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Artículo de método

Fabricación de ti3C2 Matrizs de Microelectrodos MXene para Grabación Neuronal In Vivo

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DOI:

10.3791/60741

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12 de febrero de 2020

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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

En este artículo

Resumen

Aquí describimos un método para fabricar matrices de microelectrodos Ti3C2 MXene y utilizarlas para la grabación neuronal in vivo.

Resumen

Las tecnologías de microelectrodos implantables se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal a microescala para obtener una comprensión más profunda de los fundamentos neuronales de la enfermedad cerebral y las lesiones. A medida que los electrodos se miniaturizan a la escala de células individuales, un aumento correspondiente en la impedancia de la interfaz limita la calidad de las señales registradas. Además, los materiales de electrodos convencionales son rígidos, lo que resulta en una falta mecánica significativa entre el electrodo y el tejido cerebral circundante, lo que provoca una respuesta inflamatoria que eventualmente conduce a una degradación del rendimiento del dispositivo. Para hacer frente a estos desafíos, hemos desarrollado un proceso para fabricar microelectrodos flexibles basados en Ti3C2 MXene, un nanomaterial recientemente descubierto que posee una capacitancia volumétrica notablemente alta, conductividad eléctrica, funcionalidad de superficie y procesabilidad en dispersiones acuosas. Los arreglos flexibles de microelectrodos Ti3C2 MXene tienen una impedancia notablemente baja debido a la alta conductividad y la alta superficie específica de las películas Ti3C2 MXene, y han demostrado ser exquisitamente sensibles para el registro de la actividad neuronal. En este protocolo, describimos un método novedoso para micropatrón de Ti3C2 MXene en matrices de microelectrodos en sustratos poliméricos flexibles y delineamos su uso para el registro de microelectrocorticografía in vivo. Este método se puede ampliar fácilmente para crear matrices de electrodos MXene de tamaño arbitrario o geometría para una gama de otras aplicaciones en bioelectrónica y también se puede adaptar para su uso con otras tintas conductoras además de Ti3C2 MXene. Este protocolo permite la fabricación simple y escalable de microelectrodos a partir de tintas conductoras basadas en soluciones, y específicamente permite aprovechar las propiedades únicas de Ti3C2 MXene hidrófilos para superar muchas de las barreras que han obstaculizado durante mucho tiempo la adopción generalizada de nanomateriales basados en carbono para microelectrodos neuronales de alta fidelidad.

Introducción

Comprender los mecanismos fundamentales subyacentes a los circuitos neuronales, y cómo se altera su dinámica en enfermedades o lesiones, es un objetivo crítico para desarrollar terapias eficaces para una amplia gama de trastornos neurológicos y neuromusculares. Las tecnologías de microelectrodos se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal en escalas espaciales y temporales finas. Sin embargo, la obtención de grabaciones estables con una alta relación señal-ruido (SNR) de electrodos a microescala ha demostrado ser particularmente difícil. A medida que las dimensiones de los electrodos se reducen para acercarse a la escala celular, un aumento correspondiente en la impedancia del electrodo degrada la calidad de la señal1. Además, numerosos estudios han demostrado que los electrodos rígidos compuestos por materiales electrónicos convencionales de silicio y metal producen daños e inflamación significativos en el tejido neural, lo que limita su utilidad para el registro a largo plazo2,3,4,5. Teniendo en cuenta estos hechos, ha habido un interés significativo en el desarrollo de microelectrodos con nuevos materiales que pueden reducir la impedancia de la interfaz electrodo-tejido y se pueden incorporar en factores de forma suaves y flexibles.

Un método comúnmente utilizado para reducir la impedancia de la interfaz electrodo-tejido es aumentar el área sobre qué especies iónicas en el fluido extracelular pueden interactuar con el electrodo, o la "superficie efectiva" del electrodo. Esto se puede lograr mediante nanopatrones6,desbaste superficial7,o electroplacado con aditivos porosos8,9. Los nanomateriales han ganado una atención significativa en este campo porque ofrecen áreas superficiales específicas intrínsecamente altas y combinaciones únicas de propiedades eléctricas y mecánicas favorables10. Por ejemplo, los nanotubos de carbono se han utilizado como recubrimiento para reducir significativamente la impedancia de los electrodos 11,12,13, el óxido de grafeno se ha procesado en electrodos de sonda blandos y flexibles de pie14,y se ha utilizado grafeno poroso con láser15. A pesar de su promesa, la falta de métodos de montaje escalables ha limitado la adopción generalizada de nanomateriales para electrodos de interconexión neuronal. Los nanomateriales a base de carbono en particular son típicamente hidrófobos, y por lo tanto requieren el uso de tensioactivos16,superácidos17o funcionalización superficial18 para formar dispersiones acuosas para métodos de fabricación de procesamiento de soluciones, mientras que los métodos alternativos de fabricación, como la deposición de vapor químico (CVD), normalmente requieren altas temperaturas que son incompatibles con muchos sustratos poliméricos19,20,21 ,22.

