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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

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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

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 elettrodi impedidegrada la qualità del segnale1. Inoltre, numerosi studi hanno dimostrato che gli elettrodi rigidi composti da materiali elettronici convenzionali di silicio e metallici producono danni significativi e infiammazione nel tessuto neurale, che limita la loro utilità per la registrazione a lungo termine2,3,4,5. Alla luce di questi fatti, c'è stato un notevole interesse nello sviluppo di microelettrodi con nuovi materiali che possono ridurre l'impedimento dell'interfaccia elettrode e possono essere incorporati in fattori di forma morbidi e flessibili.

Un metodo comunemente usato per ridurre l'impedimento dell'interfaccia del tessuto elettrodo è aumentare l'area su cui le specie ioniche nel fluido extracellulare possono interagire con l'elettrodo, o la "superficie effettiva" dell'elettrodo. Ciò può essere ottenuto attraverso la nanodorazione6, sgrossatura della superficie7, o elettroplastica con additivi porosi8,9. I nanomateriali hanno guadagnato un'attenzione significativa in questo campo perché offrono superfici specifiche intrinsecamente elevate e combinazioni uniche di proprietà elettriche e meccaniche favorevoli10. Ad esempio, i nanotubi di carbonio sono stati utilizzati come rivestimento per ridurre significativamente l'impedimento degli elettrodi11,12,13, l'ossido di grafene è stato trasformato in elettrodi morbidi e flessibili a sonda free-standing14, e il grafene poroso laser-pirolizzato è stato utilizzato per elettrodi flessibili e a basso impatto microbico (micro-ECoG)15. Nonostante la loro promessa, la mancanza di metodi di assemblaggio scalabili ha limitato l'adozione diffusa di nanomateriali per elettrodi di interfacciatura neurale. I nanomateriali a base di carbonio, in particolare, sono tipicamente idrofobici, e quindi richiedono l'uso di surfactants16, superacidi17, o la funzionalizzazione della superficie18 per formare acquisive dispersioni per metodi di lavorazione della soluzione, mentre metodi alternativi di fabbricazione, come la deposizione di vapore chimico (CVD), in genere richiedono alte temperature che sono incompatibili con molti substrati polimerici19,20,21 ,22.

Recentemente, è stata descritta una classe di nanomateriali bidimensionali (2D), noti come MXenes, che offre un'eccezionale combinazione di alta conduttività, flessibilità, capacità volumetrica e idrofilia intrinseca, il che li rende una classe promettente di nanomateriali per elettrodi di interfacciatura neurale23. Gli MXenes sono una famiglia di carburi metallici di transizione 2D e nitrati che sono più comunemente prodotti incidendo selettivamente l'elemento A da precursori stratificati. Queste sono tipicamente fasi MAX con la formula generale Mn, 1AXn, dove M è un metallo di transizione precoce, A è un elemento del gruppo 12-16 della tabella periodica, X è carbonio e/o azoto e n - 1, 2 o 324. I fiocchi bidimensionali di MXene hanno gruppi funzionali che terminano la superficie che possono includere idrossile (OH), ossigeno o fluoro. Questi gruppi funzionali rendono MXenes intrinsecamente idrofila e consentono la modifica o la funzionalizzazione flessibile della superficie. Della grande classe di MXenes, Ti3C2 è stato il più ampiamente studiato e caratterizzato25,26,27. Ti3C2 mostra capacità volumetrici notevolmente più elevata (1.500 F/cm3)28 rispetto al grafene attivato (-60-100 F/cm3)29, carbonio derivato da carbide (180 F/cm3)30e pellicole di gel di grafene (260 F/cm3)31. Inoltre, Ti3C2 mostra un'elevata conduttività elettronica (10.000 S/cm)32, e la sua biocompatibilità è stata dimostrata in diversi studi33,34,35,36. L'elevata capacità volumetrica dei film Ti3C2 è vantaggiosa per le applicazioni di rilevamento e stimolazione biologica, perché gli elettrodi che presentano un trasferimento di carica capacitivo possono evitare reazioni di idrolisi potenzialmente dannose.

