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Article de méthode

Fabrication de Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays pour In Vivo Neural Recording

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DOI :

10.3791/60741

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12 février 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

Dans cet article

Résumé

Nous décrivons ici une méthode pour fabriquer des tableaux de microélectrode Ti3C2 MXene et les utiliser pour l’enregistrement neuronal in vivo.

Résumé

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.

Introduction

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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Protocole

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.

  1. Synthèse de phase MAX
    1. Synthétiser ti3AlC2 en broyant tiC (2 m), Ti (44 m) et Al (44 m) en poudre à un ratio molaire (TiC:Ti:Al) de 2:1:1 pour 18 h à l’aide de boules de zirconia. Placer les poudres dans un creuset d’alumine, chauffer jusqu’à 1 380 oC (taux de chauffage de 5 oC) et tenir 2 h sous l’argon. Une fois les poudres refroidies, moudre le bloc MAX et passer au tamis à travers un tamis de 200 mailles (taille des particules de 74 millions d’euros).
      REMARQUE : Il a été démontré que le précurseur de phase Ti3AlC2 MAX utilisé pour synthétiser MXenes a des implications directes sur les propriétés Ti3C2 MXene38. Le Ti3C2 utilisé pour fabriquer des électrodes neurales a été sélectivement gravé à partir de MAX préparé à la suite d’une procédure précédente26.
  2. Gravure: Enlèvement de la couche Al dans Ti3AlC2 dans une solution acide etchant (Figure 1A)
    1. Préparer la solution de gravure sélective dans un récipient en plastique de 125 ml en ajoutant d’abord 12 ml d’eau déionisée (DI H2O) suivie de l’ajout de 24 ml d’acide chlorhydrique (HCl). Porter toutes les gravures HF appropriées PPE, ajouter 4 mL de HF au récipient d’étchant. Effectuer la gravure sélective en ajoutant lentement 2 g de ti3AlC2 MAX phase au récipient de réaction et en remuant avec une barre magnétique de téflon pendant 24 h à 35 oC à 400 tr/min.
  3. Lavage: Apporter le matériau au pH neutre.
    1. Remplir deux tubes centrifugeuses de 175 ml de 100 ml de DI H2O. Diviser le mélange de réaction de gravure en tubes de centrifugeuse de 175 ml et laver le matériau par centrifugation répétée à 3 500 tr/min (2 550 x g)pendant 5 min. Décant le supernatant acide dans un contenant en plastique dangereux. Répéter l’opération jusqu’à ce que le pH atteigne 6.
  4. Intercalation : Insertion de molécules entre la particule Multicouche de MXene pour réveiller les interactions hors du plan (Figure 1B)
    1. Ajouter 2 g de chlorure de lithium (LiCl) à 100 ml de DI H2O et remuer à 200 tr/min jusqu’à dissolution. Mélanger 100 ml de LiCl/H2O avec les sédiments Ti3C2/Ti3AlC2 et remuer la réaction pendant 12 h à 25 oC.
  5. Délamination : Exfoliation de particules multicouches en vrac en Ti3C2 MXene(figure 1C)
    1. Laver la réaction d’intercalation dans des tubes centrifugeuses de 175 ml par centrifugation à 2 550 x g pendant 5 min. Décant le supernatant clair. Répétez l’opération jusqu’à ce qu’un supernatant foncé soit trouvé.
    2. Continuer à centrifuger pendant 1 h à 2 550 x g. Decant le supernatant dilue-vert.
    3. Rédisperser les sédiments gonflés avec 150 ml de DI H2O. Transférer le supernatant à 50 ml de tubes centrifugeurs et de centrifugeuses à 2 550 x g pendant 10 min pour séparer le reste du MAX (sédiments) de MXene (supernatant).
      REMARQUE : La redispersion des sédiments deviendra difficile et nécessitera de l’agitation ou des secousses manuelles.
    4. Recueillir supernatant comme Ti3C2 MXene. Effectuer une sélection et une optimisation de la taille de la solution pour isoler les flocons d’une seule à une couche en recueillant le supernatant après une étape de centrifugation à 2 550 x g pour 1 h.
  6. Stockage de solutions : Emballage de l’encre MXene pour un stockage à long terme (Figure 1D)
    1. Argon bulle les solutions pendant 30 min avant l’emballage dans un flacon d’espace de tête scellé Argon (transfert via une seringue). Entreposez les solutions à des concentrations élevées (à partir de 5 mg/mL), loin de la lumière du soleil et à basse température (5 oC) pour assurer la longévité.