Recientemente, se ha descrito una clase de nanomateriales bidimensionales (2D), conocidos como MXenes, que ofrece una combinación excepcional de alta conductividad, flexibilidad, capacitancia volumétrica y hidroflicidad inherente, lo que los convierte en una clase prometedora de nanomateriales para electrodos de interfaz neuronal23. Los mXenes son una familia de carburos y nitruros metálicos de transición 2D que se producen más comúnmente al grabar selectivamente el elemento A a partir de precursores en capas. Por lo general, se trata de fases MAX con la fórmula general Mn+1AXn, donde M es un metal de transición temprana, A es un elemento de grupo de 12 a 16 de la tabla periódica, X es carbono y/o nitrógeno, y n a 1, 2 o 324. Las escamas bidimensionales de MXene tienen grupos funcionales que terminan la superficie y pueden incluir hidroxilo (OH), oxígeno (O) o flúor (-F). Estos grupos funcionales hacen MXenes inherentemente hidrófilos y permiten la modificación o funcionalización flexible de la superficie. De la gran clase de MXenes, Ti3C2 ha sido el más estudiado y caracterizado25,26,27. Ti3C2 muestra una capacitancia volumétrica notablemente mayor (1.500 F/cm3)28 que el grafeno activado (60 x 100 F/cm3)29, carbonos derivados del carburo (180 F/cm3)30y películas de gel de grafeno (260 F/cm3)31. Además, Ti3C2 muestra una conductividad electrónica extremadamente alta (10.000 S/cm)32,y su biocompatibilidad se ha demostrado en varios estudios33,34,35,36. La alta capacitancia volumétrica de las películas Ti3C2 es ventajosa para aplicaciones de ciesificación biológica y estimulación, ya que los electrodos que exhiben transferencia capacitiva de carga pueden evitar reacciones de hidrólisis potencialmente dañinas.

Nuestro grupo ha demostrado recientemente arreglos flexibles de microelectrodos Ti3C2 de película delgada, preparados utilizando métodos de procesamiento de soluciones, que son capaces de registrar tanto la microelectrocorticografía (micro-ECoG) como la actividad de espiga neuronal intracortical in vivo con alto SNR36. Estos electrodos de mxene mostraron una impedancia significativamente reducida en comparación con los electrodos de oro (Au) de tamaño coincidente, que se pueden atribuir a la alta conductividad del mxene y la alta superficie de los electrodos. En este protocolo, describimos los pasos clave para fabricar matrices de microelectrodos planos de Ti3C2 MXene en sustratos flexibles de parileno-C y utilizarlos in vivo para el registro intraoperatorio de micro-ECoG. Este método aprovecha la naturaleza hidrófila de MXene, lo que hace posible el uso de métodos de procesamiento de soluciones que son simples y escalables sin necesidad de utilizar tensioactivos o sobreácidos para lograr suspensiones acuosas estables. Esta facilidad de procesabilidad puede permitir una producción rentable de biosensores MXene a escala industrial, lo que ha sido una limitación importante para la adopción generalizada de dispositivos basados en otros nanomateriales de carbono. La innovación clave en la fabricación de electrodos radica en el uso de una capa polimérica sacrificial para micropatrón del MXene después del recubrimiento de espín, un método adaptado de la literatura sobre poliprocesado solución(3,4-etilendioxitiofeno):poly(sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS) microelectrodos37,pero que no había sido descrito previamente para el patrón MXene. Las excepcionales propiedades eléctricas de Ti3C2,junto con su procesabilidad y morfología 2D lo convierten en un material muy prometedor para interfaces neuronales. En particular, Ti3C2 ofrece una ruta hacia la superación del equilibrio fundamental entre el área geométrica del electrodo y la impedancia de la interfaz electroquímica, un factor limitante primario para el rendimiento del electrodo a microescala. Además, el procedimiento de fabricación descrito en este protocolo se puede adaptar para producir matrices de electrodos MXene de diferentes tamaños y geometrías para diferentes paradigmas de grabación, y también se puede adaptar fácilmente para incorporar otras tintas conductoras además de MXene.

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Protocolo

Todos los procedimientos in vivo se ajustaban a la Guía de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio y fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de Pensilvania.

