Summary
Her beskriver vi fabrikationsmetode til tilpasselige kulfiberelektrodearrays til optagelse in vivo i nerve og hjerne.
Abstract
Konventionelle perifere nervesonder fremstilles primært i et renrum, hvilket kræver brug af flere dyre og højt specialiserede værktøjer. Dette papir præsenterer en renrum "lys" fabrikationsproces af kulfiber neurale elektrodearrays, der hurtigt kan læres af en uerfaren renrumsbruger. Denne kulfiberelektrodearrayfremstillingsproces kræver kun et renrumsværktøj, en Parylen C-aflejringsmaskine, der hurtigt kan læres eller outsources til et kommercielt forarbejdningsanlæg til marginale omkostninger. Denne fremstillingsproces inkluderer også håndudfyldning af printkort, isolering, og optimering af spidser.
De tre forskellige spidsoptimeringer, der udforskes her (Nd: YAG-laser, blæselampe og UV-laser), resulterer i en række spidsgeometrier og 1 kHz-impedanser, hvor blæseforvlede fibre resulterer i den laveste impedans. Mens tidligere eksperimenter har bevist laser- og blæselampelektrodeeffektivitet, viser dette papir også, at UV-laserskårne fibre kan optage neurale signaler in vivo. Eksisterende kulfiberarrays har enten ikke individuerede elektroder til fordel for bundter eller kræver renrumsfremstillede guider til befolkning og isolering. De foreslåede arrays bruger kun værktøjer, der kan bruges på en bordplade til fiberpopulation. Denne kulfiberelektrode array fremstillingsproces giver mulighed for hurtig tilpasning af bulk array fabrikation til en reduceret pris sammenlignet med kommercielt tilgængelige sonder.
Introduction
Meget af neurovidenskabsforskningen er afhængig af optagelse af neurale signaler ved hjælp af elektrofysiologi (ePhys). Disse neurale signaler er afgørende for at forstå funktionerne i neurale netværk og nye medicinske behandlinger såsom hjernemaskine og perifere nervegrænseflader1,2,3,4,5,6. Forskning omkring perifere nerver kræver specialfremstillede eller kommercielt tilgængelige neurale optagelseselektroder. Neurale optagelseselektroder - unikke værktøjer med mikronskala dimensioner og skrøbelige materialer - kræver et specialiseret sæt færdigheder og udstyr til fremstilling. En række specialiserede sonder er blevet udviklet til specifikke slutanvendelser; Dette indebærer imidlertid, at eksperimenter skal designes omkring aktuelt tilgængelige kommercielle sonder, eller et laboratorium skal investere i udviklingen af en specialiseret sonde, som er en langvarig proces. På grund af den brede vifte af neurale undersøgelser i perifer nerve er der stor efterspørgsel efter en alsidig ePhys-sonde4,7,8. En ideel ePhys-sonde ville have et lille optagelsessted, lav impedans9 og et økonomisk realistisk prispunkt for implementering i et system3.
Nuværende kommercielle elektroder har tendens til enten at være ekstraneurale eller manchetelektroder (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), som sidder uden for nerven eller intrafascikulære, som trænger ind i nerven og sidder inden for fascikel af interesse. Men da manchetelektroder sidder længere væk fra fibrene, opfanger de mere støj fra nærliggende muskler og andre fasciker, der måske ikke er målet. Disse sonder har også en tendens til at indsnævre nerven, hvilket kan føre til biofouling - en opbygning af gliaceller og arvæv - ved elektrodegrænsefladen, mens vævet heler. Intrafascikulære elektroder (såsom LIFE12, TIME13 og Utah Arrays14) tilføjer fordelen ved fascicle selektivitet og har gode signal-støj-forhold, hvilket er vigtigt for at diskriminere signaler til maskininterfaktion. Disse sonder har dog problemer med biokompatibilitet, hvor nerverne bliver deformeret over tid3,15,16. Når de købes kommercielt, har begge disse sonder statiske designs uden mulighed for eksperimentspecifik tilpasning og er dyre for nyere laboratorier.
Som reaktion på de høje omkostninger og biokompatibilitetsproblemer, der præsenteres af andre sonder, kan kulfiberelektroder tilbyde en vej for neurovidenskabslaboratorier til at bygge deres egne sonder uden behov for specialudstyr. Kulfibre er et alternativt optagelsesmateriale med en lille formfaktor, der muliggør indsættelse af lav skade. Kulfibre giver bedre biokompatibilitet og betydeligt lavere arrespons end silicium17,18,19 uden den intensive renrumsbehandling5,13,14. Kulfibre er fleksible, holdbare, let integrerede med andre biomaterialer19 og kan trænge igennem og optage fra nerve7,20. På trods af de mange fordele ved kulfibre finder mange laboratorier den manuelle fremstilling af disse arrays vanskelig. Nogle grupper21 kombinerer kulfibre i bundter, der tilsammen resulterer i en større (~ 200 μm) diameter; men så vidt vi ved, er disse bundter ikke blevet verificeret i nerve. Andre har fremstillet individuerede kulfiberelektrodearrays, selvom deres metoder kræver renrumsfremstillede kulfiberguider22,23,24 og udstyr til at udfylde deres arrays17,23,24. For at løse dette foreslår vi en metode til fremstilling af et kulfiberarray, der kan udføres på laboratoriebænken, der giver mulighed for improviserede ændringer. Det resulterende array opretholder individuelle elektrodespidser uden specialiserede fiberudfyldningsværktøjer. Derudover præsenteres flere geometrier for at matche forskningseksperimentets behov. Dette papir bygger på tidligere arbejde8,17,22,25 og indeholder detaljerede metoder til at opbygge og ændre flere stilarter af arrays manuelt med minimal renrumstræningstid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle dyreforsøg blev godkendt af University of Michigan Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Valg af kulfiberarray
- Vælg et printkort (PCB) fra et af de tre designs, der er vist i figur 1.
BEMÆRK: For denne protokol vil Flex Arrays være i fokus.- Se PCB-design på Chestek Lab-webstedet (https://chestekresearch.engin.umich.edu), gratis og klar til at blive sendt til og bestilt til udskrivning via et PCB-trykkeri.
- Se tabel 1 for en oversigt over connectorer for hvert kort og deres specifikationer for at hjælpe med at vælge den connector, der skal fungere for den specifikke eksperimentelle opsætning.