Il nostro gruppo ha recentemente dimostrato array di microelettrodi Ti3C2 flessibili e a film sottile, preparati utilizzando metodi di elaborazione delle soluzioni, in grado di registrare sia microelettrografia (microelettrocografica) che attività intracorticale di chiodare neuronale in vivo con alta SNR36. Questi elettrodi MXene hanno mostrato un'impedibilità significativamente ridotta rispetto agli elettrodi in oro abbinato alle dimensioni (Au), che possono essere attribuiti all'elevata conduttività di MXene e all'alta superficie degli elettrodi. In questo protocollo, descriviamo i passaggi chiave per la fabbricazione di array di microelettrodi planari di Ti3C2 MXene su substrati parilini-C flessibili e loro utilizzandoli in vivo per la registrazione intraoperatoria micro-ECoG. Questo metodo sfrutta la natura idrofila di MXene, che rende possibile l'uso di metodi di lavorazione della soluzione che sono semplici e scalabili senza richiedere l'uso di surfactants o superacidi per ottenere sospensioni acquose stabili. Questa facilità di processo può consentire una produzione conveniente di biosensori MXene su scala industriale, che è stata una grave limitazione all'adozione diffusa di dispositivi basati su altri nanomateriali di carbonio. L'innovazione chiave nella fabbricazione degli elettrodi sta nell'uso di uno strato polimerico sacrificale per micromodello il MXene dopo il rivestimento a rotazione, un metodo adattato dalla letteratura sul poli trasformato in soluzione (3,4-ethylenedioxythiophene):poly (s tyrene sulfominato) microelettrodi37, ma che non era stato precedentemente descritto per il modello MXene. Le eccezionali proprietà elettriche di Ti3C2,unite alla sua lavorabilità e alla morfologia 2D lo rendono un materiale molto promettente per le interfacce neurali. In particolare, Ti3C2 offre un percorso per superare il fondamentale compromesso tra l'area geometrica degli elettrodi e l'impedimento dell'interfaccia elettrochimica, un fattore limitante primario per le prestazioni degli elettrodi in microscala. Inoltre, la procedura di fabbricazione descritta in questo protocollo può essere adattata per produrre array di elettrodi MXene di diverse dimensioni e geometrie per diversi paradigmi di registrazione e può anche essere facilmente adattata per incorporare altri inchiostri conduttivi oltre a MXene.

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Protocollo

Tutte le procedure in vivo sono conformi alla Guida dei National Institutes of Health (NIH) per la cura e l'uso degli animali da laboratorio e sono state approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università della Pennsylvania.

1. Sintesi di Ti3C2 MXene

NOTA: le procedure di reazione descritte in questa sezione sono destinate all'uso all'interno di un cofano di fumi chimico. I passaggi di lavaggio inclusi in questa procedura sono destinati ad essere utilizzati con tubi di centrifuga bilanciati. Tutti i rifiuti prodotti sono considerati rifiuti pericolosi e devono essere scartati in modo appropriato seguendo le linee guida dell'Università.

AVVISO: L'acido idrofluorico (HF) è un acido estremamente pericoloso e altamente corrosivo. Consultare le schede tecniche di sicurezza dei materiali (MSDS) per le sostanze chimiche utilizzate per sintetizzare gli MXenes prima dell'uso e implementare e seguire le misure di sicurezza appropriate. Adeguate attrezzature protettive personali (PPE) per la manipolazione HF comprende un cappotto da laboratorio, un grembino resistente agli acidi, scarpe a punta stretta, pantaloni lunghi, occhiali, scudo integrale, guanti nitrile e guanti resistenti HF in gomma butilo o gomma neoprene.