1. Síntesis de Ti3C2 MXene

NOTA: Los procedimientos de reacción descritos en esta sección están diseñados para su uso dentro de una campana de humo sorquímico. Los pasos de lavado incluidos en este procedimiento están diseñados para ser utilizados con tubos de centrífuga equilibrados. Todos los residuos producidos se consideran residuos peligrosos y deben desecharse adecuadamente siguiendo las directrices de la Universidad.

ADVERTENCIA: El ácido fluorhídrico (HF) es un ácido extremadamente peligroso y altamente corrosivo. Consulte las fichas de datos de seguridad de materiales (MSDS) para los productos químicos utilizados para sintetizar Los xenes antes de su uso e implementar y seguir las medidas de seguridad adecuadas. El equipo de protección personal (PPE) adecuado para el manejo de HF incluye una capa de laboratorio, delantal resistente al ácido, zapatos de punta estrecha, pantalones largos, gafas, escudo facial completo, guantes de nitrilo y guantes resistentes a HF hechos de caucho de butilo o caucho de neopreno.

  1. Síntesis de fase MAX
    1. Sintetiza ti3AlC2 mediante el fresado de bolas TiC (2 m), Ti (44 m) y polvos Al (44 m) en una relación molar (TiC:Ti:Al) de 2:1:1 durante 18 h utilizando bolas de circonio. Colocar los polvos en un crisol de alúmina, calentar a 1.380 oC (5 oC de temperatura) y mantener durante 2 h bajo argón. Después de que los polvos se hayan enfriado, moler el bloque MAX y tamizar a través de un tamiz de malla de 200 (<74 m de tamaño de partícula).
      NOTA: Se ha demostrado que el precursor de fase Ti3AlC2 MAX utilizado para sintetizar MXenes tiene implicaciones directas en las propiedades resultantes de Ti3C2 MXene38. El Ti3C2 utilizado para fabricar electrodos neuronales fue grabado selectivamente de MAX preparado después de un procedimiento anterior26.
  2. Grabado: Eliminación de la capa Al en Ti3AlC2 en una solución ácida de etchant(Figura 1A)
    1. Preparar la solución de grabado selectivo en un recipiente de plástico de 125 ml añadiendo primero 12 ml de agua desionizada (DI H2O) seguido de la adición de 24 ml de ácido clorhídrico (HCl). Usando todo el PPPp de grabado de HF apropiado, agregue 4 ml de HF al recipiente etchant. Realice el grabado selectivo añadiendo lentamente 2 g de fase Ti3AlC2 MAX al recipiente de reacción y revolviendo con una barra magnética de teflón durante 24 h a 35 oC a 400 rpm.
  3. Lavado: Llevar el material a pH neutro.
    1. Llenar dos tubos centrífugos de 175 ml con 100 ml de DI H2O. Dividir la mezcla de reacción de grabado en tubos de centrífuga de 175 ml y lavar el material mediante centrifugación repetida a 3.500 rpm (2.550 x g)durante 5 minutos. Decant el sobrenadante ácido en un contenedor de residuos peligrosos plásticos. Repita hasta que el pH alcance 6.
  4. Intercalación: Inserción de moléculas entre partículas mxena multicapa para despertar interacciones fuera del plano(Figura 1B)
    1. Añadir 2 g de cloruro de litio (LiCl) a 100 ml de DI H2O y remover a 200 rpm hasta que se disuelva. Mezclar 100 ml de LiCl/H2O con el sedimento Ti3C2/Ti3AlC2 y agitar la reacción durante 12 h a 25 oC.
  5. Delaminación: Exfoliación de partículas multicapa a granel en una capa de una sola a pocas capas Ti3C2 MXene(Figura 1C)
    1. Lavar la reacción de intercalación en tubos centrífugos de 175 ml por centrifugación a 2.550 x g durante 5 min. Decantar el sobrenadante transparente. Repita hasta que se encuentre un sobrenadante oscuro.
    2. Continúe centrifugando durante 1 h a 2.550 x g. Decantar el sobrenadante verde diluido.
    3. Vuelva a dispersar el sedimento hinchado con 150 ml de DI H2O. Transfiera el sobrenadante a tubos centrífugos de 50 ml y centrífuga a 2.550 x g durante 10 minutos para separar el MAX restante (sedimento) del mxene (sobrenadante).
      NOTA: La redispersión del sedimento será difícil y requerirá agitación o agitación manual.
    4. Recoge sobrenadante como Ti3C2 MXene. Realice una selección y optimización de tamaño adicional de la solución para aislar escamas de una sola a pocas capas recogiendo el sobrenadante siguiendo un paso de centrifugación a 2.550 x g durante 1 h.
  6. Almacenamiento de soluciones: Embalaje de la tinta MXene para almacenamiento a largo plazo(Figura 1D)
    1. Burbuja de argón las soluciones durante 30 minutos antes del envasado en un vial de espacio para la cabeza sellado con argón (transferencia a través de una jeringa). Almacene las soluciones a altas concentraciones (>5 mg/ml), lejos de la luz solar, y a bajas temperaturas (5 oC) para garantizar la longevidad.