2. Lodning af stikket til printkortet
- Indstil et loddejern til 315 °C (600 °F).
- Påfør flux på alle loddepuder på printkortet.
BEMÆRK: Flux i et rør kan presses over puderne, mens flux i en gryde kan påføres med trædenden af en bomuldstippet applikator ved at smøre fluxen over alle puder liberalt. - Form små høje af lodde på flexarrayets bagpuder (figur 2A).
- Lodde den nederste række af stikstifter til den bageste række af loddepuder (figur 2B).
BEMÆRK: Alle kortdesign, der leveres af Chestek-laboratoriet, blev designet, så stikkene ville parre nøjagtigt med deres udpegede kort.- For at gøre dette skal du lodde stifterne på hver side af stikket med nem adgang til loddehøjene. Når den er fastgjort, skal du forsigtigt skubbe loddejernspidsen mellem de forreste stifter for at lodde de resterende forbindelser bagpå.
BEMÆRK: Når den bageste række af stifter er sikret, vil resten af stikket flugte med hver stift over den tildelte loddepude.
- For at gøre dette skal du lodde stifterne på hver side af stikket med nem adgang til loddehøjene. Når den er fastgjort, skal du forsigtigt skubbe loddejernspidsen mellem de forreste stifter for at lodde de resterende forbindelser bagpå.
- Lodde den forreste række af stifter på brættet ved at påføre en lille mængde lodde på hver stift. Påfør et ekstra lag flux, hvis lodning ikke sker hurtigt.
- Rens overskydende flux væk med 100% isopropylalkohol (IPA) og en kort børste.
- Indkapsle de loddede forbindelser i forsinket sæt epoxy (figur 2 C,D) ved hjælp af en 23 G nål og 1 ml sprøjte placeret skrå side nedad på stifterne. Skub epoxy langsomt gennem sprøjten, så den strømmer ind i og langs forbindelserne.
- Lad brættet stå natten over, så den forsinkede sæt epoxy kan hærde.
BEMÆRK: Mens produktindsatsen til det forsinkede sæt epoxy angiver, at det hærder på 30 minutter, giver det en mere stabil forbindelse at danne sig natten over.
- Lad brættet stå natten over, så den forsinkede sæt epoxy kan hærde.
- Fastgør bagsiden af brættet til siderne af stikket ved at lægge en lille linje med forsinket sætepoxy over bagsiden af brættet og trække det på kanterne af stikket.
- Lad brættet helbrede natten over igen.
BEMÆRK: På dette tidspunkt skal du enten gemme arrays eller fortsætte buildet. Hvis du holder pause i bygningen, skal du opbevare arrays i en ren, tør kasse ved stuetemperatur.
- Lad brættet helbrede natten over igen.
3. Fiberpopulation
- Skær en trukket glaskapillær, så dens spids passer mellem sporene af arrayet (figur 3A).
- Brug en glastrækger og glødetråd til at fremstille kapillærer ved hjælp af følgende indstillinger: Varme = 900, Træk = 70, Hastighed = 35, Tid = 200, Tryk = 900.
BEMÆRK: Numrene er enhedsløse og specifikke for denne enhed (se tabellen over materialer).
- Brug en glastrækger og glødetråd til at fremstille kapillærer ved hjælp af følgende indstillinger: Varme = 900, Træk = 70, Hastighed = 35, Tid = 200, Tryk = 900.
- Brug trædenderne af to bomuldstippede applikatorer (en pr. Hver del af sølvepoxy) til at øse et lille, ~ 1: 1 forhold mellem sølvepoxy i en plastikskål og bland ved hjælp af de samme pinde, der bruges til at øse. Kassér applikatorerne efter blanding.
- Skær 2-4 mm af enden af kulfiberbundtet på et stykke printerpapir ved hjælp af et barberblad. For let at adskille fibrene i bundtet, som er vanskelige at drille fra hinanden, skal du trække et lamineret stykke papir forsigtigt over toppen af bundtet.
BEMÆRK: Det laminerede stykke papir overfører statisk ind i fibrene, som adskilles af sig selv. - Påfør sølvepoxy mellem hvert andet par spor på den ene side af brættet med glaskapillæren (figur 3B).
- Tag en lille dråbe epoxy på enden af en trukket kapillær. Påfør forsigtigt mellem hvert andet spor på enden af brættet og udfyld hullet.
BEMÆRK: Hullet skal udfyldes til toppen af de to spor uden at løbe over for at røre ved nabospor. Hvert spor er forbundet til en kanal. Denne metode til epoxypopulation betyder, at hver fiber vil have to kanaler forbundet til den. Dette skyldes, at to spor giver mulighed for bedre fiberjustering, og redundans i kanalen hjælper med at sikre elektrisk forbindelse.
- Tag en lille dråbe epoxy på enden af en trukket kapillær. Påfør forsigtigt mellem hvert andet spor på enden af brættet og udfyld hullet.
- Brug teflonbelagt pincet til at placere en kulfiber i hvert epoxyspor (figur 3C).
- Brug en ren trukket kapillær til at justere kulfibrene, så de er vinkelret på enden af Flex Array-kortet og begravet under epoxyen (figur 3D).
- Placer arrays på en træblok med fiberede ender, der hænger over kanten af blokken.
BEMÆRK: Vægten af bagenden holder arrayet på blokken. - Bag træblokken og arrays ved 140 ° C i 20 minutter for at helbrede sølvepoxyen og låse fibrene på plads.
- Gentag trin 3.4-3.8 for den anden side af brættet.
BEMÆRK: Arrays kan opbevares efter ethvert bagetrin; statisk fra opbevaringskasserne kan dog få fibrene til at trække sig væk fra brættet, hvis der blev påført for lidt sølvepoxy, når brættet blev udfyldt.- Opret en hævet klæbende platform i en kasse, så størstedelen af brættet kan sidde fast på klæbemidlet, så de fiberede ender af brættet kan suspenderes i kassen for at forhindre fiberbrud. Opbevares ved stuetemperatur.
BEMÆRK: Hvis fibre trækker sig væk fra brættet under opbevaring, skal du skrabe epoxyen ud af sporene med en ren trukket glaskapillær og gentage trin 3.1-3.8 for at udskifte fibrene. Fra dette tidspunkt skal arrays opbevares med fibrene suspenderet på denne måde for at forhindre fiberbrud.