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.

  1. Déposer une couche inférieure de 4 m d’épaisseur de parylène-C sur une plaquette Si propre (voir figure 2A).
  2. Utilisez le premier photomasque (masque-1) pour définir les interconnexions métalliques des appareils, ainsi qu’un anneau métallique autour du bord de la plaquette pour faciliter les étapes ultérieures de décollage (figure 2B).
    1. Épinez le manteau NR71-3000p sur la plaquette à 3 000 tr/min pour 40 s. Cuire la gaufrette sur une plaque chaude pendant 14,5 min à 95 oC.
    2. Chargez la plaquette et masque-1 dans un aligneur de masque. Placez la plaquette de sorte que l’anneau sur le photomask chevauche tous les bords de la plaquette.
    3. Exposer avec i-line (365 nm longueur d’onde) à une dose de 90 mJ/cm2. Cuire la gaufrette sur une plaque chaude pendant 1 min à 115 oC.
    4. Immerger la plaquette dans le développeur RD6 pendant 2 min, agitant continuellement la solution. Rincer soigneusement avec DI H2O et sécher à l’arme N2.
    5. Utilisez un évaporateur de faisceau d’électrons pour déposer 10 nm Ti, suivi de 100 nm Au sur la plaquette.
      REMARQUE : Les paramètres de dépôt typiques sont une pression de base de 5 x 10-7 Torr et un taux de 2 '/s.
    6. Immerger la plaquette dans le dissolvant PG pendant 10 min jusqu’à ce que le photoresist se soit dissous et que l’excès de métal soit complètement enlevé, ne laissant Ti/Au que dans les traces d’interconnexion désirées et l’anneau autour du bord de la plaquette. Une fois le décollage semble terminé, sonicate pour 30 s pour enlever les traces restantes de métal indésirable. Rincer d’abord la plaquette dans une solution PG dissolvant propre, puis bien rincer dans DI H2O et sécher la plaquette avec un pistolet N2.
  3. Déposez la couche sacrificielle de parylène-C (figure 2C).
    1. Exposer la plaquette au plasma O2 pendant 30 s pour rendre la couche sous-jacente de parylène-C hydrophile. Spin coat 2% solution de nettoyage (par exemple, Micro-90) dans DI H2O sur la plaquette à 1000 tr/min pour 30 s. Laisser sécher les gaufrettes à l’air pendant au moins 5 min.
      REMARQUE : La solution de savon diluée agit comme un anti-adhésif, permettant à la couche sacrificielle de parylène-C d’être épluchée plus tard dans le processus.
    2. Déposer 3 m de parylène-C sur la plaquette.
  4. Utilisez le deuxième photomasque (masque-2) pour définir les motifs MXene et un anneau autour du bord de la plaquette (Figure 2D).
    1. Répétez les étapes 2.2.1-2.2.4, cette fois à l’aide du masque-2 et en alignant soigneusement les marques d’alignement entre la plaquette et le photomask avant l’exposition.
    2. Utilisez la gravure d’ions réactifs au plasma O2 (RIE) pour époêleriser la couche sacrificielle de parylène-C dans les zones non couvertes par le photoresist pour définir les électrodes et les traces de MXene, qui devraient se chevaucher partiellement avec les interconnexions Ti/Au, ainsi que l’anneau autour des bords de la plaquette. Confirmer la gravure complète de la couche de parylène-C sacrificielle à l’aide d’un profilomètre pour mesurer le profil entre les interconnexions Ti/Au exposées et la couche inférieure de parylène-C.
      REMARQUE : Lorsque la gravure est terminée, le profil sur la surface métallique exposée sera lisse, tandis que la couche inférieure de parylène-C sera rugueuse et partiellement gravée. Cette étape d’etch devrait être accomplie dans un système de rie d’etch planaire, pas un baril asher, et les temps et les paramètres d’etch seront fortement dépendants du système de RIE.
  5. Spin-coat de la solution MXene sur la plaquette (Figure 2E).
