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방법 논문

생체 내 신경 녹음을 위한 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이 의 제조

13.5K 조회수

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DOI:

10.3791/60741

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2020년 2월 12일

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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

이 논문에서

요약

여기서 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하고 생체 내 신경 기록용으로 활용하는 방법을 설명합니다.

초록

이식형 마이크로전극 기술은 뇌 질환과 부상의 신경 기반에 대한 깊은 이해를 얻기 위해 마이크로 스케일에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 전극이 개별 셀의 규모로 소형화됨에 따라 인터페이스 임피던스의 상응하는 상승은 기록된 신호의 품질을 제한합니다. 또한, 기존의 전극 재료는 뻣뻣하고, 전극과 주변 뇌 조직 사이에 상당한 기계적 불일치를 초래하며, 이는 결국 장치 성능의 저하로 이어지는 염증 반응을 유도합니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 당사는 최근 발견된 나노 물질인 Ti3C2 MXene을 기반으로 유연한 마이크로 전극을 제조하는 공정을 개발했으며, 이는 수성 분산에서 매우 높은 부피 정전 용량, 전기 전도성, 표면 기능 및 가공성을 보유하고 있습니다. Ti3C2 MXene 마이크로 전극의 유연한 어레이는 Ti3C2 MXene 필름의 높은 전도도 및 높은 비표면적으로 인해 현저하게 낮은 임피던스를 가지며, 신경 활동을 기록하기 위해 정교하게 민감한 것으로 입증되었습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene을 유연한 폴리머 기판의 마이크로 전극 어레이로 마이크로 패터닝하는 새로운 방법을 설명하고 생체 내 마이크로 전극전극 기록사용에 대한 용도를 간략하게 설명합니다. 이 방법은 바이오 일렉트로닉스의 다양한 다른 응용 분야에 임의의 크기 또는 형상의 MXene 전극 어레이를 생성하기 위해 쉽게 확장 될 수 있으며 Ti3C2 MXene 이외의 다른 전도성 잉크와 함께 사용하도록 조정할 수도 있습니다. 이 프로토콜은 솔루션 기반 전도성 잉크에서 마이크로 전극의 간단하고 확장 가능한 제조를 가능하게하며, 특히 친수성 Ti3C2 MXene의 고유 특성을 활용하여 고충실도 신경 마이크로 전자에 대한 탄소 기반 나노 물질의 광범위한 채택을 오랫동안 방해한 많은 장벽을 극복 할 수 있습니다.

서론

신경 회로의 기본 메커니즘과 질병 이나 부상에서 역학이 어떻게 변경 되는지 이해 하는 것은 광범위 한 신경 및 신경 근육 질환에 대 한 효과적인 치료 개발을 위한 중요 한 목표. 마이크로 전극 기술은 미세한 공간 및 시간적 척도에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 마이크로 스케일 전극에서 높은 신호 대 잡음 비(SNR)로 안정적인 기록을 얻는 것은 특히 어려운 것으로 입증되었습니다. 전극의 치수가 감소되어 셀룰러 스케일에 가까워지면 전극 임피던스의 상응하는 상승은 신호 품질1을저하시게 됩니다. 또한, 수많은 연구는 기존의 실리콘과 금속 전자 재료로 구성된 단단한 전극이 신경 조직에 상당한 손상과 염증을 생성한다는 것을 보여주었습니다, 이는 장기기록2,3,4,5에대한 그들의 유용성을 제한합니다. 이러한 사실을 감안할 때, 전극 조직 인터페이스 임피던스를 감소시키고 부드럽고 유연한 폼 팩터에 통합 할 수있는 새로운 재료로 마이크로 전극을 개발하는 데 상당한 관심이 있었습니다.

전극-조직 계면 임피던스를 감소시키기 위한 하나의 일반적으로 사용되는 방법은 세포외 유체의 이온 종들이 전극, 또는 전극의 "유효 표면적"과 상호 작용할 수 있는 영역을 증가시키고 있다. 이것은 나노 패터닝6,표면 거칠게7,또는 다공성 첨가제8,9와전기 도금을 통해 달성 될 수있다. 나노물질은 본질적으로 높은 비표면적이고 유리한 전기적 및 기계적성질(10)의독특한 조합을 제공하기 때문에 이 분야에서 상당한 주목을 받고 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 전극 임피던스11,12,13,그래핀 옥사이드를 부드럽고 유연한 독립형 프로브전극(14)으로가공하여, 레이저-파이롤리징 다공성 그래핀을 유통, 저임피안스 마이크로전지(micro-ECoG) 전극(15)에 활용하여 온 코팅으로 사용되어 왔다. 그들의 약속에도 불구하고, 확장 가능한 조립 방법의 부족은 신경 상호 파는 전극을 위한 나노 물질의 광범위한 채택을 제한했습니다. 탄소계 나노물질은 특히 소수성이며, 따라서 계면활성제16,초산제17,또는 표면 기능화(18)를 사용하여 용액 처리 제조 방법을 위한 수성 분산을 형성하는 반면, 화학적 증착(CVD)과 같은 대체 제조 방법은 일반적으로 많은 중합체 기질(19,20, 20, 20) 및 양면성 기질과 호환되지 않는 고온을 필요로 한다. ,22.

