Nous décrivons ici une méthode pour fabriquer des tableaux de microélectrode Ti3C2 MXene et les utiliser pour l’enregistrement neuronal in vivo.
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Article de méthode
Nous décrivons ici une méthode pour fabriquer des tableaux de microélectrode Ti3C2 MXene et les utiliser pour l’enregistrement neuronal in vivo.
Les technologies implantables de microélectrode ont été employées couramment pour élucider la dynamique neurale à l’échelle micrométrique pour acquérir une compréhension plus profonde des fondements neuronaux des maladies et des dommages de cerveau. Comme les électrodes sont miniaturisées à l’échelle des cellules individuelles, une augmentation correspondante de l’impédance d’interface limite la qualité des signaux enregistrés. En outre, les matériaux d’électrode conventionnels sont rigides, ce qui entraîne un décalage mécanique significatif entre l’électrode et le tissu cérébral environnant, ce qui provoque une réponse inflammatoire qui conduit finalement à une dégradation des performances de l’appareil. Pour relever ces défis, nous avons développé un procédé de fabrication de microélectrodes flexibles à base de Ti3C2 MXene, un nanomatériau récemment découvert qui possède une capacité volumétrique remarquablement élevée, la conductivité électrique, la fonctionnalité de surface et la processabilité dans les dispersions aqueuses. Les réseaux flexibles de microélectrodes Ti3C2 MXene ont une impédance remarquablement faible en raison de la conductivité élevée et de la surface spécifique élevée des films Ti3C2 MXene, et ils se sont avérés extrêmement sensibles pour l’enregistrement de l’activité neuronale. Dans ce protocole, nous décrivons une nouvelle méthode pour micropatterning Ti3C2 MXene dans des tableaux de microélectrode sur des substrats polymères flexibles et dénonçons leur utilisation pour l’enregistrement in vivo de micro-électrocorticographie. Cette méthode peut facilement être étendue pour créer des réseaux d’électrodes MXene de taille arbitraire ou de géométrie pour une gamme d’autres applications en bioélectronique et il peut également être adapté pour une utilisation avec d’autres encres conductrices en plus de Ti3C2 MXene. Ce protocole permet la fabrication simple et évolutive de microélectrodes à partir d’encres conductrices basées sur des solutions, et permet spécifiquement d’exploiter les propriétés uniques de l’hydrophile Ti3C2 MXene pour surmonter bon nombre des obstacles qui ont longtemps entravé l’adoption généralisée de nanomatériaux à base de carbone pour les microélectrodes neurales à haute fidélité.
Comprendre les mécanismes fondamentaux sous-jacents aux circuits neuronaux, et comment leur dynamique est altérée dans la maladie ou les blessures, est un objectif critique pour développer des thérapies efficaces pour un large éventail de troubles neurologiques et neuromusculaires. Les technologies de microélectrode ont été employées couramment pour élucider la dynamique neurale sur les échelles spatiales et temporelles fines. Cependant, l’obtention d’enregistrements stables avec un rapport signal-bruit élevé (RNS) à partir d’électrodes à microéchelle s’est avérée particulièrement difficile. Comme les dimensions des électrodes sont réduites à l’approche de l’échelle cellulaire, une augmentation correspondante de l’électrode empêche la qualité du signal1. En outre, de nombreuses études ont montré que les électrodes rigides composées de matériaux électroniques conventionnels de silicium et de métal produisent des dommages significatifs et l’inflammation dans le tissu neural, qui limite leur utilité pour l’enregistrement à long terme2,3,4,5. Compte tenu de ces faits, il y a eu un intérêt significatif dans le développement de microélectrodes avec de nouveaux matériaux qui peuvent réduire l’impédance de l’interface électrode-tissu et peuvent être incorporés dans des facteurs de forme souples et flexibles.
