 다시 사용하여 섬유가 성공적으로 코팅되었는지 확인합니다(5.2-5.3 단계에 나열된 동일한 매개 변수를 사용).
참고: 좋은 섬유는 110kΩ 미만의 임피던스를 갖는 모든 섬유로 지정됩니다.
9. 접지 및 기준 전선 연결
- 부드럽게 땅에서 Parylene C를 긁어 핀셋을 사용하여 보드에 비아를 참조. 이 보드 디자인에서 접지 와 참조 비아를 쌍으로 함께 짧게 합니다.
참고: 접지 및 참조 비아는 Flex 어레이의 커넥터 근처에서 찾을 수 있으며 커넥터 근처의 네 개의 작은 금 원입니다. 사용자는 측정을 위해 탄소 섬유에 가장 가까운 비아에서 Parylene C를 제거해야합니다. - 면도날로 5cm 길이의 절연 실버 와이어를 잘라냅니다. 한쪽 끝에서 2-3mm의 와이어 끝을 절연하여 플렉스 어레이에 부착하고 반대쪽 끝에서 ~10mm를 분리하여 수술 중에 쉽게 접지하고 참조할 수 있습니다.
- 납땜 철을 600 °F로 가열합니다. 소량의 유동을 비아에 적용합니다.
- 하나의 와이어(2-3mm 노출된 끝)를 보드의 각 ePhys 비아에 삽입합니다. 비아 의 상단에 납땜을 적용합니다(그림 7A). 프로브를 식힌 다음 뒤집기하여 소량의 납땜을 via의 뒷면에 적용합니다(그림 7A).
- 수술 가위를 사용하여, 이 기록에서 볼 소음을 줄일 수 있도록 뒤로 납땜 마운드에서 튀어 나오는 노출 된 와이어를 잘라 (그림 7B).
- 배열을 다시 저장 상자에 넣고 와이어를 섬유에서 앞뒤로 구부립니다. 잠재적인 광섬유 와이어 상호 작용을 방지하기 위해 접착제 테이프의 와이어를 보호합니다(그림 7C).
10. 외과 적 절차
참고: 쥐 피질은 이전에 설명된 바와 같이 UV 레이저 제조 섬유의 효능을 테스트하기 위해 사용되었다7,20. 이 프로브는 제조 된 섬유를 불어 그들의 유사한 기하학 및 임피던스 수준으로 인해 신경에서 작동합니다. 이 수술은 UV 레이저가 전극의 반응을 변경하지 않았음을 확인하기 위해 주의의 풍부한 수행되었다.
- 케타민 (90 mg/kg)과 자일라진 (10 mg/kg)의 조합을 사용하여 성인 남성 롱 에반스 쥐를 마취. 발가락 핀치 테스트로 마취를 확인합니다. 수술 중 쥐의 눈이 건조되는 것을 방지하기 위해 눈에 연고를 바르십시오.
- 오른쪽 반구의 모터 피질 위에 2mm x 2mm 두개골 절제술을 만듭니다. 브레그마의 전방 1mm와 중간선의 1mm 측면을 측정하여 두개골 절제술의 왼쪽 아래 모서리를 식별합니다.
- 배열을 스테레오탁악기에 장착하고 듀라 표면에 닿을 때까지 섬유를 부드럽게 낮추어 듀라의 스테레오탁틱 악기를 제로로 합니다. 수술 부위에서 배열을 들어 올리고 삽입 할 준비가 될 때까지 측면으로 이동합니다.
- 조직의 표면에 가시 끝으로 바늘을 부드럽게 당겨 듀라를 절제합니다. 두라의 일부가 뇌로 열리면, 한 쌍의 미세 한 집게를 사용하여 두라를 당기는 데 더 도움이됩니다.
- 섬유를 두개골 절제술에 넣고 1.2mm를 스테레오탁 악기를 사용하여 뇌에 삽입하여 손으로 천천히 내리립니다.