  1. Sintesi della fase MAX
    1. Sintetizzare Ti3AlC2 mediante fresatura a sfera TiC (2 m), Ti (44 m) e Al (44 m) polveri ad un rapporto molare (TiC:Ti:Al) di 2:1:1 per 18 h con palle di zirconia. Mettere le polveri in un crogiolo di allumina, riscaldare a 1.380 gradi centigradi (velocità di riscaldamento 5 gradi centigradi) e tenere per 2 h sotto l'argon. Dopo che le polveri sono state raffreddate, fresa il blocco MAX e setaccia attraverso un setaccio di 200 maglie (<74 -m di particelle).
      NOTA: È stato dimostrato che il precursore della fase Ti3AlC2 MAX utilizzato per sintetizzare gli MXenes ha implicazioni dirette sulle seguenti proprietà Ti3C2 MXene38. Il Ti3C2 utilizzato per fabbricare elettrodi neurali è stato inciso selettivamente da MAX preparato seguendo una procedura precedente26.
  2. Incisione: Rimozione dello strato Al in Ti3AlC2 in una soluzione etchant acida (Figura 1A)
    1. Preparare la soluzione di incisione selettiva in un contenitore di plastica da 125 mL aggiungendo prima 12 mL di acqua deionizzata (DI H2O) seguita dall'aggiunta di 24 mL di acido cloridrico (HCl). Indossando tutto il PPE HF appropriato, aggiungere 4 mL di HF al contenitore etchant. Eseguire l'incisione selettiva aggiungendo lentamente 2 g di fase Ti3AlC2 MAX al contenitore di reazione e mescolando con una barra magnetica Teflon per 24 h a 35 gradi centigradi a 400 giri/min.
  3. Lavaggio: Portare il materiale al pH neutro.
    1. Riempire due tubi di centrifuga da 175 mL con 100 mL di DI H2O. Dividere la miscela di reazione all'incisione in tubi di centrifugazione da 175 mL e lavare il materiale con una centricazione ripetuta a 3.500 giri/m (2.550 x g)per 5 min. Decant il supernatante acido in un contenitore di rifiuti pericolosi di plastica. Ripetere fino a raggiungere il pH 6.
  4. Intercalazione: Inserimento di molecole tra particella MXene multistrato e interazioni anti-piano(Figura 1B)
    1. Aggiungere 2 g di cloruro di litio (LiCl) a 100 mL di DI H2O e mescolare a 200 giri/m Mescolare 100 mL di LiCl/H2O con il sedimento Ti3C2/Ti3AlC2 e mescolare la reazione per 12 h a 25 .
  5. Delaminazione: Esfoliazione da particella multistrato di massa in ti3C2 MXene a livello singolo (Figura 1C)
    1. Lavare la reazione di intercalazione in tubi di centrifuga 175 mL per centrifugazione a 2.550 x g per 5 min. Decant il chiaro supernatante. Ripetere fino a trovare un supernatante scuro.
    2. Continuare a centrifugare per 1 h a 2.550 x g. Decant il super-gigante diluito-verde.
    3. Disperdere il sedimento gonfio con 150 mL di DI H2O. Trasferire supernatant a 50 mL di centrifugare e centrifugare a 2.550 x g per 10 min per separare MAX rimanente (sedimento) da MXene (supernatante).
      NOTA: La ridispersione del sedimento diventerà difficile e richiederà agitazione o agitazione manuale.
    4. Colleziona il pcome Ti3C2 MXene. Eseguire un'ulteriore selezione delle dimensioni e l'ottimizzazione della soluzione per isolare i fiocchi da single a pochi strati raccogliendo il supernatore seguendo una fase di centrifugazione a 2.550 x g per 1 h.
  6. Archiviazione della soluzione: creazione del pacchetto dell'inchiostro MXene per l'archiviazione a lungo termine(Figura 1D)
    1. Argon bolla le soluzioni per 30 minuti prima di imimballaggio in una fiala spaziale sigillata Argon (trasferimento tramite una siringa). Conservare le soluzioni ad alte concentrazioni (>5 mg/mL), lontano dalla luce solare e a basse temperature (5 gradi centigradi) per garantire la longevità.

2. Fabbricazione di Array di microelettrodi Ti3C2 MXene

NOTA: la procedura descritta in questa sezione è destinata all'uso all'interno di una struttura standard per le camere pulite universitarie, ad esempio il Singh Center for Nanotechnology dell'Università della Pennsylvania. Questa struttura, così come strutture simili, sono accessibili agli utenti esterni come parte del National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN) supportato dalla National Science Foundation (NSF). In queste strutture, molti degli strumenti, delle attrezzature e dei materiali descritti in questa sezione sono forniti insieme all'accesso alla struttura della camera pulita e non richiederebbero un acquisto separato.

AVVISO: Molte delle sostanze chimiche utilizzate nella fabbricazione di elettrodi MXene sono pericolose, tra cui fotoresist, sviluppatore RD6, remover PG, soluzione di incisione in alluminio e ossido tampolonato e incisione di ossido. Consultare MSDS per queste sostanze chimiche prima dell'uso e implementare e seguire le misure di sicurezza appropriate in ogni momento. Tutte le sostanze chimiche devono essere maneggiate in una cappa di fumi.