- Opret en hævet klæbende platform i en kasse, så størstedelen af brættet kan sidde fast på klæbemidlet, så de fiberede ender af brættet kan suspenderes i kassen for at forhindre fiberbrud. Opbevares ved stuetemperatur.
4. Påføring af ultraviolet (UV) epoxy for at isolere kulfibrene
- Brug en ren kapillær og påfør en lille dråbe (~ 0,5 mm i diameter af UV-epoxy på de udsatte spor på den ene side af brættet (figur 4A). Fortsæt med at tilføje UV-epoxydråber, indtil sporene er helt dækket.
BEMÆRK: Lad ikke UV-epoxyen komme på kulfibrene forbi enden af printkortet for at sikre en jævn indsættelse senere. - Hærd UV-epoxyen under et UV-pennelys i 2 minutter (figur 4B).
- Gentag trin 4.1-4.2 for den anden side af brættet.
- Skær fibrene til 1 mm ved hjælp af en stereoskopretikel og kirurgisk saks.
BEMÆRK: Arrays kan gemmes på dette tidspunkt, indtil de er klar til at fortsætte til de næste trin. De skal opbevares i en kasse, der hæver kulfibrene væk fra selve kassen. Arrays kan opbevares ved stuetemperatur på ubestemt tid.
5. Kontrol af elektriske forbindelser med 1 kHz impedansscanninger (figur 5)
- Sænk kulfibre 1 mm i 1x fosfatbufret saltvand (PBS).
- For at fuldføre kredsløbet skal du bruge et sølv-sølvchlorid (Ag| AgCl) referenceelektrode og en stang i rustfrit stål (modelektrode).
- Brug en bægerklemme til at suspendere Ag| AgCl-elektroden i 1x PBS og tilslut den til referencen til det anvendte impedanssystem.
- Brug en bægerglasklemme til at suspendere stangen i rustfrit stål i 1x PBS og tilslutte til modelektrodeindgangen i det anvendte impedanssystem.
- Kør en 1 kHz impedansscanning for hver fiber ved hjælp af en potentiostat indstillet til en 1 kHz scanningsfrekvens ved 0,01 Vrms i en enkelt sinusbølgeform. Indstil potentiostaten til 0 V i begyndelsen af hver scanning i 5 s for at stabilisere det optagede signal. Registrer målingerne via den potentiostat-associerede software.
BEMÆRK: Målinger kan foretages på ethvert tidspunkt i bygningen; de er dog kun nødvendige før isolering og under spidsforberedelse. Tabel 2 viser typiske intervaller af impedanser efter hvert buildtrin ved 1 kHz til brugerens reference. - Skyl fibrene i deioniseret (DI) vand ved at dyppe dem i et lille bægerglas tre gange og lad dem tørre ved stuetemperatur.
BEMÆRK: Arrays kan efterlades på lager, indtil brugeren kan fortsætte til næste trin.
6. Parylen C-isolering
BEMÆRK: Parylen C blev valgt som isoleringsmateriale til kulfibrene, da det kan deponeres ved stuetemperatur over partier af arrays og giver en meget konform belægning.
- Masker Flex Array-stikket ved hjælp af parringsstikket.
- Placer et parti på 8-12 arrays i en opbevaringsboks med en hævet klæbende platform, så de kan isoleres i et løb. Placer arrays, så stikenden af arrayet er på klæbeplatformen med den fiberede ende af arrayet overhængende (figur 6) for at forhindre, at fibrene klæber til klæbemidlet og trækker af og for at sikre en ensartet parylenbelægning på fibrene.
- Belæg arrays i et Parylen C-aflejringssystem til en tykkelse på 800 nm i et renrum iført passende personlige værnemidler (PPE) som defineret af det individuelle renrum, der anvendes.
BEMÆRK: Her blev værnemidler defineret som renrumssko, dragt, hovedbeklædning, beskyttelsesbriller, maske og latexhandsker. Det skal bemærkes, at dette er standard PPE til at komme ind i et renrum. Dette trin kan outsources til et Parylenbelægningsfirma mod et gebyr; dog kan en kommerciel tjeneste muligvis belægge flere arrays ad gangen. Hvert Parylen C-aflejringssystem kan have forskellige sikkerhedsforanstaltninger. Kontakt teknikeren før brug for at sikre brugerens sikkerhed. - Fjern parringsstikket, der bruges som maske, fra Flex Array.
- Anbring arrays i en ny kasse til opbevaring, indtil de er klar til brug.
7. Tip forberedelsesmetoder
BEMÆRK: To spidspræparater i dette afsnit bruger lasere til at skære fibre. Korrekte personlige værnemidler, såsom beskyttelsesbriller, der er modstandsdygtige over for de anvendte bølgelængder, skal altid bæres, når laseren bruges, og andre laboratoriebrugere i nærheden af laseren skal også være i PPE. Selvom fiberlængder, der er anført i disse trin, anbefales længder, kan brugerne prøve enhver længde, der passer til deres behov. Brugeren skal vælge en af følgende tipforberedelsesmetoder, da sakseskæring alene ikke er tilstrækkelig til at eksponere elektroden igen25.
- Neodym-doteret yttrium aluminium granat (Nd: YAG) laserskæring
- Skær fibrene til 550 μm med kirurgisk saks.
- Brug en 532nm Nd: YAG pulserende laser (5 mJ / puls, 5 ns varighed, 900 mW) til at skære 50 μm af spidsen af fibrene for at genudsæt kulstoffet under Parylen C (tager normalt 2-3 impulser).
- Juster fiberspidserne ved hjælp af det indbyggede stereoskop, der følger med dette lasersystem.
BEMÆRK: Dette system giver brugeren mulighed for at justere et vindue (her 50 μm x 20 μm (højde x bredde)) blev brugt til at omfatte enden af fiberen. - Fokuser stereoskopet på enden af fiberen ved 500x forstørrelse for et præcist og præcist snit.
BEMÆRK: Parylen C vil ablatere lidt (<10 μm) fra spidsen og efterlade en stump, cylindrisk spids.
- Juster fiberspidserne ved hjælp af det indbyggede stereoskop, der følger med dette lasersystem.
- Slibning af blæselampe25,26,27
- Skær fibrene til 300 μm med kirurgisk saks.
- Nedsænk arrayet i en skål med deioniseret vand, stiksiden nedad og fastgjort til bunden af fadet med en lille mængde kitt.
