Fabbricazione di array di microelettrodi Ti3C2 MXene per la registrazione neurale In Vivo

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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Articolo metodologico

Fabbricazione di array di microelettrodi Ti₃C₂ MXene per la registrazione neurale In Vivo

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DOI:

10.3791/60741

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12 febbraio 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

In questo articolo

Sommario

Descriviamo qui un metodo per fabbricare array di microelettrodi Ti₃C₂ MXene e utilizzarli per la registrazione neurale in vivo.

Abstract

Le tecnologie impiantabili di microelettrodi sono state ampiamente utilizzate per chiarire le dinamiche neurali su microscala per ottenere una comprensione più profonda delle basi neurali delle malattie cerebrali e delle lesioni. Poiché gli elettrodi sono miniaturizzati alla scala delle singole cellule, un corrispondente aumento dell'impedimento dell'interfaccia limita la qualità dei segnali registrati. Inoltre, i materiali convenzionali degli elettrodi sono rigidi, con conseguente significativa disallineamento meccanico tra l'elettrodo e il tessuto cerebrale circostante, che suscita una risposta infiammatoria che alla fine porta a una degradazione delle prestazioni del dispositivo. Per affrontare queste sfide, abbiamo sviluppato un processo per fabbricare microelettrodi flessibili basato su Ti₃C₂ MXene, un nanomateriale recentemente scoperto che possiede capacità volumetriche, conduttività elettrica, funzionalità superficiali e di processabilità notevolmente elevate. Gli array flessibili di microelettrodi Ti₃C₂ MXene hanno un notevole basso impedimento dovuto all'elevata conduttività e all'elevata superficie specifica delle pellicole Ti₃C₂ MXene, e hanno dimostrato di essere squisitamente sensibili per la registrazione dell'attività neuronale. In questo protocollo, descriviamo un nuovo metodo per micropatterning Ti₃C₂ MXene in array di microelettrodi su substrati polimerici flessibili e ne delineamo l'uso per la registrazione in vivo di microelettroblugrafia. Questo metodo può essere facilmente esteso per creare array di elettrodi MXene di dimensioni arbitrarie o geometria per una serie di altre applicazioni in bioelettronica e può anche essere adattato per l'uso con altri inchiostri conduttivi oltre a Ti₃C₂ MXene. Questo protocollo consente una fabbricazione semplice e scalabile di microelettrodi da inchiostri conduttivi basati su soluzione, e in particolare permette di sfruttare le proprietà uniche dell'idrofilo Ti₃C₂ MXene per superare molte delle barriere che hanno a lungo ostacolato la diffusa adozione di nanomateriali a base di carbonio per microelettrodi neurali ad alta fedeltà.

Introduzione

Comprendere i meccanismi fondamentali alla base dei circuiti neurali e come le loro dinamiche sono alterate in malattie o lesioni, è un obiettivo fondamentale per sviluppare terapie efficaci per una vasta gamma di disturbi neurologici e neuromuscolari. Le tecnologie dei microelettrodi sono state ampiamente utilizzate per chiarire le dinamiche neurali su scale spaziali e temporali fini. Tuttavia, l'ottenimento di registrazioni stabili con elevato rapporto segnale-rumore (SNR) da elettrodi su microscala si è dimostrato particolarmente impegnativo. Poiché le dimensioni degli elettrodi sono ridotte per avvicinarsi alla scala cellulare, un corrispondente aumento degli elet....