Une méthode couramment utilisée pour réduire l’impédance de l’interface électrode-tissu est d’augmenter la zone sur laquelle les espèces ioniques dans le fluide extracellulaire peuvent interagir avec l’électrode, ou la «surface efficace» de l’électrode. Ceci peut être réalisé par nanopatterning6, rugissement de surface7, ou électroplaquage avec des additifs poreux8,9. Les nanomatériaux ont attiré l’attention dans ce domaine parce qu’ils offrent intrinsèquement des zones de surface spécifiques intrinsèquement élevées et des combinaisons uniques de propriétés électriques et mécaniques favorables10. Par exemple, les nanotubes de carbone ont été utilisés comme revêtement pour réduire considérablement l’impédance d’électrode11,12,13,l’oxyde de graphène a été transformé en électrodes douces et flexibles de sonde autoportante 14 , et le graphène poreux laser-pyrolyzed a été employé pour la micro-électrocorticographie flexible et à faible impédance (micro-ECoG) électrodes15. Malgré leur promesse, l’absence de méthodes d’assemblage évolutives a limité l’adoption généralisée de nanomatériaux pour les électrodes d’interfaçage neuronal. Les nanomatériaux à base de carbone en particulier sont généralement hydrophobes, et nécessitent donc l’utilisation de surfactants16, superacides17, ou la fonctionnalisation de surface18 pour former des dispersions aqueuses pour les méthodes de fabrication de solution-traitement, tandis que les méthodes alternatives de fabrication, telles que le dépôt chimique de vapeur (CVD), exigent typiquement des températures élevées qui sont incompatibles avec de nombreux substrats polymères19,20,21 ,22.
Récemment, une classe de nanomatériaux bidimensionnels (2D), connu sous le nom de MXenes, a été décrite qui offre une combinaison exceptionnelle de conductivité élevée, de flexibilité, de capacité volumétrique et d’hydrophilie inhérente, ce qui en fait une classe prometteuse de nanomatériaux pour les électrodes d’interfaçage neuronal23. Les MXenes sont une famille de carbures et de nitrides métalliques de transition 2D qui sont le plus souvent produits par la gravure sélective de l’élément A à partir de précurseurs superposés. Il s’agit généralement de phases MAX avec la formule générale Mn 1AXn, où M est un métal de transition précoce, A est un élément de groupe 12-16 du tableau périodique, X est carbone et / ou de l’azote, et n 1, 2, ou 324. Les flocons de MXene bidimensionnels ont des groupes fonctionnels à terminaison de surface qui peuvent inclure l’hydroxyle (OH), l’oxygène (O) ou le fluor (F). Ces groupes fonctionnels rendent les MXenes intrinsèquement hydrophiles et permettent une modification ou une fonctionnalisation flexible de la surface. De la grande classe de MXenes, Ti3C2 a été le plus largement étudié et caractérisé25,26,27. Ti3C2 montre une capacitance volumétrique remarquablement plus élevée (1 500 F/cm3)28 que le graphène activé (60 x 100 F/cm3)29, carbones dérivés du carbure (180 F/cm3)30, et des films de gel de graphène (260 F/cm3)31. En outre, Ti3C2 montre une conductivité électronique extrêmement élevée (10 000 S/cm)32, et sa biocompatibilité a été démontrée dans plusieurs études33,34,35,36. La capacité volumétrique élevée des films Ti3C 2 est avantageuse pour les applications de détection biologique etde stimulation, car les électrodes qui présentent un transfert capacitif de charge peuvent éviter des réactions d’hydrolyse potentiellement nocives.