최근에는 MXenes로 알려진 2차원(2D) 나노 물질의 부류가 높은 전도도, 유연성, 체적 정전 용량 및 고유의 친수성의 뛰어난 조합을 제공하는 것으로 기술되어 신경 간광 전극23에대한 유망한 나노 물질 클래스가 되었습니다. MXenes는 계층화된 전구체에서 A 소소를 선택적으로 에칭하여 가장 일반적으로 생성되는 2D 전이 금속 탄화및 질화 제품군입니다. 이들은 일반적으로 일반적인 수식 Mn+1AXn을가진 MAX 단계이고, 여기서 M은 초기 전이 금속이고, A는 주기율표의 그룹 12-16 원소이고, X는 탄소 및/또는 질소, 및 n =1, 2, 또는 324이다. 2차원 MXene 플레이크는 하이드록실(−OH), 산소(−O) 또는 불소(−F)를 포함할 수 있는 표면 종료 작용기들을 갖는다. 이러한 작용기는 MXenes를 본질적으로 친수성으로 만들고 유연한 표면 수정 또는 기능화를 가능하게 합니다. MXenes의 큰 클래스의, Ti3C2는 가장 광범위하게 연구되고특징 25,26,27. Ti3C2는 활성파(~60-100 F/cm3)29,초경 유래 탄소(180F/cm3)30,그래핀 겔 필름(~260 F/cm 3)31보다28개(1,500F/cm 3)상당히 높은 부피 정전 용량을 나타낸다. 또한 Ti3C2는 매우 높은 전자 전도도 (~ 10,000 S /cm)를 나타내며, 그 생체 적합성은 여러연구에서33,34,35,36에서입증되었습니다. Ti3C2 필름의 대용량 정전 용량은 정전 용량 전하 전달을 나타내는 전극이 잠재적으로 유해한 가수 분해 반응을 피할 수 있기 때문에 생물학적 감지 및 자극 응용 분야에 유리합니다.

우리 그룹은 최근 높은 SNR36을가진 생체 내에서 마이크로 전극질 (micro-ECoG) 및 피질 내 신경 스파이크 활동을 모두 기록 할 수있는 솔루션 처리 방법을 사용하여 제조 된 유연한 박막 Ti3C2 마이크로 전극 어레이를 입증했습니다. 이러한 MXene 전극은 MXene의 높은 전도도 및 전극의 높은 표면적에 기인할 수 있는 크기 일치금(Au) 전극에 비해 임피던스를 현저히 감소시켰습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene의 평면 미세 전극 어레이를 유연한 파릴렌-C 기판에서 제작하고 수술 중 마이크로 ECoG 기록을 위해 생체 내에서 활용하는 주요 단계를 설명합니다. 이 방법은 MXene의 친수성 특성을 활용하여 안정적이고 수성 현탁액을 달성하기 위해 계면 활성제 또는 초산제를 사용하지 않아도 간단하고 확장 가능한 솔루션 처리 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 처리성 용이성은 다른 탄소 나노 물질을 기반으로 하는 장치의 광범위한 채택에 큰 제약이 되어 온 산업 규모의 MXene 바이오 센서의 비용 효율적인 생산을 가능하게 할 수 있습니다. 전극 제조의 주요 혁신은 스핀 코팅 후 MXene을 마이크로 패턴화하는 희생 중합체 층의 사용에 있으며, 용액 처리 폴리에 대한 문헌으로부터 적응된 방법(3,4-에틸렌디옥시티오텐):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) 마이크로전극(PEDOT:PSS)마이크로전극37,이전에는 설명되지 않았지만, 이전에는 MX에 대해 설명되지 않았다. Ti3C2의뛰어난 전기적 특성은 가공성 및 2D 형태와 결합되어 신경 인터페이스에 매우 유망한 재료입니다. 특히 Ti3C2는 마이크로 스케일 전극 성능을 위한 1차 제한 인자인 전극 기하학적 영역과 전기 화학 적 인터페이스 임피던스 사이의 근본적인 절충을 극복하는 경로를 제공합니다. 또한 이 프로토콜에 설명된 제조 절차는 다양한 기록 패러다임에 대한 다양한 크기와 형상의 MXene 전극 어레이를 생산하도록 조정할 수 있으며 MXene 외에 다른 전도성 잉크를 통합하도록 쉽게 조정할 수 있습니다.

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프로토콜

모든 생체 내 절차는 국립 보건원 (NIH) 실험실 동물의 관리 및 사용을위한 가이드를 준수하고 펜실베니아 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인되었습니다.