- Brug et penkamera til at justere fibrene med vandets overflade, så fibrene kun lige akkurat rører ved vandets overflade.
- Juster en butanblæselampe til 3-5 mm, og kør den over toppen af fibrene i en frem og tilbage bevægelse for at skærpe fibrene.
BEMÆRK: Fiberspidser lyser orange, når flammen passerer over dem. - Fjern arrayet fra kittet, og inspicér det under et stereoskop for spidse spidser under 50x forstørrelse.
BEMÆRK: Hvis der observeres spidse spidser, er det ikke nødvendigt med yderligere blæselampe. Hvis spidserne ser stumpe ud, skal du gentage trin 7.2.2-7.2.5.
- UV-laserskæring28
BEMÆRK: UV-laser kan kun bruges på NUL INDSÆTTELSESKRAFT (ZIF) og Wide Board-design i øjeblikket på grund af det store fokuspunkt for den anvendte UV-laser, der er større end Flex Array-kulfiberens tonehøjde.- Skær kulfibrene til 1 mm med kirurgisk saks.
- Anbring en UV-laser på tre ortogonalt konfigurerede motoriserede trin.
BEMÆRK: UV-laseren er en multimode Indium Galliumnitrid (InGaN) halvleder med 1,5 W udgangseffekt og 405 nm bølgelængde.- Sørg for, at laseren har en kontinuerlig stråle for hurtig og effektiv justering og skæring.
- Fastgør arrayet på plads for at holde et stille, plant plan af elektroder, så laseren kan passere over. Sørg for, at arrayet holdes i en passende afstand fra laseren, så fibrene vil være i lys med laserens brændpunkt. For at gøre dette skal du give laseren en lavere effekt og justere afstanden for bedst at fokusere på fiberen28.
- Flyt UV-laserens brændpunkt hen over fiberplanet med en hastighed på 25 μm/s for at skære fibrene til den ønskede længde (her skæres alle fibre til 500 μm).
BEMÆRK: Fibre udsender et stærkt lys, inden de skæres. Opbevar fibrene efter behandling, indtil de er klar til at blive belagt med en ledende polymer.
8. Poly(3,4-ethylendioxythiophen):p-toluenesulfonat (PEDOT:pTS) ledende belægning for nedsat impedans
- Der blandes opløsninger af 0,01 M 3,4-ethylendioxythiophen og 0,1 M natrium-p-toluenesulfonat i 50 ml DI-vand og omrøres natten over på en omrøringsplade (~ 450 o / min), eller indtil der ikke kan observeres partikler i opløsningen.
BEMÆRK: Opbevar opløsningen i en lysbestandig beholder. Afkøles opløsningen efter blanding for at holde opløsningen anvendelig i op til 30 dage. - Kør en 1 kHz impedansscanning ved hjælp af de samme parametre som før (trin 5.2-5.3) i 1x PBS. Bemærk, hvilke fibre der har en god forbindelse (<1 MΩ, typisk 14-16 af 16 fibre).
- Elektroplade med PEDOT:pTS for at sænke elektrodernes impedans.
- Nedsænk fiberspidserne i PEDOT:pTS-opløsningen.
- Følg de trin, der er angivet i trin 5.2, skift 1x PBS-løsningen ud for PEDOT:pTS, og kort alle forbindelser til kortet til den anvendte strømkanal.
- Påfør 600 pA pr. God fiber i 600 s ved hjælp af en potentiostat.
- Sluk for cellen, og lad den hvile i 5 s i slutningen af kørslen.
- Fjern fibrene fra opløsningen og skyl dem i DI-vand.
- Tag 1 kHz impedanser igen for at kontrollere, at fibrene blev belagt med succes (brug de samme parametre, der er anført i trin 5.2-5.3).
BEMÆRK: Gode fibre betegnes som enhver fiber med en impedans på mindre end 110 kΩ.
9. Tilslutning af jord- og referenceledninger
- Skrab forsigtigt Parylen C væk fra jorden og reference vias på tavlen ved hjælp af pincet. Kort jorden og reference vias sammen parvis på dette borddesign.
BEMÆRK: Jord- og reference-vias kan findes i nærheden af stikket på Flex-arrayet og er de fire små guldcirkler nær stikkene. Brugere behøver kun at fjerne Parylen C fra vias tættest på kulfibrene til målinger. - Skær to 5 cm længder af isoleret sølvtråd med et barberblad. Deisolere enderne af ledningerne 2-3 mm fra den ene ende, der skal fastgøres til Flex Array og ~ 10 mm fra de modsatte ender for at muliggøre lettere jordforbindelse og henvisning under operationen.
- Varm loddejernet tilbage til 600 ° F. Påfør en lille mængde flux på vias.
- Indsæt en ledning (2-3 mm udsat ende) i hver af ePhys-vias på brættet. Påfør lodde på toppen af vias (figur 7A). Lad sonden køle af, og vend den derefter om for at påføre en lille mængde lodde på bagsiden af via (figur 7A).
- Brug en kirurgisk saks til at klippe enhver udsat ledning af, der stikker ud af bagloddehøjen, da dette hjælper med at reducere støj, der ses ved optagelse (figur 7B).
- Placer arrays tilbage i opbevaringsboksen, bøj ledningerne tilbage og væk fra fiberen. Fastgør ledningerne på klæbebåndet for at forhindre potentielle fibertrådsinteraktioner (figur 7C).
10. Kirurgisk procedure
BEMÆRK: Rottecortex blev brugt til at teste effekten af de UV-laserpræsenterede fibre, da dette tidligere er beskrevet7,20. Disse sonder vil arbejde i nerve på grund af deres lignende geometri og impedansniveauer til blowtorch forberedte fibre. Denne operation blev udført med en overflod af forsigtighed for at validere, at UV-laseren ikke ændrede elektrodernes respons.
- Anæstesi en voksen Han Long Evans rotte ved hjælp af en kombination af ketamin (90 mg / kg) og xylazin (10 mg / kg). Bekræft anæstesi med en tåklemmetest. Påfør salve på øjnene for at forhindre, at rottens øjne tørrer ud under operationen.
- Opret en 2 mm x 2 mm kraniotomi over højre halvkugles motoriske cortex. Identificer det nederste venstre hjørne af kraniotomien ved at måle 1 mm forreste bregma og 1 mm lateral af midterlinjen.