Notre groupe a récemment démontré des réseaux de microélectrodes Ti3C2 flexibles et à couches minces, préparés à l’aide de méthodes de traitement de solutions, capables d’enregistrer à la fois la micro-électrocortticographie (micro-ECoG) et l’activité neuronale intracorticale de pointe in vivo avec un SNR36élevé. Ces électrodes MXene ont montré une réduction significative de l’impédance par rapport aux électrodes d’or (Au) de taille comparable, qui peuvent être attribuées à la conductivité élevée de MXene et à la surface élevée des électrodes. Dans ce protocole, nous décrivons les étapes clés pour fabriquer des rangées planaires de microélectrodes de Ti3C2 MXene sur des substrats flexibles de parylène-C et les utilisant in vivo pour l’enregistrement micro-ECoG peropératoire. Cette méthode tire parti de la nature hydrophile de MXene, qui permet l’utilisation de méthodes de traitement des solutions simples et évolutives sans nécessiter l’utilisation de surfactants ou de superacides pour obtenir des suspensions aqueuses stables. Cette facilité de processabilité peut permettre une production rentable de biocapteurs MXene à des échelles industrielles, ce qui a été une limitation majeure à l’adoption généralisée de dispositifs basés sur d’autres nanomatériaux de carbone. La principale innovation dans la fabrication d’électrodes réside dans l’utilisation d’une couche polymère sacrificielle pour micropattern le MXene après spin-coating, une méthode adaptée de la littérature sur la solution traitée poly (3,4-ethylenedioxythiophène):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) microélectrodes37, mais qui n’avait pas été précédemment décrit pour le modèle MXe. Les propriétés électriques exceptionnelles de Ti3C2, couplé avec sa processabilité et la morphologie 2D en font un matériau très prometteur pour les interfaces neuronales. En particulier, Ti3C2 offre une voie vers le dépassement du compromis fondamental entre la zone géométrique des électrodes et l’impédance de l’interface électrochimique, un facteur limitant principal pour la performance des électrodes à micro-échelle. En outre, la procédure de fabrication décrite dans ce protocole peut être adaptée pour produire des réseaux d’électrodes MXene de différentes tailles et géométries pour différents paradigmes d’enregistrement, et peut également être facilement adaptée pour incorporer d’autres encres conductrices en plus de MXene.
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Toutes les procédures in vivo étaient conformes au National Institutes of Health (NIH) Guide for the Care and Use of Laboratory Animals et ont été approuvées par le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (IACUC) de l’Université de Pennsylvanie.
1. Synthèse de Ti3C2 MXene
REMARQUE : Les procédures de réaction décrites dans cette section sont destinées à être utilisées à l’intérieur d’une hotte chimique. Les étapes de lavage incluses dans cette procédure sont destinées à être utilisées avec des tubes de centrifugeuse équilibrés. Tous les déchets produits sont considérés comme des déchets dangereux et doivent être jetés de façon appropriée conformément aux directives de l’Université.
CAUTION: L’acide hydrofluorique (HF) est un acide extrêmement dangereux, très corrosif. Consultez les fiches de données sur la sécurité des matériaux (SDM) pour les produits chimiques utilisés pour synthétiser les MXenes avant d’utiliser et de mettre en œuvre et de suivre les mesures de sécurité appropriées. L’équipement de protection individuelle (PPE) approprié pour la manipulation de HF comprend un manteau de laboratoire, un tablier résistant à l’acide, des chaussures à bout sténien, des pantalons longs, des lunettes, un bouclier facial complet, des gants nitriles et des gants résistants à la HF en caoutchouc butyl ou en caoutchouc néoprène.
2. Fabrication de Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays
REMARQUE : La procédure décrite dans cette section est destinée à être utilisée à l’intérieur d’une salle blanche universitaire standard, comme le Singh Center for Nanotechnology de l’Université de Pennsylvanie. Cette installation, ainsi que des installations similaires, sont accessibles aux utilisateurs externes dans le cadre du Réseau national d’infrastructure des nanotechnologies (NNIN) soutenu par la National Science Foundation (NSF). Dans ces installations, bon nombre des outils, de l’équipement et du matériel décrits dans cette section sont fournis en même temps que l’accès à l’installation de la salle blanche et ne nécessiteraient pas d’achat séparé.