1. Ti3C2 MXene의 합성

참고: 이 섹션에 설명된 반응 절차는 화학 연기 후드 내부에서 사용하기 위한 것입니다. 이 절차에 포함된 세척 단계는 균형 잡힌 원심분리기 튜브와 함께 사용됩니다. 생산된 모든 폐기물은 유해 폐기물로 간주되며 대학 지침에 따라 적절하게 폐기해야 합니다.

주의: 수소불화산(HF)은 매우 위험하고 부식성이 높은 산입니다. 사용 전에 MXenes를 합성하는 데 사용되는 화학 물질에 대한 재료 안전 데이터 시트(MSDS)를 참조하고 적절한 안전 조치를 이행하고 따르십시오. HF를 취급하기위한 적절한 개인 보호 장비 (PPE)는 실험실 코트, 내산 성 앞치마, 발가락이 가까운 신발, 긴 바지, 고글, 전체 얼굴 방패, 니트릴 장갑 및 부틸 고무 또는 네오프렌 고무로 만든 HF 저항 장갑을 포함한다.

  1. MAX 위상 합성
    1. 공 밀링TiC (2 μm), Ti (44 μm), 및 Al (44 μm) 분말을 치르코니아 볼을 사용하여 18 시간 동안 2 :1 : 1 : 1의 어금니 비율 (TiC:Ti : Al)으로 합성하십시오. 알루미나 도가니에 분말을 놓고 1,380 °C (5 °C 가열 속도)로 가열하고 아르곤 에서 2 시간 동안 유지하십시오. 분말을 냉각 한 후 MAX 블록을 밀링하고 200 메쉬 체 (<74 μm 입자 크기)를 통해 체질하십시오.
      참고: MXenes를 합성하는 데 사용되는 Ti3AlC2 MAX 위상 전구체는 생성된 Ti3C2 MXene 속성38에직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 신경 전극을 제조하는 데 사용되는Ti3C2는 이전절차(26)에따라 준비된 MAX로부터 선택적으로 에칭되었다.
  2. 에칭: 산성 에칭 용액에서 Ti3AlC2에서 Al 층의 제거(그림 1A)
    1. 먼저 12 mL의 탈이온수(DIH2O)를 첨가하고 24 mL의 염산(HCl)을 첨가하여 125 mL 플라스틱 용기에 선택적 에칭 용액을 준비합니다. 모든 적절한 HF 에칭 PPE를 착용하고, 에칭 용기에 HF 4 mL을 추가합니다. 반응 용기에 Ti3AlC2 MAX 상 2 g을 천천히 첨가하고 400 rpm에서 35°C에서 24시간 동안 테플론 마그네틱 막대로 교반하여 선택적 에칭을 수행합니다.
  3. 세척: 재료를 중성 pH로 가져오기.
    1. DI H2O. 100 mL의 100 mL로 175 mL 원심 분리튜브 2개를 채우고 에칭 반응 혼합물을 175 mL 원심분리관으로 분할하고 3,500 rpm (2,550 x g)에서반복된 원심분리로 재료를 5 분 동안 플라스틱 유해 폐기물 용기로 장식하십시오. pH가 6에 도달할 때까지 반복합니다.
  4. 인터칼레이션: 평면 외 상호 작용을 깨우기 위해 다층 MXene 입자 사이에 분자 삽입(그림 1B)
    1. DIH2O 100 mL에 염화리튬(LiCl) 2g을 넣고 용해될 때까지 200rpm에서 저어줍니다. LiCl/H2O 의 100 mL을 Ti3C2/Ti3AlC2 퇴적물을 혼합하고 25°C에서 12시간 동안 반응을 저어줍니다.
  5. 박리: 대량 다층 입자에서 단일 층에서 몇 층 Ti3C2 MXene로 각질 제거(그림 1C)
    1. 175 mL 원심분리기 튜브에서 원심분리에 의해 5분 동안 2,550 x g로 감간 반응을 세척한다. 어두운 상급제가 발견될 때까지 반복합니다.
    2. 2,550 x g에서1 시간 동안 원심 분리기를 계속합니다. 희석 녹색 상월제를 장식합니다.
    3. 150 mL의 DI H2O. 50 mL 원심 분리튜브및 원심분리기로 10분 동안 10분 동안 부은 퇴적물을 MXene(supernatant)에서 분리하여 재분산시켰다.
      참고 : 퇴적물의 재 분산이 어려워지고 교반 또는 수동 흔들림이 필요합니다.
    4. Ti 3 C2 MXene로 상급수집. 1시간 동안 2,550 x g에서 원심분리 단계를 따르는 상층을 수집하여 단일 층에서 소수 층까지 플레이크를 분리하는 솔루션의 추가 크기 선택 및 최적화를 수행합니다.
  6. 용액 저장: MXene 잉크를 장기간 보관할 수 있도록포장(그림 1D)
    1. 아르곤 은 아르곤 밀봉 헤드 스페이스 바이알 (주사기를 통해 전송)에 포장하기 전에 30 분 동안 용액을 거품. 수명을 보장하기 위해 고농도(>5 mg/mL) 및 햇빛으로부터 멀리 떨어진 저온(≤5°C)에서 솔루션을 보관하십시오.

2. Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이의 제조

참고: 이 섹션에 설명된 절차는 펜실베니아 대학의 Singh Nano technology 센터와 같은 표준 대학 클린룸 시설 내에서 사용하기 위한 것입니다. 이 시설과 유사한 시설은 국립 과학 재단 (NSF)이 지원하는 국립 나노 기술 인프라 네트워크 (NNIN)의 일환으로 외부 사용자가 접근 할 수 있습니다. 이러한 시설에서는 이 섹션에 설명된 많은 도구, 장비 및 자재가 클린룸 시설에 대한 액세스와 함께 제공되며 별도의 구매가 필요하지 않습니다.

주의: MXene 전극 제조에 사용되는 많은 화학 물질은 포토레지스트, RD6 개발자, 리무버 PG, 알루미늄 에칭 솔루션 및 완충된 산화물 에칭을 포함하여 유해합니다. 사용 전에 이러한 화학 물질에 대해 MSDS에 문의하고 항상 적절한 안전 조치를 시행하고 따르십시오. 모든 화학 물질은 연기 후드에서 처리해야합니다.

  1. 깨끗한 Si 웨이퍼에 파릴렌-C의 4 μm 두께의 바닥층을 침전시한다(도 2A참조).
  2. 제1 포토마스크(mask-1)를 사용하여 디바이스의 금속 상호연결뿐만 아니라 웨이퍼 의 가장자리 주위의 금속 링을 정의하여 이후의 리프트 오프 단계를 돕습니다(그림2B).
    1. 스핀 코트 NR71-3000p를 3,000 rpm에서 40초 동안 웨이퍼에 돌판에 넣고 95°C에서 14.5분 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 굽습니다.
    2. 웨이퍼와 마스크-1을 마스크 얼라이너에 로드합니다. 포토마스크의 링이 웨이퍼의 모든 가장자리와 겹치도록 웨이퍼를 배치합니다.
    3. 90 mJ / cm2의용량으로 i 라인 (365 nm 파장)으로 노출하십시오. 115 °C에서 1 분 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 하드 베이킹합니다.
    4. 웨이퍼를 RD6 개발자에게 2분 동안 담그고 솔루션을 지속적으로 교반합니다. DI H2O로 철저히 헹구고 N2 건으로 건조시십시오.
    5. 전자 빔 증발기를 사용하여 10 nm Ti를 증착한 다음 웨이퍼에 100 nm Au를 증착합니다.
      참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다.
    6. 포토레지스트가 용해되고 여분의 금속이 완전히 벗겨질 때까지 ~10분 동안 리무버 PG에 웨이퍼를 담그고, Ti/Au는 원하는 상호 연결 트레이스와 웨이퍼 가장자리 주변의 링에만 남습니다. 리프트 오프가 완료되면, 원치 않는 금속의 남아있는 흔적을 제거하기 위해 30 s에 대한 초음파 처리. 먼저 클린 리무버 PG 용액으로 웨이퍼를 헹구고 DI H2O로 완전히 헹구고 N2 건으로 웨이퍼를 건조시다.
  3. 희생 파릴렌-C 층을 입금한다(그림2C).
    1. 웨이퍼를O2 플라즈마에 30s에 노출하여 기본 파릴렌-C 층을 친수성으로 렌더링합니다. 스핀 코트 2% 세정 용액(예를 들어, DIH2O에서 30초 동안 1,000 rpm)에서 웨이퍼상에 30초 동안 웨이퍼를 5분 이상 공기 건조시키십시오.
      참고: 희석 비누 용액은 점착 방지 제 역할을 하여 희생 파릴렌-C 층이 나중에 벗겨질 수 있게 합니다.
    2. 파릴렌-C의 3 μm를 웨이퍼에 증착한다.
  4. 제2 포토마스크(mask-2)를 사용하여 웨이퍼의 가장자리 주위의 MXene 패턴과 링을 정의한다(도2D).
    1. 2.2.1-2.2.4 단계를 반복하면 이번에는 mask-2를 사용하여 노출 전에 웨이퍼와 포토 마스크 사이의 정렬 마크를 신중하게 정렬합니다.
    2. O2 플라즈마 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 포토레지스트가 다루지 않는 영역에서 희생 파릴렌-C 층을 에칭하여 Ti/Au 상호 연결및 웨이퍼 가장자리 주변의 링과 부분적으로 겹쳐야 하는 MXene 전극 및 트레이스를 정의합니다. profilometer를 사용하여 노출된 Ti/Au 상호 연결과 하단 파릴렌-C 층 사이의 프로파일을 측정하여 희생 파릴렌-C 층의 완전한 에칭을 확인합니다.
      참고: 에칭이 완료되면 노출된 금속 표면의 프로파일이 매끄럽고 하단 parylene-C 레이어는 거칠고 부분적으로 에칭됩니다. 이 식각 단계는 배럴 애셔가 아닌 평면 식각 RIE 시스템에서 완료되어야 하며, 식각 시간 및 파라미터는 RIE 시스템에 크게 의존할 것입니다.