  1. Depositare uno strato inferiore spesso 4 m di parylene-C su un wafer Si pulito (vedi Figura 2A).
  2. Utilizzare la prima fotomaschera (maschera-1) per definire le interconnessioni metalliche dei dispositivi, nonché un anello metallico intorno al bordo del wafer per facilitare i passaggi di decollo successivi (Figura 2B).
    1. Cappotto di rotazione NR71-3000p sul wafer a 3.000 rpm per 40 s. Cuocere il wafer su un piatto caldo per 14,5 min a 95 gradi centigradi.
    2. Caricare il wafer e mask-1 in un aligner maschera. Posizionare il wafer in modo che l'anello sulla fotomaschera si sovrapponga a tutti i bordi del wafer.
    3. Esporre con i-line (lunghezza d'onda 365 nm) ad una dose di 90 mJ/cm2. Cuocere duro il wafer su un piatto caldo per 1 min a 115 gradi centigradi.
    4. Immergere il wafer nello sviluppatore RD6 per 2 min, agitando continuamente la soluzione. Risciacquare accuratamente con DI H2O e soffiare a secco con una pistola N2.
    5. Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare 10 nm Ti, seguito da 100 nm Au sul wafer.
      NOTA: I parametri di deposizione tipici sono una pressione di base di 5 x 10-7 Torr e una velocità di 2 s/s.
    6. Immergere il wafer in remover PG per 10 min fino a quando il fotoresist si è dissolto e il metallo in eccesso si è completamente sollevato, lasciando Ti/Au solo nelle tracce di interconnessione desiderate e l'anello intorno al bordo del wafer. Una volta che il decollo appare completo, sonicare per 30 s per rimuovere eventuali tracce rimanenti di metallo indesiderato. Risciacquare il wafer prima in soluzione di rimozione pulita PG, quindi risciacquare accuratamente in DI H2O e asciugare il wafer con una pistola N2.
  3. Depositare lo strato di parilne-C sacrificale (Figura 2C).
    1. Esporre il wafer a O2 plasma per 30 s per rendere il sottostante parilne-C strato idrofilo. Spin coat 2% soluzione di pulizia (ad esempio, Micro-90) in DI H2O sul wafer a 1.000 rpm per 30 s. Lasciare asciugare il wafer ad asciugare all'aria per almeno 5 min.
      NOTA: La soluzione di sapone diluito agisce come un anti-adesivo, permettendo allo strato di parilne-C sacrificale di essere sbucciato più avanti nel processo.
    2. Depositare 3 m di parilinea-C sul wafer.
  4. Utilizzare la seconda fotomaschera (maschera-2) per definire i motivi MXene e un anello intorno al bordo del wafer (Figura 2D).
    1. Ripetete i passaggi da 2.2.1 a 2.2.4, questa volta usando la maschera-2 e allineando attentamente i segni di allineamento tra il wafer e la maschera fotografica prima dell'esposizione.
    2. Utilizzare O2 incisione glioni reattiva al plasma (RIE) per incidere attraverso lo strato di parilne-C sacrificale nelle aree non coperte dal fotoresist per definire gli elettrodi e le tracce MXene, che dovrebbero parzialmente sovrapporsi alle interconnessioni Ti/Au, così come l'anello intorno ai bordi del wafer. Confermare l'incisione completa dello strato parylene-C sacrificale utilizzando un profilometro per misurare il profilo tra le interconnessioni Ti/Au esposte e lo strato inferiore di pariline-C.
      NOTA: Una volta completata l'incisione, il profilo sulla superficie metallica esposta sarà liscio, mentre lo strato di parilne-C inferiore sarà ruvido e parzialmente inciso. Questa fase di incisione dovrebbe essere completata in un sistema RIE planare, non in un barile, e i tempi e i parametri di incisione dipenderanno fortemente dal sistema RIE.
  5. Ruotare la soluzione MXene sul wafer (Figura 2E).
