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

Kohlefaserelektroden sind kleiner als Neuronen und richten minimale Schäden an. Darüber hinaus können sie mit minimaler Spezialausrüstung auf der Tischplatte hergestellt werden. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in ihrer Einfachheit.

Es ermöglicht Benutzern, neuronale Arrays ohne Reinraumerfahrung zu erstellen und anzupassen. Die Manipulation der Kohlefasern und das Platzieren des Silberepoxidharzes ist schwierig und kritisch. Diese beiden Teile erfordern viel Übung und feinmotorische Kontrolle.

Der erste Tag ist immer der schlimmste, aber mit der Übung werden Sie nach etwa einer Woche ein funktionelles neuronales Array aufbauen. Stellen Sie zunächst einen Lötkolben auf 315 Grad Celsius. Tragen Sie Flussmittel auf alle Lötpads auf.

Bilden Sie kleine Lothügel auf den hinteren Pads des Flex-Arrays und löten Sie dann die Pins auf beiden Seiten des Steckers. Sobald Sie sicher sind, drücken Sie die Lötkolbenspitze vorsichtig zwischen die vorderen Stifte, um die restlichen Verbindungen auf der Rückseite zu löten. Tragen Sie eine zusätzliche Flussmittelschicht auf, wenn das Löten lange dauert, und löten Sie dann die vordere Reihe der Stifte auf die Platine.

Reinigen Sie überschüssiges Flussmittel mit 100% Isopropylalkohol und einer kurzen Borstenbürste. Als nächstes drücken Sie langsam das verlegte Epoxidharz mit einer Spritze, die mit der abgeschrägten Seite nach unten auf die Stifte gelegt wird, um die gelötete Verbindung zu verkapseln. Legen Sie eine kleine Linie des Epoxidharzes über die Rückseite des Boards und ziehen Sie es an die Kanten des Steckers, um es zu sichern.

Machen Sie Kapillaren mit einem Glaszieher und Filament. Schneiden Sie eine gezogene Glaskapillare, so dass ihre Spitze zwischen die Spuren des Arrays passt. Dann schöpfen Sie ungefähr ein Verhältnis von eins zu eins Silberepoxid in eine Plastikschale, mit den Holzenden von zwei mit Baumwolle bestückten Applikatoren, und mischen Sie es.

Verwerfen Sie die Applikatoren nach dem Mischen. Schneiden Sie zwei bis vier Millimeter vom Ende eines Kohlefaserbündels auf ein Druckerpapier mit einer Rasierklinge. Ziehen Sie ein laminiertes Papier vorsichtig über die Oberseite des Bündels, um die Fasern und das Bündel zu trennen.

Als nächstes nehmen Sie ein wenig Epoxidharz auf das Ende der gezogenen Kapillare. Und tragen Sie es vorsichtig zwischen jeder zweiten Spur auf, am Ende des Boards, und füllen Sie die Lücke. Legen Sie eine Kohlefaser in jede Epoxidspur mit einer teflonbeschichteten Pinzette.

Stellen Sie dann die Kohlefasern mit einer sauber gezogenen Kapillare ein, um senkrecht zum Ende der Flex-Array-Platine zu stehen und sie unter dem Epoxidharz zu vergraben. Platzieren Sie die Arrays auf einem Holzblock, wobei faserige Enden die Kante des Blocks überragen. Backen Sie den Holzblock und die Arrays bei 140 Grad Celsius für 20 Minuten, um das Silberepoxidharz auszuhärten und die Fasern an Ort und Stelle zu verriegeln.

Wenn Silberepoxid zwei oder mehr der Fasern zusammen kurzschließt, kann es mit einer sauberen Glaskapillare entfernt und vorsichtig von der Platte abgekratzt werden. Lagern Sie die fertigen Bretter in einer Box mit einer erhöhten Plattform, um die Faserenden der Platte aufzuhängen, um einen Faserbruch zu verhindern. Tragen Sie einen winzigen Tröpfchen UV-Epoxidharz mit einer sauberen Kapillare auf die freiliegenden Spuren auf und fügen Sie weiterhin Tröpfchen hinzu, bis die Spuren vollständig bedeckt sind.