- ePhys 전용 헤드 스테이지 및 프리앰프로 10분 동안 ePhys 데이터를 기록합니다.
- 프리앰프 하이패스 필터를 설정하여 신호를 2.2Hz, 7.5kHz의 안티알리아, 25kHz의 샘플로 처리합니다.
참고: 이러한 측정의 경우 자발적인 활동만 기록됩니다. 자극이 적용되지 않습니다.
- 프리앰프 하이패스 필터를 설정하여 신호를 2.2Hz, 7.5kHz의 안티알리아, 25kHz의 샘플로 처리합니다.
- 안락사
- 생명의 징후가 멈출 때까지 산소의 1 L / 분 에서 5 %에서 이소플루란 아래에 쥐를 놓습니다 (20-30 분). 참수와 안락사를 확인합니다.
11. 스파이크 정렬
- 스파이크 정렬 소프트웨어를 사용하여 이전에 보고된 메서드8을 사용하여 데이터를 정렬하고 분석합니다.
- 모든 채널(250Hz 코너, 4차 버터워스)에서 하이패스 필터를 사용하고 파형 감지 수준을 -3.5 × RMS 임계값으로 설정합니다.
- 가우시안 모델을 사용하여 비슷한 특성을 가진 클러스터 및 스파이크를 사용합니다. 결합 및 최소 10개의 파형의 평균 클러스터를 결합하여 추가 분석에 포함시려면.
- 데이터 집합에서 스파이크가 아닌 모든 파형을 제거하거나 삭제합니다.
- 모든 채널이 정렬되면 데이터를 내보내고 분석 소프트웨어를 사용하여 파형을 플롯하고 추가로 분석합니다.
12. 전자 현미경 (SEM) 이미징 을 스캐닝
참고: 이 단계는 배열을 사용할 수 없게 렌더링하며 팁 처리 결과를 검사하기만 사용하여 배열이 제대로 처리되고 있는지 확인해야 합니다. 이 단계는 성공적인 배열을 빌드하기 위해 수행할 필요가 없습니다. 아래 요약은 SEM 프로세스의 일반적인 개요입니다. 그러나 이전에 SEM을 사용하지 않은 사용자는 숙련된 사용자로부터 도움을 받아야 합니다.
- PCB의 섬유 단부를 잘라 내고 탄소 테이프 마스크 SEM 스텁에 장착합니다. 탄소 섬유가 SEM 스텁에 달라붙지 않도록 적층 된 탄소 테이프 (4-5 층)의 작은 플랫폼에 배열을 놓습니다.
- 스퍼터 코트는 골드 스퍼터 코터 제조업체가 설명한 절차에 따라 골드(100-300 Å)로 배열을 코팅합니다.
- 팁 처리 효과를 검사하려면 15mm 및 20 kV 빔 강도의 작업 거리에서 SEM의 어레이를 이미지합니다.
참고: UV 레이저 절단 섬유의 경우 도 8D 에 도시된 바와 같이, 어레이는 낮은 진공 상태에서 스퍼터 코팅 없이 이미지를 만들 수 있습니다. 이 설정의 경우 작동 거리11-12mm와 4 kV 빔 강도를 갖는 것이 좋습니다.
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Representative Results
팁 유효성 검사: SEM 이미지
이전 작품20 은 파라렌 C가 녹음 사이트를 가로 질러 접히면서 가위 절단이 신뢰할 수없는 임피던스를 초래했다는 것을 보여주었습니다. 가위 절단은 추가 마무리 절단 방법으로 처리하기 전에 원하는 길이로 섬유를 절단하기 위해 여기에 사용됩니다. 팁의 SEM 이미지는 노출된 탄소 길이와 팁 형상을 결정하는 데 사용되었다(그림 8).