2. Fabricación de ti3C2 Matrizs de Microelectrodos MXene

NOTA: El procedimiento descrito en esta sección está diseñado para su uso dentro de una instalación estándar de salas limpias universitarias, como el Centro Singh de Nanotecnología de la Universidad de Pensilvania. Esta instalación, así como instalaciones similares, son accesibles para usuarios externos como parte de la Red Nacional de Infraestructura Nanotecnológica (NNIN) apoyada por la National Science Foundation (NSF). En estas instalaciones, muchas de las herramientas, equipos y materiales descritos en esta sección se proporcionan junto con el acceso a las instalaciones de la sala limpia y no requerirían una compra separada.

ADVERTENCIA: Muchos de los productos químicos utilizados en la fabricación de electrodos de MXene son peligrosos, incluyendo fotorresistencias, desarrollador de RD6, removedor PG, solución de grabado de aluminio y etchant de óxido amortiguado. Consulte a MSDS para estos productos químicos antes de su uso e implemente y siga las medidas de seguridad adecuadas en todo momento. Todos los productos químicos deben manipularse en una campana de humos.

  1. Deposite una capa inferior de parileno-C de 4 m de espesor sobre una oblea Si limpia (consulte la figura 2A).
  2. Utilice la primera fotomáscara (máscara-1) para definir las interconexiones metálicas de los dispositivos, así como un anillo metálico alrededor del borde de la oblea para ayudar en los pasos de despegue posteriores(Figura 2B).
    1. Capa de giro NR71-3000p sobre la oblea a 3.000 rpm durante 40 s. Hornee suavemente la oblea en una placa caliente durante 14,5 min a 95 oC.
    2. Cargue la oblea y la máscara-1 en un alineador de máscara. Coloque la oblea de modo que el anillo de la fotomáscara se superponga con todos los bordes de la oblea.
    3. Exponer con i-line (365 nm de longitud de onda) a una dosis de 90 mJ/cm2. Caliente hornear la oblea en un plato caliente durante 1 min a 115 oC.
    4. Sumerja la oblea en el desarrollador de RD6 durante 2 minutos, agitando continuamente la solución. Enjuagar bien con DI H2O y secar con una pistola N2.
    5. Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar 10 nm Ti, seguido de 100 nm Au en la oblea.
      NOTA: Los parámetros de deposición típicos son una presión base de 5 x 10-7 Torr y una velocidad de 2 o/s.
    6. Sumerja la oblea en el removedor PG durante 10 minutos hasta que el fotorresistente se haya disuelto y el exceso de metal se haya desmontado por completo, dejando Ti/Au solo en las trazas de interconexión deseadas y el anillo alrededor del borde de la oblea. Una vez que el despegue parece completo, sonicar durante 30 s para eliminar cualquier rastro restante de metal no deseado. Enjuague primero la oblea en la solución PG limpia del removedor, luego enjuague bien en DI H2O y seque la oblea con una pistola N2.
  3. Deposite la capa de parileno-C sacrificial(Figura 2C).
    1. Exponga la oblea al plasma de O2 durante 30 s para hacer que la capa subyacente de parileno-C sea hidrófila. Retorce el 2% de la solución de limpieza (p. ej., Micro-90) en DI H2O sobre la oblea a 1.000 rpm durante 30 s. Deje que la oblea se seque al aire durante al menos 5 minutos.
      NOTA: La solución de jabón diluido actúa como un antiadhesivo, permitiendo que la capa de parileno-C sacrificial se pele más adelante en el proceso.
    2. Deposite 3 m de paripleno-C en la oblea.
  4. Utilice la segunda fotomáscara (máscara-2) para definir los patrones de MXene y un anillo alrededor del borde de la oblea(Figura 2D).
    1. Repita los pasos 2.2.1-2.2.4, esta vez utilizando mask-2 y alineando cuidadosamente las marcas de alineación entre la oblea y la fotomáscara antes de la exposición.
    2. Utilice el grabado de iones reactivos plasmáticos O2 (RIE) para grabar a través de la capa de parileno-C sacrificial en las áreas no cubiertas por el fotorresistente para definir los electrodos y trazas de MXene, que deben superponerse parcialmente con las interconexiones Ti/Au, así como el anillo alrededor de los bordes de la oblea. Confirme el grabado completo de la capa de parileno-C sacrificial utilizando un profilómetro para medir el perfil entre las interconexiones Ti/Au expuestas y la capa inferior de parileno-C.