- Monter arrayet i et stereotaxisk instrument, og nulr det stereotaxiske instrument ved duraen ved forsigtigt at sænke fibrene, indtil de rører duraens overflade. Hæv arrayet væk fra det kirurgiske sted, og flyt det til siden, indtil det er klar til indsættelse.
- Resekter duraen ved forsigtigt at trække en nål med en pigget ende over overfladen af vævet. Når en del af duraen åbner sig for hjernen, skal du bruge et par fine tang til yderligere at hjælpe med at trække duraen væk.
- Indsæt fibrene i kraniotomien og 1,2 mm i hjernen ved hjælp af et stereotaxisk instrument, der sænkes langsomt med hånden.
- Optag ePhys-data i 10 minutter med en ePhys-specifik headstage og forforstærker.
- Indstil forforstærkerens højpasfilter til at behandle signalet ved 2,2 Hz, antialias ved 7,5 kHz og prøve ved 25 kHz.
BEMÆRK: For disse målinger registreres kun spontan aktivitet. Der anvendes ingen stimulus.
- Indstil forforstærkerens højpasfilter til at behandle signalet ved 2,2 Hz, antialias ved 7,5 kHz og prøve ved 25 kHz.
- Dødshjælp
- Anbring rotten under isofluran ved 5% under 1 l/min ilt, indtil tegn på liv er ophørt (20-30 min). Bekræft aktiv dødshjælp med halshugning.
11. Spike sortering
- Brug spike-sorteringssoftware til at sortere og analysere dataene ved hjælp af tidligere rapporterede metoder8.
- Brug et højpasfilter på alle kanaler (250 Hz hjørne, 4. ordens Butterworth), og indstil bølgeformdetekteringsniveauet til -3,5 × RMS-tærskel.
- Brug en gaussisk model til at klynge og pigge med lignende egenskaber. Kombiner og gennemsnitlige klynger på mindst 10 bølgeformer, der skal medtages i yderligere analyse.
- Fjern eller slet alle bølgeformer, der ikke er pigge, fra datasættet.
- Eksporter data, når alle kanaler er sorteret, og brug analysesoftware til at plotte og yderligere analysere bølgeformerne.
12. Scanning elektronmikroskopisk (SEM) billeddannelse
BEMÆRK: Dette trin vil gøre arrays ubrugelige og bør kun bruges til at inspicere tipbehandlingsresultater for at kontrollere, at arrays behandles korrekt. Dette trin behøver ikke gøres for at opbygge et vellykket array. Sammenfattet nedenfor er en generel oversigt over SEM-processen; Brugere, der ikke tidligere har brugt SEM, skal dog modtage hjælp fra en uddannet bruger.
- Klip den fiberede ende af printkortet af, og monter det på en kulstofbåndmaskeret SEM-stub. Placer arrays på en lille platform af stablet kultape (4-5 lag) for at forhindre, at kulfibrene klæber til SEM-stubben.
- Sputter-coat arrays med guld (100-300 Å) efter procedurer skitseret af producenten af guldforstudsercoateren.
- For at inspicere spidsbehandlingseffekterne skal du afbilde arrays i en SEM i en arbejdsafstand på 15 mm og 20 kV strålestyrke.
BEMÆRK: Arrays kan afbildes uden sputterbelægning under et lavt vakuum, som vist i figur 8D for UV-laserskårne fibre. Til denne opsætning anbefales det at have en arbejdsafstand på 11-12 mm og en 4 kV strålestyrke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Validering af tip: SEM-billeder
Tidligere arbejde20 viste, at sakseskæring resulterede i upålidelige impedanser, da Parylen C foldede sig over optagelsesstedet. Sakseskæring bruges her kun til at skære fibre til den ønskede længde inden behandling med en ekstra finishskæringsmetode. SEM-billeder af spidserne blev brugt til at bestemme den eksponerede kulstoflængde og spidsgeometri (figur 8).
Saks og Nd: YAG laserskårne fibre blev tidligere gennemgået17,20. Sakseskårne fibre (figur 8A) har inkonsekvente spidsgeometrier, hvor Parylen C foldes over enden, når den skæres20. Nd: YAG laserskårne fibre forbliver konsistente i optagelsesstedets område, form og impedans (figur 8B). Blæseforvredne fibre20 fører til den største elektrodestørrelse og formvariation og en skærpet spids, der muliggør indsættelse i hårdt væv. I gennemsnit blev 140 μm kulstof geneksponeret med et jævnt overgangsområde mellem kulstof- og parylen C-isoleringen (figur 8C). UV-laserskårne fibre lignede blæseforstokkede fibre, der viste 120 μm kulstof udsat fra spidsen (figur 8D). Impedanser viste, at enten UV-laser- eller blæselampespidsskæringsmetoderne er egnede til ePhys og er levedygtige løsninger til laboratorier uden adgang til en Nd: YAG-laser.
Tip validering: elektrisk optagelse
Figur 9 viser de resulterende impedanser fra hver forberedelsesmetode ved hjælp af Flex Arrays. De resulterende værdier er inden for et passende område til ePhys-optagelse. Nd:YAG laserskårne fibre resulterede i det mindste overfladeareal, men de højeste impedanser, selv med PEDOT:pTS-belægningen (bart kulstof: 4138 ± 110 kΩ; med PEDOT:pTS: 27 ± 1,15 kΩ; n = 262). Dette efterfølges af det omvendte forhold i blowtorched (bart kulstof: 308 ± 7 kΩ; med PEDOT: pTS: 16 ± 0,81 kΩ; n = 262) og UV laserskåret (bart kulstof: 468 ± 85,7 kΩ; med PEDOT: pTS: 27 ± 2,83 kΩ; n = 7) fibre, der har et stort overfladeareal og lave impedanser. I alle tilfælde falder de PEDOT:pTS-belagte fibre imidlertid under den tidligere fastsatte tærskel på 110 kΩ for at indikere en god elektrode med lav impedans.