가위와 Nd:YAG 레이저 컷 섬유는 이전에 17,20을 검토하였다. 가위 절단 섬유(그림 8A)는 일관되지 않은 팁 형상을 가지며, parylene C는 cut20을 할 때 끝에 접을 수 있습니다. Nd:YAG 레이저 컷 섬유는 기록 부위 영역, 모양 및 임피던스(그림 8B)에서 일관되게 유지됩니다. 불어 넣은 섬유20은 가장 큰 전극 크기와 모양 가변성과 날카로운 팁으로 이어지며 힘든 조직에 삽입할 수 있습니다. 평균적으로 탄소의 140 μm이 다시 노출되었으며 탄소와 Parylene C 절연 사이의 원활한 전이 영역(그림 8C)이 다시 노출되었습니다. UV 레이저 절단 섬유는 발포 섬유와 유사하여 팁에서 노출된 탄소의 120 μm(도 8D)을 나타냈다. 임피던스는 UV 레이저 또는 블로토치 팁 절단 방법이 ePhys에 적합하며 Nd:YAG 레이저에 액세스하지 않고 실험실에 사용할 수있는 솔루션임을 지적했습니다.
팁 유효성 검사: 전기 기록
도 9는 플렉스 어레이를 사용하여 각 준비 방법에서 생성된 임피던스를 보여 주어 있습니다. 결과 값은 ePhys 기록에 적합한 범위 내에 있습니다. Nd:YAG 레이저 컷 섬유는 PEDOT:pTS 코팅(베어 카본: 4138 ± 110kΩ; PEDOT:pTS: 27 ± 1.15 kΩ; n = 262)에서도 가장 작은 표면적이지만 가장 높은 임피던스를 초래했습니다. 이것은 불어 불면의 역 관계 (베어 카본 : 308 ± 7 kΩ; PEDOT:pTS와 함께 : 16 ± 0.81 kΩ; n = 262) 및 UV 레이저 컷 (베어 카본 : 468 ± 85.7 kΩ; PEDOT:pTS: 27 ± 2.83 kΩ; n = 7) 그러나, 모든 경우에, PEDOT:pTS 코팅 섬유는 좋은, 낮은 임피던스 전극을 나타내기 위하여 이전에 설정된 110 kΩ 임계값의 밑에 속한다.
급성 ePhys 기록은 이 방법의 생존가능성을 보여주기 위해 UV 레이저 컷 및 PEDOT:pTS 처리 섬유를 가진 ZIF 어레이로 급성 이식된 긴 에반스 쥐에서 채취되었다. ePhys는 이전에 가위-cut20 및 Nd:YAG-17 및 블로토치 처리 섬유7,8로 테스트 및 입증되었기 때문에 이 텍스트에서는 재검증되지 않았습니다. 쥐 모터 피질(n=1)에 동시에 이식된 4개의 UV 레이저 치료 섬유(길이 2mm)로부터의 급성 기록은 도 10에 제시된다. 3개의 단위는 모든 섬유에 걸쳐 찾아냈습니다, 저렴한 UV 레이저를 가진 섬유의 처리가 SEM 및 임피던스가 예상한 것과 같이, 신경 단위를 기록하는 탄소 섬유를 가능하게 하는 그밖 절단 방법과 유사하다는 것을 건의합니다. 탄소 섬유 배열은 사용자의 요구에 맞게 쉽게 제작및 수정되지만 일부 빌드(표 3)에 대한 추가 유효성 검사가 필요하며 다른 배열은 특정 최종 작업에 적합하지 않습니다.
상업용 패릴렌 C
상업적으로 코팅된 어레이는 공급업체에 의해 710nm의 Parylene C 두께를 갖는 것으로 결정되었으며, 이는 단열의 목표 범위 내에 있다. 어레이는 블로토치 팁 준비를 사용하여 ePhys 녹음을 위해 준비되었습니다. 임피던스는 팁을 준비한 후 기존 데이터와 비교했습니다. 불태우기 및 PEDOT:pTS 코팅 프로브는 16섬유에 걸쳐 평균 14.5 ± 1.3 kΩ 임피던스를 가졌다. SEM 이미지는 Parylene C 증착을 비교하기 위해 팁과 생크를 촬영하였다(그림 11 A, B는 각각). 이러한 결과는 상업 공급 업체의 사용이 예상 임피던스 값을 변경하지 않았음을 보여줍니다, 이것은 대학 클린 룸에서 증착 동등하게 실행 가능한 대체 될 것을 시사.