  5. MXene 용액을 웨이퍼에 스핀코팅합니다(그림 2E).
    1. 피펫 MXene 용액을 원하는 각 MXene 패턴에, 40s. 1,000 rpm에서 웨이퍼를 회전시고, 120°C 핫 플레이트상에서 웨이퍼를 10분 동안 건조하여 MXene 필름에서 잔류물을 제거합니다.
  6. 전자 빔 증발기를 사용하여 웨이퍼 에 50 nm SiO2를 증착하고, 후속 처리 단계를 위해 MXene 패턴 위에 보호 층으로서 작용한다.
    참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다.
  7. MXene 및 SiO2 층을 패턴화하는 희생 파릴렌-C 층을 제거합니다(도2F).
    1. 웨이퍼 가장자리에 DI H2O를 조금 떨어뜨리고 핀셋을 사용하여 웨이퍼 외부 링에서 가장자리가 정의되는 곳에서 시작하여 희생 파릴렌-C 층을 벗겨냅니다.
      참고: 물은 희생 파릴렌-C 층 아래에 있는 비누 잔류물과 결합하여 이 리프트 오프를 가능하게 합니다.
    2. DIH2O에서 웨이퍼를 완전히 헹구어 남은 세척액 잔여물을 제거합니다. N2 건으로 웨이퍼를 건조한 다음, 패턴MXene 필름으로부터 잔류수를 제거하기 위해 120°C 핫 플레이트에 1시간 동안 놓습니다.
  8. 4 μm 두께의 상부 층인 파릴렌-C(그림2G)를증착한다.
  9. 세 번째 포토마스크(mask-3)를 사용하여 전극 및 Au 본딩 패드(VIA)(그림2H)에대한 장치 윤곽선 및 개구부를 정의합니다.
    1. 2.2.1-2.2.4 단계를 반복하면 이번에는 mask-3을 사용하여 노출 전에 웨이퍼와 포토 마스크 사이의 정렬 마크를 신중하게 정렬합니다.
    2. 전자 빔 증발기를 사용하여 웨이퍼에 100 nm Al을 증착합니다.
      참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다.
    3. 금속이 완전히 벗겨질 때까지 ~10 분 동안 리무버 PG에 웨이퍼를 담그고 Al은 전극과 접합 패드의 개구부로 장치를 덮습니다. 리프트 오프가 완료되면, 원치 않는 금속의 남아있는 흔적을 제거하기 위해 30 s에 대한 초음파 처리. 먼저 클린 리무버 PG 용액으로 웨이퍼를 헹구고 DI H2O로 완전히 헹구고 N2 건으로 웨이퍼를 건조시다.
  10. 파릴렌-C를 에칭하여 디바이스 윤곽을 패턴화하고 전극 및 Au 접합 패드(VIA)에 걸쳐 개구부를 패턴화한다(도2I). O2 플라즈마 RIE를 사용하여 장치를 둘러싼 파릴렌-C 층을 통해 에칭하고, MXene 전극 접점과 Au 본딩 패드를 모두 덮는 상부 파릴렌-C 층을 통해.
    참고: 장치 간 웨이퍼에 파릴렌-C 잔류물이 남아 있지 않은 경우 에칭이 완료됩니다. MXene를 덮는 SiO2 층은 에칭 스톱 층으로 작용하여 O2 플라즈마가 MXene 전극 접점으로 에칭하거나 손상되는 것을 방지합니다.
  11. 알 에칭 타입 A에서 습식 화학 식각을 사용하여 장치를 덮는 Al 층을 10 분 동안 또는 Al의 모든 시각적 흔적이 사라졌을 때 1 분 동안, 둘 중 먼저 오는. SiO2는 습식 화학 식각을 이용하여 MXene 전극을 덮고 30s에 대해 6:1 완충산화물 에산트(BOE)를 덮는다(도2J).
    참고: 이제 MXene 마이크로 전극 어레이가 완성되었습니다.
  12. Si 기판 웨이퍼로부터 장치를 장치 가장자리에 DI H2O의 작은 방울을 놓고, 모세관 작용에 의해 물이 그 아래에 사악해짐에 따라 장치를 부드럽게 벗겨냅니다(그림2K 및 그림 3).

3. 어댑터 건설 및 인터페이싱

참고: 이 시점에서 박막 마이크로전극 어레이는 전기생리학 기록 시스템에 연결하려면 어댑터와 인터페이스해야 합니다. 이 프로토콜에 사용되는 RHS2000 16-ch 스팀/레코드 헤드스테이지(표)가있는 128ch 자극/레코딩 컨트롤러는 18핀 커넥터 A79039-001과 호환되는 커넥터를 통해 입력해야 합니다. 이 섹션에서는 마이크로 전극 어레이의 Au 본딩 패드와 인터페이싱을 위한 제로 삽입력(ZIF) 커넥터가 있는 인쇄 회로 기판(PCB, 그림 4A)을사용하며, 커넥터 A79040-001은 기록 시스템의 헤드 스테이지와 인터페이싱합니다. 데이터 수집 시스템에 따라 PCB에서 다양한 커넥터를 사용하여 전기 생리학 헤드스테이지와 인터페이싱할 수 있습니다.