Akutte ePhys-optagelser blev taget fra en Long Evans-rotte, der akut blev implanteret med et ZIF-array med UV-laserskårne og PEDOT:pTS-behandlede fibre for at demonstrere levedygtigheden af denne metode. ePhys er tidligere blevet testet og bevist med sakseklip20 og Nd:YAG-17 og blæselampebehandlede fibre7,8 og blev derfor ikke revalideret i denne tekst. Akutte optagelser fra fire UV-laserbehandlingsfibre (2 mm lange), der samtidig blev implanteret i rottemotorisk cortex (n = 1), er vist i figur 10. Tre enheder blev fundet på tværs af alle fibre, hvilket tyder på, at behandlingen af fibrene med den billige UV-laser ligner andre skæremetoder, der gør det muligt for kulfiberen at registrere neurale enheder, som det ville forventes af SEM'erne og impedanserne. Mens kulfiberarrays let bygges og ændres, så de passer til brugerens behov, skal det bemærkes, at yderligere validering er nødvendig for nogle builds (tabel 3), mens andre er mindre egnede til visse slutopgaver.
Kommerciel parylen C
Kommercielt belagte arrays blev bestemt til at have en Parylen C-tykkelse på 710 nm af sælgeren, godt inden for målområdet for isolering. Arrays blev forberedt til ePhys-optagelser ved hjælp af blowtorch tip-præparatet. Impedanser blev taget efter forberedelsen af tipene og sammenlignet med eksisterende data. En blæseforstokket og PEDOT: pTS-belagt sonde havde i gennemsnit 14,5 ± 1,3 kΩ impedans på tværs af 16 fibre. SEM-billeder blev taget af spidsen og skaftet for at sammenligne Parylen C-aflejring (henholdsvis figur 11 A, B). Disse resultater viser, at brugen af en kommerciel leverandør ikke ændrede de forventede impedansværdier, hvilket tyder på, at dette vil være en lige så levedygtig erstatning for deponering i universitetets renrum.
Analyse af enhedsomkostninger
Forudsat at alle værktøjer og bulkmaterialer (f.eks. Epoxier, lodde) er tilgængelige for forskeren, et Parylen C-brugergebyr på $ 41 og et parti på 8 sonder, er de samlede materialeomkostninger $ 1168 ($ 146 pr. Sonde). Personaleindsatsen (tabel 4) er ~25 timer for batchen. Hvis du bruger et substitueret fabrikationstrin, vil omkostningerne ved sonderne variere baseret på kommercielle Parylen C-belægningsomkostninger ($ 500-800 citeret). Tiden for byggetrinnene (tabel 4) grupperes for alle forekomster af en gentagen opgave for enkelhedens skyld. Byggetider for design med en større tonehøjde (Wide Board og ZIF) reduceres dramatisk, da de manuelt intensive trin (f.eks. Kulfiberplacering) er lettere og hurtigere at gennemføre.
Figur 1: Stik og tilhørende printkort. (A) Bredt kort med et af seksten nødvendige stik i indsætning (indsætningsskalastang = 5 mm). (B) ZIF og et af to stik og et hylster. (C) Flex Array med et 36-polet stik; skalabjælke = 1 cm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Lodde- og isoleringstrin til Flex Array. (A) Lægning af loddet til de nederste stikstifter. (B) Bagstifter fastgjort på plads med de forreste stifter klar til lodning. (C) Forsinket sæt epoxyisoleret Flex Array; Bemærk, at den forsinkede epoxy ikke dækker reference- og jord vias på begge sider. (D) Bagsiden af Flex Array med et bånd af forsinket sæt epoxy over pad vias (ikke jorden og reference vias) og viklet rundt om siden af brættet mod kanten af stikket. Vægtstang = 0,5 cm (B) og 1 cm (A, C, D). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Påføring af sølvepoxy og justering af kulfibre mellem sporene af Flex Array. Kapillærer er blevet fremhævet med et hvidt overlay. (A) Enden af kapillæren passer mellem sporene for at få (B) ren sølvepoxy (betegnet med pile for enden af kapillæren og inden for sporene) aflejring uden afsmitning uden for sporparrene. (C) Kulfibre anbringes i epoxyen og derefter (D) rettes ud med en ren kapillær. Skalabjælker = 500 μm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Isolering med UV Epoxy Application (A) UV-epoxy påføres ved hjælp af en ren kapillær og to dråber UV-epoxy (markeret med hvide overlejringer). UV-epoxy påføres i dråber med en diameter på 0,25-0,75 mm, indtil UV-epoxyen danner en glat boble over toppen af sporene. (B) UV-epoxy hærdes under UV-lys. Flex Array er placeret i kitt på en træblok for nem bevægelse og justering under UV-lyset. UV-lyset holdes med en holder ~1 cm over enden af Flex Array. Indsat (B) viser sideprofilen for et korrekt UV-epoxyisoleret Flex Array. UV-epoxyboblen på hver side af brættet er ca. 50 μm høj. Skalabjælker = 500 μm (A og indsætning B). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Opsætning til impedansmålinger. Alle dele er mærket, og systemstik og adaptere er systemafhængige. PBS er stjernemarkeret, da løsningen byttes ud med PEDOT:pTS senere i opbygningen; opsætningen er dog identisk ellers. Forkortelser: PBS = fosfatbufret saltvand; PEDOT:pTS = poly(3,4-ethylendioxythiophen):p-toluensulfonat. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Flex Array forberedt til Parylen C-belægning. Flex Array er fastgjort til en hævet skumplatform med tape, klæbende side op under belægningsprocessen. Skalabjælke = 10 mm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Jord- og referenceledninger fastgjort til det færdige Flex Array. Loddet blev påført på hver side af via på hver side af brættet (A) for at skabe en sikker binding. ePhys vias er mærket på tavlen som GND og Ref og parret på modsatte sider af brættet fra hinanden. Der er to yderligere vias også mærket GND og Ref2. Begge GND-vias er kortsluttet sammen. Ref2 er beregnet til at blive brugt i elektrokemiske eksperimenter. Overskydende ledning i (A) betegnes med en rød boks og fjernes (B) fra bagsiden af sonden (rød boks viser, hvor ledningen plejede at være) for at hjælpe med støjreduktion og håndtering af sonden. (C) Final Flex Array opbevares til fremtidig brug. Bemærk, at de parrede GND- og Ref-vias på dette kort gør det udpeget til ePhys-optagelser. Skalastænger = 200 μm (A, B). Forkortelser: ePhys = elektrofysiologi; GND = jord; Ref = reference. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: SEM-billeder af fibre med forskellige spidsskæringsteknikker. (A) Sakseskåret fiber med meget lidt udsat kulstof. (B) Nd:YAG laserskæring. (C) Blæselampe med ~140 mm kulstof eksponeret fra spidsen. (D) UV-laserskårne fibre med ~120 mm kulstof eksponeret fra spidsen. Røde pile angiver overgangsområdet mellem parylen C og bare kulfiber. Skalastænger = 5 μm (A), 10 μm (B), 50 μm (C, D). Forkortelser: SEM = scanning elektron mikroskopisk; Nd:YAG = Neodym-doteret yttrium aluminium granat. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Impedansforskelle mellem kun at anvende behandlingen (blottet kulstof eksponeret) og med tilsætning af PEDOT:pTS. I alle tilfælde reducerer tilføjelsen af PEDOT:pTS impedansen med en størrelsesorden. Prøvestørrelse: Nd:YAG = 262, Blowtorch = 262, UV = 7. UV-prøvestørrelsesforskellen skyldes nyheden ved fremstillingsmetoden; det viser dog et lignende interval som blowtorch, som forventet. Impedansdata udtrykkes som gennemsnitlige ± standardfejl. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-ethylendioxythiophen):p-toluenesulfonat; Neodym-doteret yttrium aluminium granat. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: Akut elektrofysiologisk spiking data fra fire UV laserskårne elektroder. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11: Kommercielle parylen C-belagte arrays. (A) Det skærpede array viser ensartet slibning på tværs af alle fibre, hvilket indikerer, at der ikke er nogen ulemper ved kommerciel belægning. (B) Efter blæselampe viser overgangen (rød boks) mellem bare kulfiber og parylen C ingen mærkbar forskel mellem arrays belagt i et renrumsanlæg. Skalastænger = 200 μm (A) og 10 μm (B). Klik her for at se en større version af denne figur.