    1. Solution Pipette MXene sur chacun des motifs MXene souhaités, puis faites tourner la plaquette à 1 000 tr/min pendant 40 s. Séchez la plaque ttettaire sur une plaque chauffante de 120 oC pendant 10 min pour enlever toute eau résiduelle du film MXene.
  6. Utilisez un évaporateur de faisceau d’électrons pour déposer 50 nm SiO2 sur la plaquette, pour agir comme une couche protectrice sur les modèles MXene pour les étapes de traitement ultérieures.
    REMARQUE : Les paramètres de dépôt typiques sont une pression de base de 5 x 10-7 Torr et un taux de 2 '/s.
  7. Retirez la couche de parylène-C sacrificale pour modeler les couches MXene et SiO2 (Figure 2F).
    1. Appliquer une petite goutte de DI H2O sur le bord de la plaquette et utiliser une pince à épiler pour éplucher la couche de parylène-C sacrificale, en commençant par là où ses bords sont définis dans l’anneau autour de l’extérieur de la plaquette.
      REMARQUE : L’eau se combinera avec les résidus de savon sous la couche sacrificielle de parylène-C pour permettre ce décollage.
    2. Rincer soigneusement la plaquette dans DI H2O pour enlever les résidus restants de la solution de nettoyage. Séchez la plaquette à l’arme N2, puis placez-la sur une plaque chauffante de 1 20 oC pendant 1 h pour enlever toute l’eau résiduelle des films MXene à motifs.
  8. Déposez la couche supérieure de parylène-C de 4 m d’épaisseur(figure 2G).
  9. Utilisez le troisième photomasque (masque-3) pour définir le contour et les ouvertures de l’appareil sur les électrodes et les tampons de liaison Au (VIA) (Figure 2H).
    1. Répétez les étapes 2.2.1-2.2.4, cette fois à l’aide du masque-3 et en alignant soigneusement les marques d’alignement entre la plaquette et le photomask avant l’exposition.
    2. Utilisez un évaporateur de faisceau d’électrons pour déposer 100 nm Al sur la plaquette.
      REMARQUE : Les paramètres de dépôt typiques sont une pression de base de 5 x 10-7 Torr et un taux de 2 '/s.
    3. Immerger la plaquette dans le dissolvant PG pendant 10 min jusqu’à ce que le métal soit complètement enlevé, laissant Al couvrant les dispositifs avec des ouvertures pour les électrodes et les garnitures de collage. Lorsque le décollage est terminé, sonicate pour 30 s pour enlever les traces restantes de métal indésirable. Rincer d’abord la plaquette dans une solution PG dissolvant propre, puis bien rincer dans DI H2O et sécher la plaquette avec un pistolet N2.
  10. Etch le parylène-C pour modeler le contour de l’appareil et les ouvertures sur les électrodes et les tampons de liaison Au (VIA) (Figure 2I). Utilisez O2 plasma RIE pour époêler les couches de parylène-C entourant les dispositifs, et à travers la couche supérieure de parylène-C couvrant à la fois les contacts électrode MXene et les tampons de collage Au.
    REMARQUE : L’étanchéité est terminée lorsqu’aucun résidu de parylène-C ne reste sur la plaquette entre les appareils. La couche SiO2 couvrant le MXene agira comme une couche d’arrêt d’ench, empêchant le plasma O2 de plonger ou d’endommager les contacts d’électrode mXene.
  11. Etch la couche Al couvrant les dispositifs à l’aide d’une brûlure chimique humide dans Al etchant type A à 50 oC soit pendant 10 min, soit pendant 1 min passé lorsque toutes les traces visuelles d’Al ont disparu, selon la première. Etch le SiO2 couvrant les électrodes MXene à l’aide d’une dech chimique humide dans 6:1 etchant d’oxyde tamponné (BOE) pour 30 s (Figure 2J).
    REMARQUE : Les réseaux de microélectrodes MXene sont maintenant terminés.
  12. Relâchez les dispositifs de la plaquette de substrat Si en plaçant une petite goutte de DI H2O au bord d’un dispositif, et en épluchant doucement l’appareil comme l’eau est méchante en dessous par action capillaire (Figure 2K et Figure 3).