CAUTION: Beaucoup de produits chimiques utilisés dans la fabrication d’électrodes MXene sont dangereux, y compris les photorésistants, développeur RD6, démaquillant PG, solution de gravure en aluminium, et l’échante d’oxyde tamponné. Consultez mSDS pour ces produits chimiques avant d’utiliser et de mettre en œuvre et de suivre les mesures de sécurité appropriées en tout temps. Tous les produits chimiques doivent être manipulés dans une hotte de fumée.
3. Construction d’adaptateurs et interfaçage
REMARQUE : À ce stade, les réseaux de microélectrodes à couches minces doivent être interconnectés avec un adaptateur pour se connecter au système d’enregistrement de l’électrophysiologie. Le contrôleur de stimulation/enregistrement 128ch avec le rhS2000 16-ch stim/record headstage (Table of Materials) utilisé dans ce protocole nécessite l’entrée via un connecteur compatible avec le connecteur de 18 broches A79039-001. Cette section utilise un circuit imprimé (PCB, Figure 4A) avec un connecteur à zéro insertion (ZIF) pour l’interfaçage avec les tampons de liaison Au sur le réseau de microélectrodes et le connecteur A79040-001 pour l’interfaçage avec le stade de tête du système d’enregistrement. Selon le système d’acquisition de données, différents connecteurs peuvent être utilisés sur le PCB pour permettre l’interfaçage avec le headstage de l’électrophysiologie.
4. Implantation aigue et enregistrement neuronal
REMARQUE : Les chirurgies sur les rats mâles adultes de Sprague Dawley sont exécutées utilisant des instruments stériles et avec la technique aseptique. Le taux respiratoire, le réflexe palpébral et le réflexe de pincement de la pédale sont vérifiés toutes les 10 min pour surveiller la profondeur de l’anesthésie. La température corporelle est maintenue à l’eau avec un coussin chauffant.
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Les données micro-ECoG enregistrées sur un réseau de microélectrodes MXene sont affichées à la figure 5. Après l’application du réseau d’électrodes sur le cortex, des signaux physiologiques clairs ont été immédiatement apparents sur les électrodes d’enregistrement, avec environ 1 mV d’amplitude ECoG signaux apparaissant sur toutes les électrodes MXene. Les spectres de puissance de ces signaux ont confirmé la présence de deux rythmes cérébraux couramment observés chez les rats sous anesthésie...
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La procédure de synthèse et de délamination MXene décrite dans ce protocole (HF/HCl/LiCl) a été construite à partir de l’approche de gravure MILD qui utilisait un liF/HCl (in situ HF) etchant moyen26. L’approche MILD permet de délaminer spontanément les flocons de Ti3C2 (plusieurs flocons latéraux) pendant le lavage une fois que le pH 5-6 a été atteint. Par rapport à la gravure avec HF seul, cela se traduit par des matériaux avec une meilleure qualité et des propriétés matéri...