| PCB-navn | Stik | Loddepude størrelse (mm) | Eksponeret sporstørrelse (mm) | Sporhøjde (μm) | Kanaler | |
| Bredt bord | Mølle-Max 9976-0-00-15-00-00-03-0 | 3,25 x 1,6 | 1,5 x 4,0 | 3000 | 8 | |
| ZIF | Hirose DF30FC-20DS-0.4V, | 0,23 x 0,7 | 0,75 x 0,07 | 152.4 | 16 | |
| Flex Array | Omnetics A79024-001 | 0,4 x 0,8 | 0,6 x 0,033 | 132 | 16 | |
Tabel 1: Hvert printkort har et andet stik og tonehøjde forbundet med det. Forkortelse: PCB = printkort.
| Byg trin | Forventet 1 kHz impedans (kΩ) |
| Bare Fiber | 150-300 |
| Bare fiber med UV-isolering | 400-500 |
| Parylen C-isolerede fibre | >50.000 |
| Nd:YAG laserskæring | <15.000 |
| Blæselampe | 300-400 |
| UV-laserskæring* | 300-500 |
| PEDOT:pTS belagt | <110 |
Tabel 2: Typisk interval af impedanser efter hvert byggetrin (n = 272). *n = 16. PEDOT:pTS-behandlede sonder over 110 kΩ kan stadig optage signaler; dog falder alle behandlede elektroder typisk ind under denne værdi. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-ethylendioxythiophen):p-toluenesulfonat; Neodym-doteret yttrium aluminium granat.
| Forberedelse metode | Bredt bord | ZIF | Flex Array |
| Nd:YAG | Impedans, SEM, akut ePhys | Impedans, SEM, akut/kronisk ePhys | Impedans, SEM, akut/kronisk ePhys |
| Blæselampe | Impedans, SEM, akut ePhys | Impedans, SEM, akut/kronisk ePhys | Impedans, SEM, akut/kronisk ePhys |
| UV-laser | Endnu ikke valideret | Impedans, SEM, akut/kronisk ePhys | Ikke levedygtig |
Tabel 3: Validerede anvendelser af hvert bræt med de beskrevne skæremetoder. Alle skæremetoder omfattede elektrodeponering af PEDOT:pTS. 'Ikke levedygtig' angiver, at en formfaktor i designet forhindrer denne spidsbehandling i at blive testet på dette tidspunkt (dvs. fiberhøjde). Forkortelser: Neodym-doteret yttrium aluminium granat; SEM = scanning elektronmikroskopi; ePhys = elektrofysiologi; ZIF = nul indsættelseskraft.
| Aktivitet | Tid til 8 enheder (h) |
| Al lodning | 5 |
| Isolerende omnetik | 1 |
| Fyldning af kulfibre | 10 |
| Isolerende spor med UV-epoxy | 0.5 |
| Parylen C-aflejring | 1.5 |
| Nd:YAG laserskæring | 1 |
| Blæselampe | 1 |
| UV-laserskæring | 1.5 |
| Alle impedanstest | 4.5 |
| PEDOT:pTS-aflejring | 1.5 |
| Brugt opskrift | Samlede antal timer |
| Nd:YAG laserskæring | 25 |
| Blæselampe | 25 |
| UV-laserskæring | 25.5 |
Tabel 4: Tid, der kræves for hvert trin i en fremstillingsproces. Lodning af stik og jord- og referenceledninger er blevet kombineret her for at forenkle aktivitetslisten. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-ethylendioxythiophen):p-toluenesulfonat; Neodym-doteret yttrium aluminium granat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Materiale substitutioner
Mens alle anvendte materialer er opsummeret i tabellen over materialer, kræves det, at meget få af materialerne kommer fra bestemte leverandører. Flex Array-kortet skal komme fra den angivne leverandør, da de er det eneste firma, der kan udskrive det fleksible kort. Flex Array-connectoren skal også bestilles fra den angivne leverandør, da det er en proprietær connector. Parylen C anbefales stærkt som isoleringsmateriale til fibrene, da det giver en konform belægning ved stuetemperatur på en pålidelig måde, der derefter kan modstå in vivo-miljøet . Polyimidpladen og epoxierne på tavlen kan ikke tåle de høje temperaturer, der kræves til andre isoleringsteknikker. Alle andre materialer kan købes hos andre leverandører eller byttes ud med alternativer efter brugernes skøn. Denne build er beregnet til at være fleksibel og kan tilpasses, så den passer til slutbrugerens eksperiment. Det skal dog bemærkes, at eventuelle ændringer fra de angivne materialer eller leverandører skal valideres af slutbrugeren.