Aushärten Sie das UV-Epoxidharz unter einem UV-Stift für zwei Minuten und wiederholen Sie es für die andere Seite des Boards. Schneiden Sie die Fasern mit einem Stereviskop-Absehen und einer chirurgischen Schere auf einen Millimeter zu. Um elektrische Verbindungen zu überprüfen, stellen Sie den Potentiostat für fünf Sekunden auf null Volt ein und stabilisieren Sie das aufgezeichnete Signal.

Führen Sie einen Impedanz-Scan von einem Kilohertz für jede Faser mit einem Potentiostaten durch. Zeichnen Sie die Messungen über die zugehörige potentiost-Software auf. Dann tauchen Sie die Fasern dreimal in deionisiertes Wasser in einem Becherglas, um sie zu spülen.

Kratzen Sie Parylene C vorsichtig vom Boden weg und referenzieren Sie Drähte mit einer Pinzette auf der Platte. Als nächstes schneiden Sie zwei fünf Zentimeter lange isolierten Silberdraht mit einer Rasierklinge. Entisolieren Sie zwei bis drei Millimeter Draht, von einem Ende und etwa 10 Millimeter vom gegenüberliegenden Ende.

Als nächstes erhitzen Sie den Lötkolben auf 315 Grad Celsius und wenden Sie ein kleines Flussmittel auf die Drähte an. Stecken Sie zwei bis drei Millimeter eines Drahtes in jeden elektrophysiologischen Draht auf der Platine und tragen Sie Lot auf die Oberseite der Drähte auf. Nachdem Sie die Sonde abkühlen lassen, drehen Sie sie um, um ein wenig Lot auf die Rückseite des Drahtes aufzutragen.

Schneiden Sie den freiliegenden Draht ab, der aus dem hinteren Löthügel herausragt. Legen Sie die Arrays in die Aufbewahrungsbox, biegen Sie die Drähte zurück, weg von der Faser und befestigen Sie die Drähte auf dem Klebeband, um mögliche Wechselwirkungen zwischen Faserdrähten zu vermeiden. REM-Bilder der Spitzen wurden verwendet, um die exponierte Kohlenstofflänge und die Spitzengeometrie zu bestimmen.

Scherenschnittfasern haben inkonsistente Spitzengeometrien, wobei Parylene C über das Ende gefaltet wird. Die NDYAG-lasergeschnittenen Fasern bleiben konsistent, im Aufnahmeortbereich, in Form und Impedanz. Geblasene Fasern führen zu der größten Elektrodengröße und Formvariabilität und einer geschärften Spitze.

Im Durchschnitt wurden 140 Mikrometer Kohlenstoff erneut freigelegt. UV-lasergeschnittene Fasern ähnelten geblasenen Fasern und zeigten 120 Mikrometer Kohlenstoff, der von der Spitze aus freigelegt wurde. Die resultierenden Impedanzen lagen im Bereich der elektrophysiologischen Aufzeichnung.

NDYAG lasergeschnittene Fasern hatten die kleinste Oberfläche, aber die höchsten Impedanzen. Gefolgt von geblasenen und UV-lasergeschnittenen Fasern. In allen Fällen fielen die PEDOT:pTS-beschichteten Fasern jedoch unter die 110-Kilo-Ohm-Grenze.

Akute Aufnahmen von vier UV-Laserbehandlungsfasern von zwei Millimetern Länge, die gleichzeitig in den Rattenmotorkortex implantiert wurden, zeigten drei Einheiten über alle Fasern, was darauf hindeutet, dass die Behandlung der Fasern mit dem kostengünstigen UV-Laser anderen Schneidmethoden ähnelt. Wenn Sie dieses Protokoll versuchen, geben Sie sich einen großen, sauberen Raum, wenn Sie Kohlefasern bevölkern. Es ist leicht, versehentlich alle Ihre Fasern vom Tisch zu fegen, da nicht genügend Manövrierspielraum vorhanden ist.

Diese Arrays eignen sich nun für die Aufnahme von Signaleinheiten aus dem Gehirn. Diese Bautechniken ermöglichten es der Gruppe von Dr. Barnes an der University of Michigan, zu berichten, und der Gruppe von Dr. Chiel an der Case Western Reserve University, intrazellulär zu berichten.