장치 비용 분석
모든 도구와 벌크 재료 (예 : 에폭시, 납땜)가 연구원이 접근 할 수 있도록 제공, Parylene C 사용자 수수료 $41, 그리고 8 프로브의 배치, 총 재료 비용은 $ 1168 (프로브 당 $ 146). 인력 노력(표 4)은 일괄 처리에 대해 ~25h입니다. 대체 제작 단계를 사용하는 경우, 프로브의 비용은 상업용 Parylene C 코팅 비용 ($ 500-800 견적)에 따라 달라집니다. 빌드 단계(표 4)에 대한 시간은 단순성으로 반복되는 작업의 모든 인스턴스에 대해 그룹화됩니다. 수동 집중 단계(예: 탄소 섬유 배치)가 더 쉽고 빠르기 때문에 더 큰 피치(와이드 보드 및 ZIF)를 갖춘 설계의 빌드 시간이 크게 줄어듭니다.
그림 1: 커넥터 및 관련 인쇄 회로 기판입니다. (A) 인셋(inset scale bar = 5mm)에 필요한 16개의 커넥터 중 하나를 갖춘 와이드 보드. (B) ZIF와 두 개의 커넥터 중 하나와 하나의 덮개. (C) 36핀 커넥터가 있는 플렉스 어레이; 스케일 바 = 1cm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 플렉스 어레이의 납땜 및 절연 단계. (A) 하단 커넥터 핀에 대한 솔더를 놓습니다. (B) 납땜을 위한 전면 핀이 제자리에 고정된 백 핀. (C) 지연 된 세트 에폭시 절연 플렉스 배열; 지연된 세트 에폭시는 양쪽에 있는 참조 및 접지 비아를 다루지 않습니다. (D) 플렉스 어레이의 뒷면은 패드 비아(접지 및 참조 비아가 아님)를 가로질러 지연된 세트 에폭시 밴드와 함께 커넥터 가장자리를 향해 보드의 측면을 감싸는 것입니다. 스케일 바 = 0.5cm(B) 및 1cm(A, C, D). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 플렉스 어레이의 흔적 사이에 은에폭시를 적용하고 탄소 섬유를 정렬합니다. 모세혈관은 흰색 오버레이로 강조표시되었습니다. (A) 모세관의 끝은 (B) 깨끗한 실버 에폭시 (모세관의 끝과 흔적 내에서 화살표로 표시) 미량 쌍의 외부 유출없이 증착을 얻기 위해 흔적 사이에 맞는다. (C) 탄소 섬유는 에폭시(epoxy)에 배치한 다음 (D) 깨끗한 모세관으로 곧게 펴버립니다. 스케일 바 = 500 μm. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.