  1. Omnetics 및 ZIF 커넥터를 PCB의 각 접촉 패드에 솔더 페이스트의 박막필름을 적용하고, 부품을 적절한 위치에 배치하고, 솔더가 연결체를 형성하기 위해 리플로우될 때까지 핫 플레이트에 가열하여 PCB에 솔더링합니다(그림4B).
    참고 : 리플로우 납땜은 핫 플레이트 또는 토스터 오븐에서 매우 쉽게 수행 할 수 있으며 비용이 많이 드는 리플로우 오븐을 사용할 필요가 없습니다.
  2. MXene 마이크로 전극 어레이의 Au 본딩 패드 영역의 뒷면에 폴리이미드테이프(재료 표)의두 층을 적용하여 ZIF 커넥터에 고정될 수 있는 충분한 두께를 장치에 부여합니다. 테이프를 바른 후 면도날 또는 정밀 가위를 사용하여 parylene-C 장치의 가장자리를 넘어 서 있는 여분의 부분을 다듬습니다(그림4C).
  3. 검사 범위 에서 또는 돋보기 사용, Au 본딩 패드ZIF 커넥터 내부의 핀에 정렬되도록 ZIF 커넥터에 MXene 마이크로 전극 배열을 정렬 한 다음 보안 연결을 형성하기 위해 ZIF를 닫습니다(그림 4D, E).
    참고: 여기에 사용된 ZIF 커넥터는 18채널 커넥터이며 여기에 사용된 장치에는 16개의 채널이 있습니다. 추가 비접촉 채널은 레코딩 세션 중에 임피던스 테스트를 통해 개방 회로로 쉽게 식별됩니다.
  4. PCB 어댑터에 성공적으로 제작 및 연결을 보장하기 위해 전위치를 사용하여 MXene 전극의 전기 화학 적 임피던스를 테스트합니다.
    참고: 문제 해결을 돕기 위해 토론 섹션에 적절한 임피던스 값이 제공됩니다.

4. 급성 이식 및 신경 기록

참고 : 성인 남성 Sprague Dawley 쥐에 대한 수술은 멸균 기구와 무균 기술을 사용하여 수행됩니다. 호흡 속도, palpebral 반사 및 페달 핀치 반사는 마취의 깊이를 모니터링하기 위해 10 분마다 검사됩니다. 체온은 가열 패드로 유지됩니다.

  1. 선제 진통을 관리 (buprenorphine 서방 방출의 피하 주입 [SR], 1.2 mg/kg).
  2. 마취 를 관리 (60 mg / kg 케타민과 0.25 mg / kg 덱스 메데토 미딘의 혼합물의 복강 내 주입).
  3. 팔목과 페달 핀치 반사신경이 없는지 확인하여 실험 기간 동안 10분마다 적절한 수준의 마취를 확인합니다.
  4. 입체 적 프레임에 쥐를 고정, 눈에 안구 윤활유를 적용하고, 10 % 포비동 요오드로 깨끗한 면도 두피.
  5. 기본 조직의 단일 중간 선 두피 절개 및 무딘 해부로 calvaria를 노출하십시오.
  6. 00-90 나사를 두개골에 넣고 녹음을 위한 토대역할을 합니다.
  7. 작은 버와 치과 드릴을 사용하여 원하는 피질 기록 사이트에서 개두체를 만듭니다.
  8. 어레이 커넥터를 입체 연결 조작기에 고정하고 장치를 개두술 위에 배치합니다. 전체 배열이 노출된 피질과 접촉할 때까지 부드럽게 낮춥습니다.
  9. 두개골 나사 주위에 접지 와이어를 감싸.
  10. 레코딩 시스템 헤드스테이지를 어레이에 연결하고 자발적인 활동을 기록하기 시작합니다.

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결과

MXene 마이크로 전극 어레이에 기록된 샘플 마이크로-ECoG 데이터는 그림 5에나타내고 있습니다. 피질에 전극 어레이를 적용한 후, 모든 MXene 전극에 약 1mV 진폭 ECoG 신호가 나타나는 기록 전극에서 명확한 생리학적 신호가 즉시 명백해졌습니다. 이 신호의 전력 스펙트럼은 케타민 덱스메데토미딘 마취 하에 쥐에서 흔히 관찰되는 두 가지 뇌 리듬의 존재를 확인했습니다: 1-2 Hz 느린 진동 및 40-70 Hz에서 γ 진동. 부가적으로, 느린 진동의 "다운" 상태 동안의 시그니처 광대역 전력 감쇠, 및 선택적 β 밴드(15−30 Hz) 및 γ-밴드(40−120 Hz) 전력 증폭 동안 "업" 상태의 느린 진동이 관찰되었다. 결과는 연구에서 사용된 동물 종, 표적 뇌 영역, 마취 유형 및 마취 투여 이후 경과 시간에 따라 달라질 수 있다.