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.

  1. Solder les connecteurs Omnetics et ZIF au PCB en appliquant une fine pellicule de pâte plus séquestre à chacune des plaquettes de contact sur le PCB, en plaçant les pièces à leur emplacement approprié, et en chauffant sur une plaque chaude jusqu’à ce que les plus âgés se retournent pour former des connexions (Figure 4B).
    REMARQUE : La soudure de reflux peut être faite très facilement sur une plaque chaude ou dans un four grille-pain et ne nécessite pas l’utilisation d’un four de réécoulement coûteux.
  2. Appliquer deux couches de ruban polyimide (Table of Materials) à l’arrière de la région de la garniture au bonding du tableau de microélectrode MXene pour donner à l’appareil une épaisseur suffisante pour être fixé dans le connecteur ZIF. Après l’application du ruban adhésif, couper tout excès au-delà des bords de l’appareil parylène-C à l’aide d’une lame de rasoir ou de ciseaux de précision (Figure 4C).
  3. Sous une portée d’inspection ou à l’aide de loupes, alignez le réseau de microélectrodes MXene dans le connecteur ZIF de sorte que les tampons de liaison Au s’alignent avec les broches à l’intérieur du connecteur ZIF, puis fermez le ZIF pour former une connexion sécurisée (Figure 4D,E).
    REMARQUE: Le connecteur ZIF utilisé ici est un connecteur à 18 canaux, tandis que l’appareil utilisé ici a 16 canaux. Les canaux supplémentaires sans contact sont facilement identifiés comme un circuit ouvert au moyen de tests d’impédance pendant les sessions d’enregistrement.
  4. Testez l’impédance électrochimique des électrodes MXene à l’aide d’un potentiostat pour assurer une fabrication réussie et une connexion à l’adaptateur de BPC.
    REMARQUE : Des valeurs d’impédance raisonnables sont données dans la section de discussion pour aider au dépannage.

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.

  1. Administrer une analgésie préventive (injection sous-cutanée de buprénorphine à libération soutenue [SR], 1,2 mg/kg).
  2. Administrer l’anesthésie (injection intrapéritonéale d’un mélange de 60 mg/kg de kétamine et 0,25 mg/kg de dexmedetomidine).
  3. Confirmer le bon niveau d’anesthésie toutes les 10 min tout au long de l’expérience en vérifiant l’absence de réflexes palpébral s’ils sont pâles et de pincement des pédales.
  4. Fixer le rat dans un cadre stéréotaxique, appliquer un lubrifiant oculaire sur les yeux et nettoyer le cuir chevelu rasé avec 10% d’iode povidone.
  5. Exposer le calvaria avec une seule incision du cuir chevelu de milieu de la ligne et une dissection émoussée du tissu sous-jacent.
  6. Placez une vis 00-90 dans le crâne pour servir de sol pour les enregistrements.
  7. À l’aide d’une perceuse dentaire avec une petite bavure, faire une craniotomie au site d’enregistrement cortical désiré.
  8. Sécurisez le connecteur de tableau à un manipulateur stéréotaxique et placez l’appareil au-dessus de la craniotomie. Baissez doucement jusqu’à ce que l’ensemble du tableau soit en contact avec le cortex exposé.
  9. Enroulez le fil de terre autour de la vis du crâne.
  10. Connectez le système d’enregistrement en tête d’étape au tableau et commencez à enregistrer l’activité spontanée.

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Résultats

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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Discussion

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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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à révéler.