    1. Pipette MXene soluzione su ciascuno dei modelli MXene desiderati, quindi girare il wafer a 1.000 rpm per 40 s. Asciugare il wafer su una piastra calda 120 C per 10 min per rimuovere l'acqua residua dalla pellicola MXene.
  6. Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare 50 nm SiO2 sul wafer, per agire come strato protettivo sopra i modelli Di MXene per le successive fasi di lavorazione.
    NOTA: I parametri di deposizione tipici sono una pressione di base di 5 x 10-7 Torr e una velocità di 2 s/s.
  7. Rimuovere il livello del parilne-C sacrificale per eseguire il modello dei livelli MXene e SiO2 (Figura 2F).
    1. Applicare una piccola goccia di DI H2O sul bordo del wafer e utilizzare una pinzetta per sbucciare lo strato di parilne-C sacrificale, iniziando dove i suoi bordi sono definiti nell'anello intorno all'esterno del wafer.
      NOTA: L'acqua si combinerà con i residui di sapone sotto lo strato di parilne-C sacrificale per consentire questo decollo.
    2. Risciacquare accuratamente il wafer in DI H2O per rimuovere i residui della soluzione di pulizia rimanenti. Asciugare il wafer con un cannone N2, quindi posizionare su una piastra calda a 120 gradi per 1 h per rimuovere l'acqua residua dalle pellicole MXene a motivi geometrici.
  8. Depositare lo strato superiore spesso 4 m di parilene-C (Figura 2G).
  9. Utilizzare la terza fotomaschera (maschera-3) per definire il contorno del dispositivo e le aperture sugli elettrodi e sui cuscinetti di incollaggio Au (VIA) (Figura 2H).
    1. Ripetete i passaggi da 2,2,1 a 2,2,4, questa volta usando la maschera-3 e allineando attentamente i segni di allineamento tra il wafer e la maschera fotografica prima dell'esposizione.
    2. Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare 100 nm Al sul wafer.
      NOTA: I parametri di deposizione tipici sono una pressione di base di 5 x 10-7 Torr e una velocità di 2 s/s.
    3. Immergere il wafer in remover PG per 10 min fino a quando il metallo si è completamente sollevato, lasciando Al coprendo i dispositivi con aperture per gli elettrodi e le pastiglie di incollaggio. Quando il decollo è completo, sonicare per 30 s per rimuovere eventuali tracce rimanenti di metallo indesiderato. Risciacquare il wafer prima in soluzione di rimozione pulita PG, quindi risciacquare accuratamente in DI H2O e asciugare il wafer con una pistola N2.
  10. Incidere il parylene-C per delineare il contorno del dispositivo e le aperture sopra gli elettrodi e Au bonding pad (VIA) (Figura 2I). Utilizzare O2 plasma RIE per incidere attraverso gli strati parilina-C che circondano i dispositivi, e attraverso lo strato di parylene-C superiore che copre sia i contatti degli elettrodi MXene e le pastiglie di incollaggio Au.
    NOTA: l'incisione è completa quando sul wafer tra i dispositivi non rimane alcun residuo di parylene-C. Lo strato SiO2 che copre il MXene fungerà da strato di etch-stop, impedendo al plasma O2 di incidere o danneggiare i contatti degli elettrodi MXene.
  11. Incidere lo strato Al che copre i dispositivi utilizzando un'incisione chimica bagnata in Al etchant tipo A a 50 gradi centigradi sia per 10 min, o per 1 min passato quando tutte le tracce visive di Al sono scomparse, a seconda di quale viene prima. Incidere il SiO2 che copre gli elettrodi MXene utilizzando un'incisione chimica bagnata in 6:1 ossido tamponato etchant (BOE) per 30 s (Figura 2J).
    NOTA: gli array di microelettrodi MXene sono ora completi.
  12. Rilasciare i dispositivi dal wafer del substrato Si posizionando una piccolagocciadi DI H2O sul bordo di un dispositivo e sbucciando delicatamente il dispositivo come l'acqua è malvagia sotto di esso da azione capillare ( Figura 2K e Figura 3).