      NOTA: Cuando se complete el grabado, el perfil a través de la superficie metálica expuesta será liso, mientras que la capa inferior de parileno-C será rugosa y parcialmente grabada. Este paso etch debe completarse en un sistema de etch RIE plano, no en un barril asher, y los tiempos y parámetros de etch dependerán en gran medida del sistema RIE.
  5. Espírese la solución de MXene en la oblea(Figura 2E).
    1. Solución de pipeta MXene en cada uno de los patrones de MXene deseados, luego gire la oblea a 1.000 rpm durante 40 s. Seque la oblea en una placa caliente de 120 oC durante 10 minutos para eliminar cualquier agua residual de la película de MXene.
  6. Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar 50 nm de SiO2 en la oblea, para actuar como una capa protectora sobre los patrones de MXene para los pasos de procesamiento posteriores.
    NOTA: Los parámetros de deposición típicos son una presión base de 5 x 10-7 Torr y una velocidad de 2 o/s.
  7. Quite la capa de parileno-C sacrificial para crear el patrón de las capas MXene y SiO2 (Figura 2F).
    1. Aplicar una pequeña gota de DI H2O en el borde de la oblea y utilizar pinzas para pelar la capa de parileno-C sacrificial, comenzando donde sus bordes se definen en el anillo alrededor del exterior de la oblea.
      NOTA: El agua se combinará con el residuo de jabón debajo de la capa de parileno-C sacrificial para permitir este despegue.
    2. Enjuague bien la oblea en DI H2O para eliminar cualquier residuo restante de la solución de limpieza. Seque la oblea con una pistola N2 y, a continuación, colóquela en una placa caliente de 120oC durante 1 h para eliminar cualquier agua residual de las películas de MXene estampadas.
  8. Deposite la capa superior de 4 m de espesor de paryleno-C(Figura 2G).
  9. Utilice la tercera fotomáscara (máscara-3) para definir el contorno del dispositivo y las aberturas sobre los electrodos y las almohadillas de unión Au (VIA)(Figura 2H).
    1. Repita los pasos 2.2.1-2.2.4, esta vez utilizando mask-3 y alineando cuidadosamente las marcas de alineación entre la oblea y la fotomáscara antes de la exposición.
    2. Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar 100 nm Al en la oblea.
      NOTA: Los parámetros de deposición típicos son una presión base de 5 x 10-7 Torr y una velocidad de 2 o/s.
    3. Sumerja la oblea en el removedor PG durante 10 minutos hasta que el metal se haya desmontado por completo, dejando al cubriendo los dispositivos con aberturas para los electrodos y las almohadillas de unión. Cuando se complete el despegue, sonicar durante 30 s para eliminar cualquier rastro restante de metal no deseado. Enjuague primero la oblea en la solución PG limpia del removedor, luego enjuague bien en DI H2O y seque la oblea con una pistola N2.
  10. Etch el paryleno-C para patrón el contorno del dispositivo y aberturas sobre electrodos y almohadillas de unión Au (VIA)(Figura 2I). Utilice O2 plasma RIE para grabar a través de las capas de paripleno-C que rodean los dispositivos, y a través de la capa superior de parileno-C que cubre tanto los contactos del electrodo de mxena como las almohadillas de unión Au.
    NOTA: El grabado se completa cuando no queda ningún residuo de parileno-C en la oblea entre dispositivos. La capa SiO2 que cubre el MXene actuará como una capa de parada de grabado, evitando que el plasma O2 se sume o dañe los contactos del electrodo de MXene.
  11. Etch la capa Al que cubre los dispositivos utilizando un grabado químico húmedo en Al etchant tipo A a 50 oC ya sea durante 10 min, o durante 1 minuto pasado cuando todos los rastros visuales de Al han desaparecido, lo que ocurra primero. Etch el SiO2 que cubre los electrodos de MXene utilizando un grabado químico húmedo en 6:1 óxido almacenado en búfer etchant (BOE) durante 30 s(Figura 2J).
    NOTA: Las matrices de microelectrodos MXene ya están completas.
  12. Liberar los dispositivos de la oblea de sustrato Si colocando una pequeña gota de DI H2O en el borde de un dispositivo, y pelando suavemente el dispositivo como agua es perversa debajo de él por acción capilar(Figura2K y Figura 3).