그림 4: UV 에폭시 응용(A) UV 에폭시가 적용된 단열재는 깨끗한 모세관과 2방울의 UV 에폭시(흰색 오버레이로 표시)를 사용하여 적용됩니다. UV 에폭시는 UV 에폭시가 트레이스의 상단에 부드러운 거품을 형성 할 때까지 0.25-0.75mm 직경의 방울에 적용됩니다. (B) UV 에폭시는 자외선 아래에서 경화됩니다. 플렉스 어레이는 UV 조명 아래에서 움직임과 정렬의 용이성을 위해 나무 블록에 퍼티에 배치됩니다. UV 광선은 Flex 어레이의 끝 위 ~ 1cm 의 홀더와 함께 개최됩니다. 인셋(B)은 적절한 UV 에폭시 절연 플렉스 어레이의 측면 프로파일을 나타낸다. 보드 양쪽의 UV 에폭시 버블은 높이가 약 50 μm입니다. 스케일 바 = 500 μm(A 및 인세트 B). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 임피던스 측정을 위한 설정. 모든 부품은 레이블이 지정되고 시스템 커넥터와 어댑터는 시스템에 따라 다릅니다. PBS는 빌드의 나중에 PEDOT:pTS용 솔루션으로 교환될 때 별이 성우됩니다. 그러나 설정은 그렇지 않으면 동일합니다. 약어: PBS = 인산염 완충식식염; PEDOT:pTS = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):p 톨루에네술포네이트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 파라렌 C 코팅을 위해 준비된 플렉스 어레이. Flex 어레이는 코팅 공정 중에 테이프, 접착제 면을 업한 제기 폼 플랫폼에 고정됩니다. 배율 막대 =10mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 최종 플렉스 어레이에 부착된 접지 및 참조 와이어입니다. 솔더는 안전한 결합을 만들기 위해 보드(A)의 양쪽에 있는 비아의 각 측면에 적용하였다. ePhys 비아는 칠판에 GND 와 Ref 로 표시되고 보드의 반대편에 서로 페어링됩니다. GND 와 Ref2라고 도라벨이 붙은 두 개의 추가 비아가 있습니다. 두 GND 비아는 함께 단락됩니다. Ref2 는 전기 화학 실험에 사용되는 것을 의미합니다. 초과 와이어(A)는 빨간색 상자로 표시되며 프로브 의 뒷면에서 제거(B)가 제거됩니다(빨간색 상자는 와이어가 사용되었던 위치를 표시함) 노이즈 감소 및 프로브 처리에 도움을 줍니다. (C) 최종 플렉스 어레이는 향후 사용을 위해 저장됩니다. 이 보드에 짝을 이루는 GND 와 Ref 비아는 ePhys 녹음을 위해 지정됩니다. 스케일 바 = 200 μm (A, B). 약어 : ePhys = 전기 생리학; GND = 접지; 참조 = 참조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 팁 커팅 기술이 다른 섬유의 SEM 이미지. (A) 가위 절단 섬유는 노출이 거의 없는 탄소. (B) Nd:YAG 레이저 컷. (C) 팁에서 노출된 탄소 ~140mm의 불토치 섬유. (D) 팁에서 노출된 탄소의 ~120mm와 UV 레이저 컷 섬유. 빨간색 화살표는 Parylene C와 베어 탄소 섬유 사이의 전이 영역을 나타냅니다. 스케일 바 = 5 μm (A), 10 μm (B), 50 μm (C, D). 약어 : SEM = 전자 현미경 을 스캔; Nd:YAG = 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 치료(베어 카본 노출)만 적용하고 PEDOT:pTS를 추가하는 것 사이의 임피던스 차이. 모든 경우에, PEDOT:pTS의 추가는 크기의 순서에 의해 임피던스를 감소시다. 샘플 크기: Nd:YAG = 262, 블로토치 = 262, UV = 7. UV 샘플 크기 차이는 준비 방법의 참신함 때문입니다. 그러나 예상대로 블로토치와 비슷한 범위를 보여줍니다. 임피던스 데이터는 표준 오류 ± 의미로 표시됩니다. 약어: PEDOT:pTS = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오페네):p-톨루에네술포네이트; 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: 4개의 UV 레이저 절단 전극에서 급성 전기 생리학적 스파이크 데이터.
그림 11: 상업용 패릴렌 C 코팅 배열. (A) 선명한 어레이는 상업용 코팅에 단점이 없음을 나타내는 모든 섬유에 걸쳐 균일한 선명하게 표시됩니다. (B) 블로토치 후, 베어 카본 섬유와 Parylene C 사이의 전환 (빨간 상자)은 클린 룸 시설에서 코팅 된 배열 사이의 눈에 띄는 차이를 보여줍니다. 스케일 바 = 200 μm(A) 및 10 μm(B). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| PCB 이름 | 커넥터 | 납땜 패드 사이즈(mm) | 노출된 트레이스 크기(mm) | 트레이스 피치 (μm) | 채널 | |
| 와이드 보드 | 밀 맥스 9976-0-00-15-00-00-03-0 | 3.25 x 1.6 | 1.5 x 4.0 | 3000 | 8 | |
| ZIF | 히로즈 DF30FC-20DS-0.4V, | 0.23 x 0.7 | 0.75 x 0.07 | 152.4 | 16 | |
| 플렉스 어레이 | 오네틱스 A79024-001 | 0.4 x 0.8 | 0.6 x 0.033 | 132 | 16 | |
표 1: 각 PCB에는 연결된 다른 커넥터와 피치가 있습니다. 약어 : PCB = 인쇄 회로 기판.