3. Costruzione e interfacciamento dell'adattatore

NOTA: A questo punto, gli array di microelettrodi a film sottile devono essere interfacciati con un adattatore per connettersi al sistema di registrazione elettrofisiologico. Il controller di stimolazione/registrazione 128ch con la testata stim/record RHS2000 a 16-ch (Tabella dei materiali) utilizzata in questo protocollo richiede l'input tramite un connettore compatibile con il connettore a 18 pin A79039-001. In questa sezione viene utilizzata una scheda a circuito stampato (PCB, Figura 4A) con un connettore a forza di inserimento zero per l'interfacciamento con i cuscinetti di incollaggio Au sull'array di microelettrodi e il connettore A79040-001 per l'interfacciamento con la fase di registrazione del sistema di registrazione. A seconda del sistema di acquisizione dei dati, è possibile utilizzare diversi connettori sul PCB per consentire l'interfacciamento con il headstage elettrofisiologia.

  1. Solder the Omnetics and sIF connectors to the PCB by applying a thin a thin a thin a bit of solder paste to each of the contact pads on the PCB, placing the parts in their appropriate locations, and heating on a hot plate until the saldando reflows to form connections (Figure 4B).
    NOTA: la saldatura di riflusso può essere eseguita molto facilmente su una piastra calda o in un forno tostapane e non richiede l'uso di un forno di riflusso costoso.
  2. Applicare due strati di nastro di poliimide (Table of Materials) sul lato posteriore della regione Au bonding pad dell'array di microelettrodi MXene per dare al dispositivo uno spessore sufficiente per essere fissato nel connettore .IF. Dopo aver applicato il nastro, tagliare l'eccesso oltre i bordi del dispositivo parylene-C utilizzando una lama di rasoio o forbici di precisione (Figura 4C).
  3. In un ambito di ispezione o utilizzando le lente di ingrandimento, allineare l'array di microelettrodi MXene nel connettore .IF in modo che le pastiglie di incollaggio Au si allineino ai perni all'interno del connettore , quindi chiudano lo zIF per formare una connessione sicura (Figura 4D,E).
    NOTA: Il connettore di accesso a 18 canali è un connettore a 18 canali, mentre il dispositivo utilizzato qui ha 16 canali. I canali extra non contattati sono facilmente identificabili come un circuito aperto impedindo test durante le sessioni di registrazione.
  4. Testare l'impementazione elettrochimica degli elettrodi MXene utilizzando un potentiostat per garantire la fabbricazione e la connessione corretta all'adattatore PCB.
    NOTA: nella sezione discussione vengono forniti valori ragionevoli per facilitare la risoluzione dei problemi.

4. Impianto acuto e registrazione neurale

NOTA: Gli interventi chirurgici sui ratti Maschi Adulti Sprague Dawley vengono eseguiti utilizzando strumenti sterili e con tecnica asettica. La frequenza respiratoria, il riflesso palpebrale e il riflesso del pizzico del pedale vengono controllati ogni 10 min per monitorare la profondità dell'anestesia. La temperatura corporea viene mantenuta con una piastra di riscaldamento.

  1. Somministrare l'analgesia preventiva (iniezione sottocutanea di rilascio sostenuto di buprenorphine [SR], 1,2 mg/kg).
  2. Somministrare l'anestesia (iniezione intraperitoneale di una miscela di 60 mg/kg di ketamina e 0,25 mg/kg dexmedetomidina).
  3. Confermare il giusto livello di anestesia ogni 10 min durante l'esperimento controllando l'assenza di riflessi di pizzico e pizzico del pedale.
  4. Ratto sicuro nel telaio stereotassico, applicare lubrificante oculare agli occhi, e pulire il cuoio capelluto rasato con 10% povidone-iodio.
  5. Esporre la calvaria con singola incisione del cuoio capelluto della linea mediana e dissezione smussata del tessuto sottostante.
  6. Mettere una vite 00-90 nel cranio per servire come terreno per le registrazioni.
  7. Utilizzando un trapano dentale con una piccola bava, fare una craniotomia al sito di registrazione corticale desiderato.
  8. Fissare il connettore dell'array a un manipolatore stereotassico e posizionare il dispositivo sopra la craniotomia. Abbassare delicatamente fino a quando l'intera matrice è in contatto con la corteccia esposta.
  9. Avvolgere il filo di terra intorno alla vite del cranio.
  10. Collegare la fase headstage del sistema di registrazione all'array e iniziare a registrare attività spontanea.

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Risultati

I dati di esempio micro-ECoG registrati su una matrice di microelettrodi MXene sono illustrati nella Figura 5. Dopo l'applicazione dell'array di elettrodi sulla corteccia, chiari segnali fisiologici sono stati immediatamente evidenti sugli elettrodi di registrazione, con circa 1 mV segnali di ampiezza ECoG che appaiono su tutti gli elettrodi MXene. Gli spettri di potenza di questi segnali confermarono la presenza di due ritmi cerebrali comunemente osservati nei ratti sotto anestesia ketamina...