3. Construcción del adaptador e interfaz

NOTA: En este punto, las matrices de microelectrodos de película delgada deben estar interfizadas con un adaptador para conectarse al sistema de grabación de electrofisiología. El controlador de estimulación/grabación de 128 canales con el cabezal de stim/record de 16 canales RHS2000 de 16 canales(Tabla de materiales)utilizado en este protocolo requiere entrada a través de un conector compatible con el conector de 18 pines A79039-001. Esta sección utiliza una placa de circuito impreso (PCB, Figura 4A) con un conector de fuerza de inserción cero (ZIF) para interactuar con las almohadillas de unión Au en la matriz de microelectrodos y el conector A79040-001 para interactuar con la etapa principal del sistema de grabación. Dependiendo del sistema de adquisición de datos, se pueden utilizar diferentes conectores en la placa CI para permitir la interconexión con el escenario de electrofisiología.

  1. Soldar los conectores Omnetics y ZIF a la PCB aplicando una película delgada de pasta de soldadura a cada una de las almohadillas de contacto en la pcb, colocando las piezas en sus ubicaciones apropiadas, y calentando en una placa caliente hasta que la soldadura vuelva a fluir para formar conexiones (Figura 4B).
    NOTA: La soldadura por reflujo se puede hacer muy fácilmente en una placa caliente o en un horno tostador y no requiere el uso de un costoso horno de reflujo.
  2. Aplique dos capas de cinta de poliimida(Tabla de materiales)en la parte posterior de la región de la almohadilla de unión Au de la matriz de microelectrodos MXene para proporcionar al dispositivo un grosor suficiente para asegurarlo en el conector ZIF. Después de aplicar la cinta, recorte cualquier exceso más allá de los bordes del dispositivo de parileno-C utilizando una cuchilla de afeitar o tijeras de precisión(Figura 4C).
  3. Ya sea bajo un alcance de inspección o utilizando lupas, alinee la matriz de microelectrodos MXene en el conector ZIF para que las almohadillas de unión Au se alineen con los pines dentro del conector ZIF y, a continuación, cierre el ZIF para formar una conexión segura(Figura 4D,E).
    NOTA: El conector ZIF utilizado aquí es un conector de 18 canales, mientras que el dispositivo utilizado aquí tiene 16 canales. Los canales extra sin contacto se identifican fácilmente como un circuito abierto mediante pruebas de impedancia durante las sesiones de grabación.
  4. Pruebe la impedancia electroquímica de los electrodos De mxene utilizando un potenciostato para garantizar una fabricación y conexión exitosas al adaptador de PCB.
    NOTA: En la sección de discusión se proporcionan valores de impedancia razonables para ayudar en la solución de problemas.

4. Implantación Aguda y Grabación Neural

NOTA: Las cirugías en ratas macho adultas Sprague Dawley se realizan utilizando instrumentos estériles y con técnica aséptica. La frecuencia respiratoria, el reflejo palpebraal y el reflejo de pellizcar del pedal se comprueban cada 10 minutos para controlar la profundidad de la anestesia. La temperatura corporal se mantiene con una almohadilla de calentamiento.

  1. Administrar analgesia preventiva (inyección subcutánea de liberación sostenida de buprenorfina [SR], 1,2 mg/kg).
  2. Administrar anestesia (inyección intraperitoneal de una mezcla de 60 mg/kg de ketamina y 0,25 mg/kg de dexmedetomidina).
  3. Confirme el nivel adecuado de anestesia cada 10 minutos a lo largo del experimento comprobando la ausencia de reflejos de pellizcar palpebral y pedal.
  4. Asegurar la rata en el marco estereotaxico, aplicar lubricante ocular a los ojos, y limpiar el cuero cabelludo afeitado con 10% povidona-yodo.
  5. Exponer la calvaria con una sola incisión del cuero cabelludo de línea media y disección contundente del tejido subyacente.
  6. Coloque un tornillo 00-90 en el cráneo para servir como tierra para las grabaciones.
  7. Usando un taladro dental con una pequeña rebaba, haga una craneotomía en el sitio de grabación cortical deseado.
  8. Asegure el conector de la matriz a un manipulador estereotaxico y coloque el dispositivo sobre la craneotomía. Baje suavemente hasta que toda la matriz esté en contacto con la corteza expuesta.
  9. Envuelva el cable de tierra alrededor del tornillo del cráneo.
  10. Conecte el escenario del sistema de grabación a la matriz y comience a grabar actividad espontánea.