| 단계 구축 | 예상 1kHz 임피던스 (kΩ) |
| 베어 파이버 | 150-300 |
| 자외선 단열재가 있는 베어 파이버 | 400-500 |
| 패릴렌 C 절연 섬유 | >50,000 |
| Nd:YAG 레이저 컷 | <15,000 |
| 블로토치 | 300-400 |
| UV 레이저 컷* | 300-500 |
| PEDOT:pTS 코팅 | <110 |
표 2: 각 빌드 스테이지(n = 272) 후에 임피던스의 일반적인 범위입니다. *n = 16. PEDOT:pTS 처리 프로브 110 kΩ 위의 여전히 신호를 기록할 수 있습니다; 그러나, 처리된 모든 전극은 일반적으로 이 값에 속한다. 약어: PEDOT:pTS = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오페네):p-톨루에네술포네이트; 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷.
| 준비 방법 | 와이드 보드 | ZIF | 플렉스 어레이 |
| Nd:YAG | 임피던스, SEM, 급성 ePhys | 임피던스, SEM, 급성/만성 ePhys | 임피던스, SEM, 급성/만성 ePhys |
| 토치램프 | 임피던스, SEM, 급성 ePhys | 임피던스, SEM, 급성/만성 ePhys | 임피던스, SEM, 급성/만성 ePhys |
| UV 레이저 | 아직 검증되지 않음 | 임피던스, SEM, 급성/만성 ePhys | 실행 가능하지 않음 |
표 3: 설명된 절삭 방법을 사용하여 각 보드의 유효성을 검사합니다. 모든 절단 방법에는 PEDOT:pTS의 전극이 포함되었습니다. '실행 가능하지 않음'은 설계의 폼 팩터가 이 팁 처리가 이 때 테스트되는 것을 방지한다는 것을 나타냅니다(즉, 섬유 피치). 약어: 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷; SEM = 전자 현미경 검사; ePhys = 전기 생리학; ZIF = 제로 삽입 힘.
| 활동 | 8대의 장치(h)를 위한 시간 |
| 모든 납땜 | 5 |
| 절연 오네틱 | 1 |
| 탄소 섬유 채우기 | 10 |
| UV 에폭시와 절연 트레이스 | 0.5 |
| 패릴렌 C 증착 | 1.5 |
| ND:YAG 레이저 절단 | 1 |
| 블로토칭 | 1 |
| UV 레이저 절단 | 1.5 |
| 모든 임피던스 테스트 | 4.5 |
| PEDOT:pTS 증착 | 1.5 |
| 사용 된 조리법 | 총 시간 |
| Nd:YAG 레이저 컷 | 25 |
| 토치램프 | 25 |
| UV 레이저 컷 | 25.5 |
표 4: 제작 공정의 각 단계에 필요한 시간입니다. 커넥터및 접지 및 참조 와이어의 납땜이 결합되어 활동 목록을 단순화했습니다. 약어: PEDOT:pTS = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오페네):p-톨루에네술포네이트; 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷.