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Discussione

La procedura di sintesi e delaminazione MXene descritta in questo protocollo (HF/HCl/LiCl) è stata costruita dall'approccio di incisione MILD che impiegava un mezzo di incisione LiF/HCl (in situ HF)26. L'approccio MILD permette di devastare spontaneamente grandifiocchi di Ti3C (diversi m di dimensione laterale) durante il lavaggio, una volta raggiunto il pH 5/6. Rispetto all'incisione con la sola HF, questo si traduce in materiale con una qualità superiore e migliori propriet...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto dai National Institutes of Health (grant no. R21-NS106434), il Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, la Mirowski Family Foundation e Neil e Barbara Smit (F.V.); il National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (grant no. DGE-1845298 a N.D. e B.M.); l'Ufficio di ricerca dell'esercito (numero di accordo cooperativo W911NF-18-2-0026 a K.M.); e dall'esercito degli Stati Uniti tramite il Programma di Iniziativa Scientifica di Superficie presso il Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Progetto VR9 a Y.G. e K.M.). Questo lavoro è stato svolto in parte presso il Singh Center for Nanotechnology, che è supportato dal National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
00-90 viteMcMaster-Carr90910A630Vite del cranio attorno alla quale è avvolto il filo di terra
Controller di stimolazione/registrazione a 128 canaliIntan TechnologiesUn componente del sistema di registrazione neurale.
Provette da centrifuga coniche in polipropilene (PP) da 175 mLFalconREF: 352076Utilizzato per il lavaggio
di connettori ZIF a 18 posizioni con passo da 0,5 mmMolex505110-1892Utilizzato per interfacciare l'array flessibile di microelettrodi in parylene con la scheda adattatore PCB.
Connettore nanominiaturizzato maschio a doppia fila a 18 posizioni (.025"/.64mm)Omnetics Connector CorporationA79008-001Utilizzato per interfacciare la scheda adattatore PCB all'headstage di registrazione.
Set di plastica monouso da 3 ml Pipette graduate per il trasferimento RienarRienar-3ML-20PCSUtilizzato per il trasferimento di soluzioni mordenzanti o MXene
50 ml di provetta da centrifuga conciale in polipropilene (PP)FalconREF: 352070Utilizzato per il lavaggio e la selezione delle dimensioni
Mordenzante Al Tipo ATransene060-0026000-QTPer la rimozione dello strato di maschera Al etch dopo l'incisione finale Parylene-C.
Polvere di alluminio, -325 mesh, 99,5% (base metallica), granulometria < 44 & micro; mAlfa AesarCAS: 7429-90-5Utilizzato per la sintesi MAX
Software AutoCADAutodesk Inc.Software di progettazione per il disegno di fotomaschere. Le alternative gratuite includono DraftSight e LayoutEditor.
Mordenzante all'ossido tamponato 6:1JT Baker1178-03Per la rimozione dello strato di SiO2 per esporre i contatti dell'elettrodo MXene alla fine della procedura di fabbricazione.
Buprenorfina SRWildlife PharmaceuticalsAnalgesia per la chirurgia dei ratti
CentrifugaHermleBenchmark Z 446Utilizzato per il lavaggio e la selezione delle dimensioni
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3Anestesia per la chirurgia dei ratti
Fresa per trapanoStrumenti di scienza fine19007-07Frese per trapano
Trapano elettricoForedomK.1070Trapano a micromotore per craniotomie
Evaporatore a fascio di elettroniKurt J. Lesker CompanyUtilizzato per evaporare Ti, Au e SiO2 durante la fabbricazione. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento o di uno strumento simile.
Filo di terraA-M Systems781500Filo d'argento nudo
Spazio di testa Fiala, vetroSupelcoREF: 27298Utilizzato per la conservazione di soluzioni MXene
Acido cloridrico (12.1N)Fisher ScientificCAS: 7647-01-0Corrosivo; materiale mordenzante
Acido fluoridrico, (soluzione al 48-51% in H2O)AcrosCAS: 7664-39-3Materiale mordenzante
Jupiter II Sistema RIEMarch Plasma Systems Inc.Sistema di incisione planare RIE utilizzato per incidere il Parylene-C utilizzando plasma O2. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di un sistema di incisione RIE planare comparabile.