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Resultados

Los datos de micro-ECoG de muestra registrados en una matriz de microelectrodos MXene se muestran en la Figura 5. Después de la aplicación de la matriz de electrodos en la corteza, las señales fisiológicas claras fueron inmediatamente evidentes en los electrodos de grabación, con aproximadamente 1 mV de amplitud de señales ECoG que aparecen en todos los electrodos de MXene. Los espectros de potencia de estas señales confirmaron la presencia de dos ritmos cerebrales comúnmente observados en r...

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Discusión

El procedimiento de síntesis y delaminación de MXene descrito en este protocolo (HF/HCl/LiCl) se construyó a partir del enfoque de grabado MILD que empleó un lif/HCl (hf in situ) etchant medio26. El enfoque MILD permite que grandes escamas de Ti3C2 (varias de tamaño lateral) se delalen espontáneamente durante el lavado una vez que se haya alcanzado el pH 5o6. En comparación con el grabado con HF solo, esto resulta en material con mayor calidad y propiedades de material mejora...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (concesión no. R21-NS106434), el Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, la Mirowski Family Foundation y Neil and Barbara Smit (F.V.); el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (conceder no. DGE-1845298 a N.D. y B.M.); la Oficina de Investigación del Ejército (Acuerdo Cooperativo Número W911NF-18-2-0026 a K.M.); y por el Ejército de los Estados Unidos a través del Programa de Iniciativa de Ciencia Sólapto en el Centro Biológico Químico Edgewood (PE 0601102A Proyecto VR9 a Y.G. y K.M.). Este trabajo se llevó a cabo en parte en el Centro Singh de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo del Programa Nacional de Infraestructura Coordinada en Nanotecnología de la Fundación Nacional de Ciencias (NNCI-1542153).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
00-90tornillo McMaster-Carr90910A630Tornillo de cráneo alrededor del cual se enrolla el cable de tierra Controlador
estimulación/grabación de 128 canalesIntan TechnologiesUn componente del sistema de grabación neuronal.
Tubos centrífugos cónicos de polipropileno (PP) de 175 mL FalconREF: 352076Se utiliza para lavar
el conector ZIF de 18 posiciones con paso de 0,5 mmMolex505110-1892Se utiliza para interconectar el conjunto flexible de microelectrodos Parylene con la placa adaptadora de PCB.
Conector nanominiatura macho de doble fila de 18 posiciones (.025 "/.64 mm)Omnetics Connector CorporationA79008-001Se utiliza para conectar la placa adaptadora de PCB a la cabecera de grabación.
Juego de plástico desechable de 3ML Pipetas graduadas de transferenciaRienarRienar-3ML-20PCSSe utiliza para transferir soluciones de grabador o MXene
Tubo de centrífuga concial de polipropileno (PP) de 50 mLFalconREF: 352070Se utiliza para el lavado y la selección de tamaño
Al grabador Tipo ATransene060-0026000-QTPara eliminar la capa de máscara de grabado de Al después del grabado final de Parylene-C.
Polvo de aluminio, -325 Malla, 99.5% (base de metales), tamaño de partícula < 44 y micro; mAlfa AesarCAS: 7429-90-5Utilizado para la síntesis MAX
Software AutoCADAutodesk Inc.Software de diseño para dibujar fotomáscaras. Las alternativas gratuitas incluyen DraftSight y LayoutEditor.
Grabador de óxido tamponado 6:1JT Baker1178-03Para eliminar la capa de SiO2 para exponer los contactos de los electrodos MXene al final del procedimiento de fabricación.
Buprenorfina SRWildlife PharmaceuticalsAnalgesia para cirugía
CentrífugaHermleBenchmark Z 446Se utiliza para el lavado y la selección de tamaño
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3Anestesia para cirugía de ratas
Fresa de taladro FineScience Tools19007-07Rebabas para taladro
Taladro eléctricoForedomK.1070Taladro de micromotor para craneotomías
Evaporador de haz de electronesKurt J. Lesker CompanySe utiliza para evaporar Ti, Au y SiO2 durante la fabricación. La mayoría de las salas limpias de las universidades tienen esta herramienta u otra similar.
Cable de tierraA-M Systems781500Alambre de plata desnudo
Frasco de espacio de cabeza, vidrioSupelcoREF: 27298Se utiliza para almacenar soluciones MXene
Ácido clorhídrico (12.1N)Fisher ScientificCAS: 7647-01-0Corrosivo; material de grabado
Ácido fluorhídrico, (48-51% de solución en H2O)AcrosCAS: 7664-39-3Material grabador