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토론

본 프로토콜에 기재된 MXene 합성 및 박리 절차(HF/HCl/LiCl)는 LiF/HCl(인 시투 HF) 에칭 배지26을채택한 MILD 에칭 접근법으로부터 구축되었다. MILD 접근법은 큰 Ti3C2 플레이크(측면 크기의 여러 μm)가 한 번 pH~5−6이 달성된 후 세척 하는 동안 자발적으로 침화될 수 있도록 한다. HF만으로도 에칭하는 것과 비교하면 전자 전도도 및 화학적 안정성과 같은 품질이 향상되고 재료 특성이 향상됩니다. HF/HCl/LiCl 방법은 MILD 합성 개선을 활용하는 동시에 각 단계(에칭, 인터칼레이션 및 박리)를 추가로 분리하여 사용자 제어를 강화합니다.

1.1단계에서 는 원자재(TiC, Al, Ti), 온도, 온도 램프 속도 및 시간의 비율이 올바른 MAX 단계를 달성하는 데 매우 중요합니다. 에칭 하기 전에 MAX 위상의 체질 더 균일 한 에칭을 보장 합니다. 에칭성 매...

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공개 사항

저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

이 작품은 건강의 국가 학회에 의해 지원되었다 (부여 없음. R21-NS106434), 간질 연구를 위한 시민 연합 비행 상, 미로스키 가족 재단 과 닐과 바바라 스미트 (F.V.); 국립과학재단 대학원 연구 동호회 프로그램(교부금 없음. DGE-1845298 - N.D. 및 B.M.); 육군연구실(협력계약번호 W911NF-18-2-0026~K.M.); 그리고 에지우드 화학 생물학 센터에서 표면 과학 이니셔티브 프로그램을 통해 미국 육군에 의해 (PE 0601102A 프로젝트 VR9 Y.G. 및 K.M.). 이 작업은 국립 과학 재단 국립 나노 기술 조정 인프라 프로그램 (NNCI-1542153)에 의해 지원되는 나노 기술에 대한 싱 센터에서 부분적으로 수행되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
00-90 나사McMaster-Carr90910A630접지선이 감겨 있는 두개골 나사
128ch 자극/기록 컨트롤러Intan Technologies신경 기록 시스템의 구성 요소.
175mL 폴리프로필렌(PP) 원추형 원심분리기 튜브FalconREF: 352076
18 위치 0.5mm 피치 ZIF 커넥터Molex505110-1892유연한 파릴렌 미세 전극 어레이를 PCB 어댑터 보드와 인터페이스하는 데 사용됩니다.
18위치 2열 수 나노 미니어처(.025"/.64mm) 커넥터Omnetics Connector CorporationA79008-001PCB 어댑터 보드를 레코딩 헤드스테이지에 인터페이스하는 데 사용됩니다.
3ML 일회용 플라스틱 세트 전송 눈금 피펫RienarRienar-3ML-20PCS에칭 또는 MXene 용액 전송에 사용
50mL 폴리프로필렌(PP) 원심분리기 튜브FalconREF: 352070세척 및 크기 선택에 사용
Al 에칭제 Type ATransene060-0026000-QT최종 Parylene-C 에칭 후 Al 에칭 마스크 층 제거용.
알루미늄 분말, -325 메쉬, 99.5%(금속 기준), 입자 크기 < 44 &마이크로; mAlfa AesarCAS : 7429-90-5MAX 합성
AutoCAD 소프트웨어Autodesk Inc.포토마스크 그리기를 위한 디자인 소프트웨어. 무료 대안으로는 DraftSight 및 LayoutEditor가 있습니다.
Buffered Oxide Etchant 6:1JT Baker1178-03제조 절차가 끝날 때 MXene 전극 접점을 노출시키기 위해 SiO2 층을 제거합니다.
부프레노르핀 SR야생 동물 제약쥐 수술용 진통제
원심분리기Hermle벤치마크 Z 446세척 및 크기 선택에 사용
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3쥐 수술용 마취
드릴 버Fine Science Tools19007-07드릴용 버
전기 드릴ForedomK.1070개두술용 마이크로모터 드릴
전자빔 증발기Kurt J. Lesker Company제조 중에 Ti, Au 및 SiO2를 증발시키는 데 사용됩니다. 대부분의 대학 클린룸에는 이 도구 또는 이와 유사한 도구가 있습니다.
접지선AM 시스템781500베어 실버 와이어
헤드 스페이스 바이알, 유리SupelcoREF : 27298MXene 용액 저장에 사용
염산 (12.1N)Fisher ScientificCAS : 7647-01-0부식성; 에칭 재료
불화 수소산, (H2O의 48-51 % 용액)AcrosCAS : 7664-39-3에칭 재료