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Les auteurs n’ont rien à révéler.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (accord no. R21-NS106434), le Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, la Mirowski Family Foundation et Neil et Barbara Smit (F.V.); le National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (subvention no. DGE-1845298 à N.D. et B.M.); le Bureau de recherche de l’Armée de terre (numéro d’entente coopérative W911NF-18-2-0026 à K.M.); et par l’armée américaine par l’intermédiaire du Programme d’initiative des sciences de surface au Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 à Y.G. et K.M.). Ce travail a été effectué en partie au Singh Center for Nanotechnology, qui est soutenu par la National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Vis 00-90 | McMaster-Carr | 90910A630 | Vis crâne autour de laquelle le fil de terre est enroulé Contrôleur |
| stimulation/enregistrement 128ch | Intan Technologies | Un composant du système d’enregistrement neuronal. | |
| Tubes à centrifuger coniques en polypropylène (PP) de 175 mL | Falcon | REF : 352076 | Utilisé pour le lavage |
| connecteur ZIF à 18 positions avec pas de 0,5 mm | Molex | 505110-1892 | Utilisé pour interfacer le réseau flexible de microélectrodes en parylène avec la carte adaptateur PCB. |
| Connecteur nanominiature mâle à 18 rangées à deux rangées (.025"/.64mm) | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Utilisé pour interfacer la carte adaptateur PCB à la tête d’enregistrement. |
| 3ML Disposable Plastic Set Transfer Pipettes Graduées | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Utilisé pour le transfert de mordançants ou de solutions MXene |
| 50 mL de tube à centrifuger concial en polyproylène (PP) | Falcon | REF : 352070 | Utilisé pour le lavage et la sélection de la taille |
| Al etcant Type A | Transene | 060-0026000-QT | Pour enlever la couche de masque de gravure Al après la gravure finale Parylène-C. |
| Poudre d’aluminium, -325 mesh, 99,5 % (à base de métaux), taille des particules < 44 < micro ; m | Alfa Aesar | CAS : 7429-90-5 | Utilisé pour la synthèse MAX |
| Logiciel AutoCAD | Autodesk Inc. | Logiciel de conception pour dessiner des photomasques. Les alternatives gratuites incluent DraftSight et LayoutEditor. | |
| Tampon d’oxyde de gravure 6:1 | JT Baker | 1178-03 | Pour enlever la couche de SiO2 afin d’exposer les contacts de l’électrode MXene à la fin de la procédure de fabrication. |
| Buprénorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | pour la chirurgie du rat | |
| Centrifugeuse | Hermle | Benchmark Z 446 | Utilisé pour le lavage et la sélection de la taille |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthésie pour la chirurgie du rat |
| Fraise de forage | Outils de science fine 19007-07 | Meules pour perceuse | |
| Perceuse électrique | Foredom | K.1070 | Perceuse à micromoteur pour craniotomies |
| Évaporateur à faisceau d’électrons | Kurt J. Lesker Company | Utilisé pour évaporer le Ti, l’Au et le SiO2 pendant la fabrication. La plupart des salles blanches universitaires disposent de cet outil ou d’un outil similaire. | |
| Fil de terre | A-M Systems | 781500 | Fil d’argent nu |
| Headspace Fial, verre | Supelco | REF : 27298 | Utilisé pour le stockage des solutions MXene |
| Acide chlorhydrique (12.1N) | Fisher Scientific | CAS : 7647-01-0 | Corrosif ; matériau de gravure |
| Acide fluorhydrique, (solution à 48-51 % dans H2O) | Acros | CAS : 7664-39-3 | Matériau de gravure |
| Jupiter II Système RIE | March Plasma Systems Inc. | Système de gravure RIE planaire utilisé pour graver le Parylène-C à l’aide de plasma O2. La plupart des salles blanches universitaires disposent d’un système de gravure RIE planaire comparable. | |
| Ruban polyimide standard Kapton, 1/4 | "DuPont | Utilisé pour ajouter de l’épaisseur à la région du tampon de liaison Au du réseau de microélectrodes flexible en parylène pour l’insertion dans le connecteur ZIF. | |
| Hôpital de kétamine | de l’Université de Pennsylvanie. | Anesthésie pour la chirurgie du rat | |