Fejlfinding af buildproblemer
Sølvepoxyaflejring har tendens til at mislykkes af flere grunde: Kapillærens bredde er for bred til at passe mellem spor, kapillærens bredde er for tynd til at afhente og deponere epoxy, eller et overskud af epoxy er på kapillæren. De to første problemer kan løses ved at skære en ny kapillær af en mere passende størrelse; sidstnævnte ved at dyppe kapillæren i epoxyen med en lettere hånd eller fjerne en del af epoxyklatten ved forsigtigt at duppe kapillæren på en ekstra nitrilhandske.
At beslutte, hvordan man forbereder elektroden, er ofte en vanskelig beslutning for mange brugere. Men at bestemme, hvad der er nødvendigt for eksperimentet, vil hjælpe med at belyse beslutningen. Til akutte operationer kan stumpe spidser bruges, hvis elektrodens størrelse er vigtig; de vil dog kun indsætte i blødere væv (hjerne) og kun ved måldybder på under 500 μm.
Det er muligt at gå ind i dybere hjernestrukturer ved hjælp af en glaskanyle22; Dette kan dog forårsage ardannelse og tilhørende upålidelighed i ePhys-optagelser. Fibre skal være mindre end 300 μm, når de skærpes for at kunne trænge ind i hårdere væv (nerve), da den kortere længde giver en stivere rygrad til indsættelse7,8. Skærpede fibre er også for nylig blevet observeret for at trænge ind i 1 mm dybder i hjernen8.
Mens de arrays, der diskuteres i dette papir, er et glimrende udgangspunkt for mange laboratorier, er nyere sonder, der bruger kulfibre, også blevet udviklet til kronisk at målrette mod dybere områder i hjernen21,22,29. I nerve er elektroder med lav invasivitet og høj selektivitet et igangværende forskningsemne5,8,30. Jiman et al.7 var i stand til at detektere multienhedsaktivitet i nerven med minimal invasivitet og øget selektivitet ved hjælp af et kulfibersilikonearray8, som afspejler designet af Flex Array, der præsenteres her.
Parylen C tilgængelighed
Parylen C er en metode til konform belægning ved stuetemperatur, der er blevet anvendt som biokompatibel isolator i mange implanterede enheder. Teknikken kræver et specialiseret værktøj i et renrum og tager cirka en time at lære. En kortvarig undersøgelse af institutioner, der tidligere har anmodet om kulfiberarrays fra vores gruppe, blev udført for at bestemme Tilgængeligheden af Parylen C-aflejring. Vi fandt ud af, at ud af 17 institutter havde 41% adgang til Parylen C-belægningssystemer på deres campus. For universiteter uden adgang til et Parylen C-belægningssystem er kommercielle belægningstjenester et levedygtigt alternativ, som det fremgår her. Alternativt kan outsourcing til et nærliggende universitets renrum også være af interesse for laboratorier uden direkte adgang til et Parylen C-aflejringssystem. For at reducere omkostningerne pr. enhed anbefaler vi, at du sender større partier af arrays ud, da kommercielle systemer ofte kan rumme større prøver.
Optimering af tipforberedelser
Yderligere spidspræparater skal undersøges for disse fibre, da de nuværende spidspræparater kræver, at slutbrugeren vælger mellem gennemtrængende evne og et lille optagelsessted. Mens Nd:YAG laserskårne fibre giver en lille stedstørrelse20, er evnen til at trænge ind i stivere væv (muskel, nerve) næsten ikke-eksisterende, og adgang til en laseropsætning, der er i stand til denne skæreteknik, kan være vanskelig og dyr. Mens blæselampe giver mulighed for en hurtig og økonomisk måde at få skærpede spidser, der kan trænge ind i mange væv7, er spidsgeometrien stor og kan være inkonsekvent fra fiber til fiber20. UV-laserskæring giver også lave impedanser og store overfladearealer, men med den ekstra fordel ved mere ensartet eksponering. UV-laseren er mere tilgængelig end Nd:YAG-laseren; laboratorierne ville dog være nødt til at konstruere en måde at justere laseren med fibre på og ville ikke være i stand til at bruge Flex Array på grund af fiberens stigning, der er mindre end laserens brændpunktdiameter. Tidligere arbejde viste fremstilling af små, skærpede fibre via ætsning31,32. Denne fremgangsmåde kan resultere i en lille, pålidelig elektrodegeometri og bevare den skærpede spids, der er nødvendig for at trænge ind i nerve og muskler.
Vores nuværende spidsbelægning, PEDOT:pTS, skal muligvis også udskiftes, da den har tendens til at nedbrydes over tid, hvilket er et uønsket træk for en kronisk sonde17,25,33. Mangel på PEDOT:pTS-levetid fører til højere impedanser og dermed lavere signalkvalitet, delvis på grund af øget baggrundsstøj. For at øge levetiden i disse fiberspidser udføres undersøgelse af gennemførligheden af platin-iridiumbelægninger. Platin-iridium ville give mulighed for et større overfladeareal25,34 koncentreret på spidsen af elektroden, idet der holdes en lav impedans34,35,36 og giver mulighed for længere, kronisk stabilitet34,36. Andre belægninger, såsom PEDOT / grafenoxid37 og gold38, er blevet brugt til at sænke kulfiberelektrodeimpedanser, selvom disse belægninger typisk anvendes til kemisk sensing sonder snarere end til ePhys-optagelser. På grund af kulfibrenes iboende egenskaber39 kan kulfiberarrayet, der præsenteres her, konverteres fra en sonde, der er optimeret til ePhys, til en kemisk sensoranordning med en simpel ændring af spidsforberedelse22,40.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet økonomisk af National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 og UF1NS115817) og National Science Foundation (1707316). Forfatterne anerkender økonomisk støtte fra University of Michigan College of Engineering og teknisk støtte fra Michigan Center for Materials Characterization og Van Vlack Undergraduate Laboratory. Forfatterne takker Dr. Khalil Najafi for brugen af hans Nd: YAG-laser og Lurie Nanofabrication Facility for brugen af deres Parylen C-aflejringsmaskine. Vi vil også gerne takke Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) for deres hjælp i den kommercielle belægningssammenligningsundersøgelse.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
References
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. Horch, K., Kipke, D. , World Scientific. 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Neural cuff. Ardiem Medical. , Available from: http://www.ardiemmedical.com/neural-cuff/ (2021).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro. , Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021).
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 - Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , Woodhead Publishing. 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