Jupiter II RIE 시스템March Plasma Systems Inc.O2 플라즈마를 사용하여 Parylene-C를 에칭하는 데 사용되는 평면 RIE 에칭 시스템. 대부분의 대학 클린룸에는 유사한 평면 RIE 에칭 시스템이 있습니다.
Kapton 표준 폴리이미드 테이프, 1/4"DuPontZIF 커넥터에 삽입하기 위해 유연한 Parylene 미세 전극 어레이의 Au 본딩 패드 영역에 두께를 추가하는 데 사용됩니다.
펜실베이니아 대학의케타민쥐 수술을 위한 마취
KLA P-7 스타일러스 프로필로 KLACorporation은 2.4.2단계에서 희생 파릴렌-C 층을 통한 완전한 에칭을 확인하기 위해 측정 2D 프로파일을 사용했습니다. 대부분의 대학 클린 룸에는이 도구 또는 이와 유사한 스타일러스 프로파일 미터 도구가 있습니다.
염화 리튬, 99 % 분석, 무수AcrosCAS : 7447-41-8흡습성; 박리 재료
MA6 마스크 정렬기Karl Suss Microtec AG각 포토 마스크를 웨이퍼의 패턴에 정렬하고 웨이퍼를 자외선에 노출시키는 데 사용됩니다. 대부분의 대학 클린룸에는 이 도구 또는 이와 유사한 도구가 있습니다.
Micro-90 세척 용액International Products CorporationM-9050-12패턴화하기 위해 희생 Parylene-C 층을 제거할 수 있도록 접착 방지 층으로 사용됩니다
.NR71-3000p장치에서 Ti/Au 트레이스 및 MXene 패턴을 정의하는 데 사용되는 네거티브 포토레지스트.
안과 연고Midwest Veterinary Supply193.63200.3수술 중 각막 건조를 방지하기 위해
파릴렌 증착 시스템특수 코팅 시스템Parylene-C Parylene-C 이량체의 얇은 컨포멀 필름을 증발시키는 데 사용되는
코팅 시스템980130-c-01lbe유연한 MXene 장치의
하단 및 상단 부동태화 층으로 사용되는 유연한 폴리머포토마스크(소다석회 유리에 크롬)펜실베니아우리의 포토마스크는 하이델베르크 DWL66+ 레이저 라이터 시스템을 사용하여 대학 클린룸에서 생산되었지만 여러 공급업체는 제공된 디자인 파일에서 포토마스크를 제조합니다.
포비돈-요오드 용액MedlineMDS093901두피 절개 부위 감염 예방에 도움이 되는
인쇄 회로 기판(PCB)고급 회로MXene 전극 어레이와 전위차점 및 Intan 기록 시스템과 같은 측정 전자 장치 사이를 연결하는 데 사용됩니다. Advanced Circuits 및 기타 공급업체는 제공된 설계 파일을 기반으로 PCB를 제조 및 조립합니다.
RD6 개발자Futurrex Inc.RD6 개발자UV 노출 후 NR71-3000p 네거티브 포토레지스트를 개발하는 데 사용
참조 600 potentiostatGamry Instruments장치의 품질을 평가하기 위해 전극의 임피던스를 측정하는 데 사용
Remover PGMicroChem Corp.G050200금속 증착 후 NR71-3000p를 제거하여 리프트 오프 패터닝을 수행하는 데 사용됩니다
RHS2000 Stim SPI 인터페이스 케이블Intan Technologies신경 기록 시스템의 구성 요소입니다.
RHS2116 증폭기 보드Intan Technologies신경 기록 시스템의 구성 요소입니다.
Si 웨이퍼 WaferWorld2885제조용 기판
스핀 코터비용 효율적인 장비. 대부분의 대학 클린 룸에는 스핀 코터가 있습니다.
스테레오택시 프레임Kopf Instruments모델 902신경외과를 위한 쥐 위치 지정
테플론 코팅 자기 교반 바CorningREF: 1233W95에칭 및 삽입 중 교반에 사용
티타늄 카바이드, 99.5% (금속 기준), 입자 크기 ~2 &마이크로; mAlfa AesarCAS : 12070-08-5MAX 합성
티타늄 분말, -325 메쉬, 99 % (금속 기준), 입자 크기< 44 µ에 사용; mAlfa AesarCAS : 7440-32-6MAX 합성에 사용
초음파 세척기Reynolds Tech금속을 패터닝하기 위해 리프트 오프 과정에서 금속 및 감광액 입자를 제거합니다.
UV vis 분광 광도계ThermoScientificEvolution 201농도를 측정하고 흡수 피크를 관찰하는 데 사용
Zetasizer, 입자 크기 분석Malvern PanalyticalNano ZS입자 측면 크기 분산을 결정하는 데 사용
세척에 사용 에 사용됩니다. 병원. MXene NR71-3000p 포토레지스트 Futurrex Inc.를 특수 대학교 웨이퍼에 레지스트를 코팅하고 Micro-90 및 MXene 층을 적용하기 위한 장비

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