Fabrication de Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays pour In Vivo Neural Recording

Nicolette Driscoll; Kathleen Maleski; Andrew  G. Richardson; Brendan Murphy; Babak Anasori; Timothy  H. Lucas; Yury Gogotsi; Flavia Vitale

doi:10.3791/60741

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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

Nicolette Driscoll¹^,²^,³ , Kathleen Maleski⁴^,⁵ , Andrew G. Richardson²^,⁶ , Brendan Murphy¹^,²^,³ , Babak Anasori⁴^,⁵ , Timothy H. Lucas²^,⁶ , Yury Gogotsi⁴^,⁵ , Flavia Vitale¹^,²^,³^,⁷^,⁸

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 c....