Remerciements

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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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Vis 00-90McMaster-Carr90910A630Vis crâne autour de laquelle le fil de terre est enroulé Contrôleur
stimulation/enregistrement 128chIntan TechnologiesUn composant du système d’enregistrement neuronal.
Tubes à centrifuger coniques en polypropylène (PP) de 175 mLFalconREF : 352076Utilisé pour le lavage
connecteur ZIF à 18 positions avec pas de 0,5 mmMolex505110-1892Utilisé 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 CorporationA79008-001Utilisé pour interfacer la carte adaptateur PCB à la tête d’enregistrement.
3ML Disposable Plastic Set Transfer Pipettes GraduéesRienarRienar-3ML-20PCSUtilisé pour le transfert de mordançants ou de solutions MXene
50 mL de tube à centrifuger concial en polyproylène (PP)FalconREF : 352070Utilisé pour le lavage et la sélection de la taille
Al etcant Type ATransene060-0026000-QTPour 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 ; mAlfa AesarCAS : 7429-90-5Utilisé pour la synthèse MAX
Logiciel AutoCADAutodesk Inc.Logiciel de conception pour dessiner des photomasques. Les alternatives gratuites incluent DraftSight et LayoutEditor.
Tampon d’oxyde de gravure 6:1JT Baker1178-03Pour enlever la couche de SiO2 afin d’exposer les contacts de l’électrode MXene à la fin de la procédure de fabrication.
Buprénorphine SRWildlife Pharmaceuticalspour la chirurgie du rat
CentrifugeuseHermleBenchmark Z 446Utilisé pour le lavage et la sélection de la taille
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3Anesthésie pour la chirurgie du rat
Fraise de forageOutils de science fine 19007-07Meules pour perceuse
Perceuse électriqueForedomK.1070Perceuse à micromoteur pour craniotomies
Évaporateur à faisceau d’électronsKurt J. Lesker CompanyUtilisé 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 terreA-M Systems781500Fil d’argent nu
Headspace Fial, verreSupelcoREF : 27298Utilisé pour le stockage des solutions MXene
Acide chlorhydrique (12.1N)Fisher ScientificCAS : 7647-01-0Corrosif ; matériau de gravure
Acide fluorhydrique, (solution à 48-51 % dans H2O)AcrosCAS : 7664-39-3Matériau de gravure
Jupiter II Système RIEMarch 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"DuPontUtilisé 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 kétaminede l’Université de Pennsylvanie.Anesthésie pour la chirurgie du rat
KLA P-7 Stylus ProfilomètreKLA CorporationA 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, anhydreAcrosCAS : 7447-41-8Hygroscopique ; matériau de délaminage
Aligneur de masque MA6Karl Suss Microtec AGUtilisé 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-90International Products CorporationM-9050-12Utilisé comme couche anti-adhésive pour permettre l’élimination de la couche sacrificielle de parylène-C pour modeler le MXene
NR71-3000p photoresistFuturrex Inc.NR71-3000pPhotorésine négative utilisée pour définir les traces Ti/Au et les motifs MXene dans les dispositifs.
Pommade ophtalmiqueMidwest Veterinary Supply193.63200.3Pour prévenir le dessèchement de la cornée pendant la chirurgie
Système de dépôt de parylèneSystèmes de revêtementUtilisé pour évaporer de minces films conformes de dimère de parylène-C de parylène-C
Systèmes de revêtement spécialisés980130-c-01lbePolymère flexible utilisé comme couches de passivation inférieure et supérieure pour les dispositifs
MXene flexiblesPhotomasques (chrome sur verre sodocalcique)Université de PennsylvanieNos 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 iodéeMedlineMDS093901Pour aider à prévenir l’infection autour de l’incision du cuir chevelu
Carte de circuit imprimé (PCB)CircuitsUtilisé 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 DéveloppeurFuturrex Inc.RD6 DéveloppeurUtilisé pour développer la résine photosensible négative NR71-3000p suite à une exposition aux UV
Référence 600 PotentiostatGamry InstrumentsUtilisé pour mesurer l’impédance des électrodes afin d’évaluer la qualité des appareils
Dissolvant PGMicroChem Corp.G050200Utilisé pour retirer le NR71-3000p suite à un dépôt de métal afin d’effectuer un motif de décollage
RHS2000 Câble d’interface Stim SPIIntan TechnologiesUn composant du système d’enregistrement neuronal.
RHS2116 carte d’amplificationIntan TechnologiesUn composant du système d’enregistrement neuronal.
SiwafersWafer World2885Substrat pour la fabrication
Spin CoaterÉquipementPour 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 stéréotaxiqueKopf InstrumentsModèle 902Pour positionner le rat pour la neurochirurgie
Barre d’agitation magnétique recouverte de téflonCorningREF : 1233W95Utilisé pour agiter pendant la gravure et l’intercalation
Carbure de titane, 99,5 % (base métalliques), taille des particules ~2 µ ; mAlfa AesarCAS : 12070-08-5Utilisé pour la synthèse MAX
Poudre de titane, -325 mesh, 99 % (à base de métaux), taille des particules < 44µ ; mAlfa AesarCAS : 7440-32-6Utilisé pour la synthèse MAX
Sonicateur à bain ultrasoniqueReynolds TechPour l’élimination des particules métalliques et photosensibles pendant les processus de décollage pour modeler les métaux.
Spectrophotomètre UV-visThermoScientificEvolution 201Utilisé pour déterminer la concentration et observer le pic d’absorption
Zetasizer, Analyse granulométriqueMalvern PanalyticalNano ZSUtilisé pour déterminer la distribution latérale de la taille des particules
de du Analgésie spécialisés avancés rentable

Références

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