| KLA P-7 Stylus Profilomètre | KLA Corporation | A utilisé les profils 2D de mesure pour confirmer la gravure complète à travers la couche sacrificielle de parylène-C à l’étape 2.4.2. La plupart des salles blanches universitaires disposent de cet outil ou d’un outil de profilomètre à stylet comparable. | |
| Chlorure de lithium, 99 % pour l’analyse, anhydre | Acros | CAS : 7447-41-8 | Hygroscopique ; matériau de délaminage |
| Aligneur de masque MA6 | Karl Suss Microtec AG | Utilisé pour aligner chaque photomasque sur le motif de la plaquette et exposer la plaquette à la lumière UV. La plupart des salles blanches universitaires disposent de cet outil ou d’un outil similaire. | |
| Solution de nettoyage Micro-90 | International Products Corporation | M-9050-12 | Utilisé comme couche anti-adhésive pour permettre l’élimination de la couche sacrificielle de parylène-C pour modeler le MXene |
| NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Photorésine négative utilisée pour définir les traces Ti/Au et les motifs MXene dans les dispositifs. |
| Pommade ophtalmique | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | Pour prévenir le dessèchement de la cornée pendant la chirurgie |
| Système de dépôt de parylène | Systèmes de revêtement | Utilisé pour évaporer de minces films conformes de dimère de parylène-C de parylène-C | |
| Systèmes de revêtement spécialisés | 980130-c-01lbe | Polymère flexible utilisé comme couches de passivation inférieure et supérieure pour les dispositifs | |
| MXene flexiblesPhotomasques (chrome sur verre sodocalcique) | Université de Pennsylvanie | Nos photomasques ont été produits dans la salle blanche de l’Université à l’aide d’un système d’écriture laser Heidelberg DWL66+, mais plusieurs fournisseurs fabriquent des photomasques à partir des fichiers de conception fournis. | |
| Solution de povidone iodée | Medline | MDS093901 | Pour aider à prévenir l’infection autour de l’incision du cuir chevelu |
| Carte de circuit imprimé (PCB) | Circuits | Utilisé pour l’interface entre le réseau d’électrodes MXene et l’électronique de mesure telle que le potentiostat et le système d’enregistrement Intan. Advanced Circuits et d’autres fournisseurs fabriquent et assemblent des circuits imprimés à partir des fichiers de conception fournis. | |
| RD6 Développeur | Futurrex Inc. | RD6 Développeur | Utilisé pour développer la résine photosensible négative NR71-3000p suite à une exposition aux UV |
| Référence 600 Potentiostat | Gamry Instruments | Utilisé pour mesurer l’impédance des électrodes afin d’évaluer la qualité des appareils | |
| Dissolvant PG | MicroChem Corp. | G050200 | Utilisé pour retirer le NR71-3000p suite à un dépôt de métal afin d’effectuer un motif de décollage |
| RHS2000 Câble d’interface Stim SPI | Intan Technologies | Un composant du système d’enregistrement neuronal. | |
| RHS2116 carte d’amplification | Intan Technologies | Un composant du système d’enregistrement neuronal. | |
| Siwafers | Wafer World | 2885 | Substrat pour la fabrication |
| Spin Coater | Équipement | Pour l’enduction des plaquettes avec des résines et l’application des couches Micro-90 et MXene. La plupart des salles blanches des universités sont équipées de spin coaters. | |
| Cadre stéréotaxique | Kopf Instruments | Modèle 902 | Pour positionner le rat pour la neurochirurgie |
| Barre d’agitation magnétique recouverte de téflon | Corning | REF : 1233W95 | Utilisé pour agiter pendant la gravure et l’intercalation |
| Carbure de titane, 99,5 % (base métalliques), taille des particules ~2 µ ; m | Alfa Aesar | CAS : 12070-08-5 | Utilisé pour la synthèse MAX |
| Poudre de titane, -325 mesh, 99 % (à base de métaux), taille des particules < 44µ ; m | Alfa Aesar | CAS : 7440-32-6 | Utilisé pour la synthèse MAX |
| Sonicateur à bain ultrasonique | Reynolds Tech | Pour l’élimination des particules métalliques et photosensibles pendant les processus de décollage pour modeler les métaux. | |
| Spectrophotomètre UV-vis | ThermoScientific | Evolution 201 | Utilisé pour déterminer la concentration et observer le pic d’absorption |
| Zetasizer, Analyse granulométrique | Malvern Panalytical | Nano ZS | Utilisé pour déterminer la distribution latérale de la taille des particules |
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