Nastro in poliimmide standard Kapton, 1/4"DuPontUtilizzato per aggiungere spessore alla regione del tampone di incollaggio Au dell'array flessibile di microelettrodi in parylene per l'inserimento nel connettore ZIF.
Ospedale per ketaminadell'Univ. di Penn.Anestesia per chirurgia dei ratti
KLA P-7 Stilo ProfilometroKLA CorporationHa utilizzato i profili 2D di misurazione per confermare l'incisione completa attraverso lo strato sacrificale di parylene-C nel passaggio 2.4.2. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento di profilometro a stilo o di uno strumento comparabile.
Cloruro di litio, 99% per analisi, anidroAcrosCAS: 7447-41-8Igroscopico; materiale di delaminazione
Allineatore maschera MA6Karl Suss Microtec AGUtilizzato per allineare ogni fotomaschera al modello sul wafer ed esporre il wafer ai raggi UV. La maggior parte delle camere bianche universitarie dispone di questo strumento o di uno strumento simile.
Soluzione detergente Micro-90International Products CorporationM-9050-12Utilizzato come strato antiadesivo per consentire la rimozione dello strato sacrificale di Parylene-C per modellare il fotoresist MXene
NR71-3000pFuturrex Inc.NR71-3000pFotoresist negativo utilizzato per definire tracce Ti/Au e pattern MXene nei dispositivi.
Unguento oftalmicoMidwest Veterinary Supply193.63200.3Per prevenire l'essiccazione corneale durante l'intervento chirurgico
Sistema di deposizione di paryleneSistemi di rivestimentoUtilizzato per evaporare sottili film conformi di Parylene-C Sistema di
rivestimento specialedimero Parylene-C980130-c-01lbePolimero flessibile utilizzato come strati di passivazione inferiore e superiore per i dispositivi
MXene flessibilinostre fotomaschere sono state prodotte nella camera bianca dell'Università utilizzando un sistema di scrittura laser Heidelberg DWL66+, tuttavia diversi fornitori producono fotomaschere dai file di progettazione forniti.
Soluzione di iodio povidoneMedlineMDS093901Per aiutare a prevenire l'infezione intorno all'incisione del cuoio capelluto
Circuito stampato (PCB)CircuitiUtilizzato per interfacciarsi tra l'array di elettrodi MXene e l'elettronica di misurazione come il potenziostato e il sistema di registrazione Intan. Advanced Circuits e altri fornitori producono e assemblano PCB in base ai file di progettazione forniti.
RD6 SviluppatoreFuturrex Inc.Sviluppatore RD6Utilizzato per sviluppare il fotoresist negativo NR71-3000p dopo l'esposizione ai raggi UV
Potenziostato di riferimento 600Strumenti Gamry Utilizzatoper misurare l'impedenza degli elettrodi per valutare la qualità dei dispositivi
Remover PGMicroChem Corp.G050200Utilizzato per rimuovere NR71-3000p dopo la deposizione di metallo per eseguire il patterning di sollevamento
RHS2000 cavo di interfaccia Stim SPIIntan TechnologiesUn componente del sistema di registrazione neurale.
Scheda amplificatore RHS2116Intan TechnologiesUn componente del sistema di registrazione neurale.
Si waferWafer World2885Substrato per la fabbricazione
Spin CoaterAttrezzaturaPer il rivestimento di wafer con resist e l'applicazione degli strati Micro-90 e MXene. La maggior parte delle camere bianche universitarie è dotata di centrifughe.
Telaio stereotassicoKopf InstrumentsModello 902Per il posizionamento del ratto per la neurochirurgia
Agitatore magnetico rivestito in teflonCorningREF: 1233W95Utilizzato per agitare durante l'incisione e l'intercalazione
Carburo di titanio, 99,5% (base metallica), dimensione delle particelle ~2 &; mAlfa AesarCAS: 12070-08-5Utilizzato per la sintesi MAX
Polvere di titanio, -325 mesh, 99% (base metallica), dimensione delle particelle < 44µ mAlfa AesarCAS: 7440-32-6Utilizzato per la sintesi MAX
Sonicatore a bagno ad ultrasuoniReynolds TechPer la rimozione di particelle metalliche e fotoresist durante i processi di sollevamento per modellare i metalli.
Spettrofotometro UV visThermoScientificEvolution 201Utilizzato per determinare la concentrazione e osservare il picco di assorbimento
Zetasizer, Analisi granulometricaMalvern PanalyticalNano ZSUtilizzato per determinare la distribuzione granulometrica laterale delle particelle
speciali per Le avanzati economica

Riferimenti

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