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Discussion
재료 대체
사용된 모든 자료는 재료 표에 요약되어 있지만 특정 공급업체에서 나오는 재료는 거의 없습니다. Flex Array 보드는 유연한 보드를 인쇄할 수 있는 유일한 회사이기 때문에 나열된 공급업체에서 제공해야 합니다. Flex Array 커넥터는 독점 커넥터이므로 나열된 공급업체에서 주문해야 합니다. Parylene C는 섬유의 절연 재료로서 실온에서 상온에서 콘단형 코팅을 제공하여 생체 내 환경을 견딜 수 있는 신뢰할 수 있는 방식으로 권장합니다. 보드의 폴리이미드 보드와 에폭스는 다른 절연 기술에 필요한 고온을 견딜 수 없습니다. 다른 모든 자료는 다른 공급업체에서 구입하거나 사용자의 재량에 따라 대안을 교환할 수 있습니다. 이 빌드는 최종 사용자의 실험에 맞게 유연하고 사용자 정의할 수 있도록 하기 위한 것입니다. 그러나 나열된 자료 또는 공급업체의 변경 내용은 최종 사용자가 확인해야 합니다.
문제 해결 문제
실버 에폭시 증착은 여러 가지 이유로 실패하는 경향이 있습니다 : 모세관의 폭이 너무 넓어서 흔적 사이에 맞지 않으며, 모세관의 폭은 너무 얇아서 에폭시를 집어 입금하거나 에폭시의 과잉이 모세관에 있습니다. 처음 두 가지 문제는 더 적절한 크기의 새로운 모세관을 절단하여 해결할 수 있습니다. 후자는 모세관을 가벼운 손으로 에폭시에 담그거나 모세관을 여분의 니트릴 장갑에 부드럽게 찍어 에폭시 방울의 일부를 제거함으로써.
전극을 준비하는 방법을 결정하는 것은 종종 많은 사용자에게 어려운 결정입니다. 그러나 실험에 필요한 것을 결정하는 것은 결정을 밝히는 데 도움이 됩니다. 급성 수술의 경우, 전극의 사이트 크기가 중요한 경우 무딘 팁을 사용할 수 있습니다. 그러나, 그들은 단지 부드러운 조직 (두뇌)에 삽입 하 고 하위-500 μm 대상 깊이에 삽입 됩니다.
더 깊은 뇌 구조에 들어가는 것은 유리 cannula22를 사용하여 가능하다; 그러나, 이것은 ePhys 기록에서 흉터 및 관련된 불안정을 일으키는 원인이 될 수 있습니다. 섬유는 더 짧은 길이삽입을 위한 단단한 백본을 제공하기 때문에 더 단단한 조직(신경)을 관통할 수 있기 위하여 선명할 때 300 μm 미만이어야 합니다7,8. 날카로운 섬유는 또한 최근에 두뇌8에 있는 1 mm 깊이에 침투하는 것을 관찰되었습니다8.
이 논문에서 논의된 배열은 많은 실험실에 대한 훌륭한 출발점이지만, 탄소 섬유를 사용하는 새로운 프로브는 뇌21,22,29의 더 깊은 영역을 만성적으로 대상으로 개발되었습니다. 신경에서, 낮은 침략성과 높은 선택성의 전극은 지속적인 연구 주제5,8,30입니다. Jiman et al.7은 여기에 제시된 Flex 어레이의 디자인을 반영하는 탄소 섬유 실리콘 어레이8을 사용하여 최소한의 침습성 및 증가된 선택성으로 신경 내의 다단위 활성을 검출할 수 있었다.
패릴렌 C 접근성
Parylene C는 많은 이식 된 장치에서 생체 적합성 절연체로 사용 되어 온온에서 편식 코팅의 방법입니다. 이 기술은 클린룸에 특수 도구가 필요하며 배우는 데 약 1시간이 걸립니다. 이전에 우리 그룹에서 탄소 섬유 배열을 요청한 기관에 대한 간략한 조사를 실시하여 Parylene C 증착 접근성을 결정했습니다. 우리는 17 개 기관 중 41 %가 캠퍼스에서 Parylene C 코팅 시스템에 액세스 할 수 있음을 발견했습니다. Parylene C 코팅 시스템에 접근할 수 없는 대학의 경우, 상업적 코팅 서비스는 여기에서 입증된 바와 같이 실행 가능한 대안입니다. 또는, 인근 대학 클린 룸에 아웃소싱 또한 Parylene C 증착 시스템에 직접 액세스 할 수 없는 실험실에 관심이 있을 수 있습니다. 장치당 비용을 줄이기 위해 상용 시스템이 종종 더 큰 샘플을 수용할 수 있으므로 더 큰 배열 배치를 보내는 것이 좋습니다.