Júpiter II Sistema RIEMarch Plasma Systems Inc.Sistema de grabado planar RIE utilizado para grabar el parileno-C utilizando plasma O2. La mayoría de las salas limpias universitarias tienen un sistema de grabado RIE planar comparable.
Cinta de poliimida estándar Kapton, 1/4"DuPontSe utiliza para agregar espesor a la región de la almohadilla de unión de Au de la matriz de microelectrodos flexible Parylene para su inserción en el conector ZIF.
Ketaminade la Univ. de Penn.Anestesia para cirugía de ratas
KLA P-7 Stylus ProfilometerKLA CorporationSe utilizaron los perfiles 2D de medición para confirmar el grabado completo a través de la capa de parileno-C de sacrificio en el paso 2.4.2. La mayoría de las salas limpias universitarias cuentan con esta herramienta de perfilado de palpador óptico o una similar.
Cloruro de litio, 99% para análisis, anhidroAcrosCAS: 7447-41-8Higroscópico; material de delaminación
Alineador de mascarillas MA6Karl Suss Microtec AGSe utiliza para alinear cada fotomáscara con el patrón de la oblea y exponer la oblea a la luz ultravioleta. La mayoría de las salas limpias de las universidades tienen esta herramienta u otra similar.
Solución de limpieza Micro-90International Products CorporationM-9050-12Se utiliza como capa antiadhesiva para permitir la eliminación de la capa de sacrificio Parylene-C para modelar el MXene
NR71-3000p fotorresistenteFuturrex Inc.NR71-3000pFotorresistencia negativa utilizada para definir trazas de Ti/Au y patrones MXene en los dispositivos.
Ungüento oftálmicoMidwest Veterinary Supply193.63200.3Para prevenir la sequedad de la córnea durante la cirugía
Sistema de deposición de parilenoSistemas de recubrimientoSe utiliza para evaporar películas conformadas delgadas de dímero de parileno-C Dímero de parileno-C
Sistemas de recubrimiento especiales980130-c-01lbePolímero flexible utilizado como capas pasivas inferior y superior para los dispositivos
MXene flexiblesFotomascarillas (cromo sobre vidrio sódico-cálcico)Universidad de PensilvaniaNuestras fotomascarillas se produjeron en la sala limpia de la Universidad utilizando un sistema de escritura láser Heidelberg DWL66+, sin embargo, varios proveedores fabrican fotomascarillas a partir de archivos de diseño proporcionados.
Solución de povidona yodadaMedlineMDS093901Para ayudar a prevenir la infección alrededor de la incisión del cuero cabelludo
Placa de circuito impreso (PCB)CircuitosSe utiliza para interactuar entre el mazo de electrodos MXene y la electrónica de medición, como el potenciostato y el sistema de registro Intan. Advanced Circuits y otros proveedores fabrican y ensamblan PCB en función de los archivos de diseño proporcionados.
RD6 DesarrolladorFuturrex Inc.RD6 ReveladorSe utiliza para desarrollar la fotorresistencia negativa NR71-3000p después de la exposición a los rayos UV
Referencia 600 potenciostatoGamry InstrumentsSe utiliza para medir la impedancia de los electrodos para evaluar la calidad de los dispositivos
Remover PGMicroChem Corp.G050200Se utiliza para eliminar NR71-3000p después de la deposición de metal para realizar patrones de despegue
RHS2000 Cable de interfaz Stim SPIIntan TechnologiesUn componente del sistema de grabación neuronal.
RHS2116 placa amplificadoraIntan TechnologiesUn componente del sistema de grabación neuronal.
Obleas de SiWafer World2885Sustrato para la fabricación Spin
CoaterEquipoPara recubrir obleas con resistencias y aplicar las capas Micro-90 y MXene. La mayoría de las salas limpias universitarias tienen recubridores giratorios.
Marco estereotáxicoKopf Instruments Modelo902Para posicionar la rata para neurocirugía
magnética recubierta de teflónCorningREF: 1233W95Se utiliza para agitar durante el grabado y la intercalación
Carburo de titanio, 99,5% (base de metales), tamaño de partícula ~2 y micro; mAlfa AesarCAS: 12070-08-5Utilizado para la síntesis MAX
Polvo de titanio, malla -325, 99% (base de metales), tamaño de partícula < 44µ mAlfa AesarCAS: 7440-32-6Utilizado para la síntesis MAX
Sonicador de baño ultrasónicoReynolds TechPara eliminar partículas metálicas y fotorresistentes durante los procesos de despegue para modelar metales.
Espectrofotómetro UV visThermoScientificEvolution 201Se utiliza para determinar la concentración y observar el pico de absorción
Zetasizer, análisis del tamaño de partículaMalvern PanalyticalNano ZSSe utiliza para determinar la distribución del tamaño lateral de las partículas
dede ratasHospital de especiales avanzados rentable Barra agitadora

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