팁 준비 최적화
현재 팁 준비는 최종 사용자가 관통 능력과 작은 녹음 사이트 중에서 선택해야 하기 때문에 이러한 섬유에 대해 추가 팁 준비를 조사해야 합니다. Nd:YAG 레이저 절단 섬유는 작은 사이트 size20을 제공하지만, 딱딱한 조직(근육, 신경)을 관통하는 능력은 거의 존재하지 않으며, 이 절단 기술을 할 수 있는 레이저 설정에 접근하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 블로토칭은 많은 조직에 침투 할 수있는 선명한 팁을 얻을 수있는 빠르고 경제적 인 방법을 허용하지만7, 팁 지오메트리는 크고 섬유20에 섬유에서 일치하지 않을 수 있습니다. UV 레이저 절단은 또한 낮은 임피던스와 넓은 표면 영역을 제공하지만 보다 일관된 노출의 추가 이점을 제공합니다. UV 레이저는 Nd:YAG 레이저보다 더 접근 가능합니다. 그러나 실험실은 레이저를 섬유와 정렬하는 방법을 설계해야 하며, 레이저의 초점 지름보다 섬유의 피치가 작기 때문에 Flex Array를 사용할 수 없습니다. 이전 작품은 에칭31,32를 통해 작고 선명한 섬유의 제조를 보여 주었다. 이 접근법은 작고 신뢰할 수있는 전극 기하학을 초래하고 신경과 근육을 관통하는 데 필요한 날카로운 팁을 보존 할 수 있습니다.
우리의 현재 팁 코팅, PEDOT:pTS, 또한 만성 프로브에 대 한 바람직하지 않은 특성 시간이 지남에 저하 하는 경향이 교체 해야 할 수 있습니다17,25,33. PEDOT:pTS 수명이 부족하면 임피던스가 증가하고 신호 품질이 낮아져 배경 소음이 증가합니다. 이러한 섬유 팁의 수명을 높이기 위해 백금 이리듐 코팅의 타당성에 대한 조사가 진행되고 있습니다. 백금-이리듐은 전극 의 끝에 집중된 더 큰 표면적을 허용하여 임피던스34,35,36을 유지하고 더 길고 만성 안정성을 허용합니다34,36. PEDOT/그래핀 옥사이드37 및 gold38과 같은 다른 코팅은 탄소 섬유 전극 임피던스를 낮추기 위해 활용되었지만, 이러한 코팅은 일반적으로 ePhys 기록보다는 화학 감지 프로브에 사용됩니다. 탄소 섬유39의 내재된 특성으로 인해, 여기에 제시된 탄소 섬유 어레이는 ePhys에 최적화된 프로브에서 팁 제제의 간단한 변화와 함께 화학 감지 장치로 변환될 수 있다22,40.
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Disclosures
저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.
Acknowledgments
이 작품은 국가 신경 장애 및 뇌졸중 연구소 (UF1NS107659 및 UF1NS115817)와 국립 과학 재단 (1707316)에 의해 재정적으로 지원되었습니다. 저자는 미시간 공과 대학의 재정 지원과 미시간 재료 특성화 센터와 반 발랙 학부 실험실의 기술 지원을 인정합니다. 저자는 자신의 Nd: YAG 레이저와 그들의 Parylene C 증착 기계의 사용에 대 한 Lurie 나노 제조 시설의 사용에 대 한 칼릴 나자피 박사감사. 우리는 또한 상용 코팅 비교 연구에서 그들의 도움에 대한 특수 코팅 시스템 (인디애나 폴리스, IN)에 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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