여기서 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하고 생체 내 신경 기록용으로 활용하는 방법을 설명합니다.
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이 논문에서
요약
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.
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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.
- MAX 위상 합성
- 공 밀링TiC
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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.
....액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 00-90 나사 | McMaster-Carr | 90910A630 | 접지선이 감겨 있는 두개골 나사 |
| 128ch 자극/기록 컨트롤러 | Intan Technologies | 신경 기록 시스템의 구성 요소. | |
| 175mL 폴리프로필렌(PP) 원추형 원심분리기 튜브 | Falcon | REF: 352076 | |
| 18 위치 0.5mm 피치 ZIF 커넥터 | Molex | 505110-1892 | 유연한 파릴렌 미세 전극 어레이를 PCB 어댑터 보드와 인터페이스하는 데 사용됩니다. |
| 18위치 2열 수 나노 미니어처(.025"/.64mm) 커넥터 | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | PCB 어댑터 보드를 레코딩 헤드스테이지에 인터페이스하는 데 사용됩니다. |
| 3ML 일회용 플라스틱 세트 전송 눈금 피펫 | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | 에칭 또는 MXene 용액 전송에 사용 |
| 50mL 폴리프로필렌(PP) 원심분리기 튜브 | Falcon | REF: 352070 | 세척 및 크기 선택에 사용 |
| Al 에칭제 Type A | Transene | 060-0026000-QT | 최종 Parylene-C 에칭 후 Al 에칭 마스크 층 제거용. |
| 알루미늄 분말, -325 메쉬, 99.5%(금속 기준), 입자 크기 < 44 &마이크로; m | Alfa Aesar | CAS : 7429-90-5 | MAX 합성 |
| AutoCAD 소프트웨어 | Autodesk Inc. | 포토마스크 그리기를 위한 디자인 소프트웨어. 무료 대안으로는 DraftSight 및 LayoutEditor가 있습니다. | |
| Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | 제조 절차가 끝날 때 MXene 전극 접점을 노출시키기 위해 SiO2 층을 제거합니다. |
| 부프레노르핀 SR | 야생 동물 제약 | 쥐 수술용 진통제 | |
| 원심분리기 | Hermle | 벤치마크 Z 446 | 세척 및 크기 선택에 사용 |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | 쥐 수술용 마취 |
| 드릴 버 | Fine Science Tools | 19007-07 | 드릴용 버 |
| 전기 드릴 | Foredom | K.1070 | 개두술용 마이크로모터 드릴 |
| 전자빔 증발기 | Kurt J. Lesker Company | 제조 중에 Ti, Au 및 SiO2를 증발시키는 데 사용됩니다. 대부분의 대학 클린룸에는 이 도구 또는 이와 유사한 도구가 있습니다. | |
| 접지선 | AM 시스템 | 781500 | 베어 실버 와이어 |
| 헤드 스페이스 바이알, 유리 | Supelco | REF : 27298 | MXene 용액 저장에 사용 |
| 염산 (12.1N) | Fisher Scientific | CAS : 7647-01-0 | 부식성; 에칭 재료 |
| 불화 수소산, (H2O의 48-51 % 용액) | Acros | CAS : 7664-39-3 | 에칭 재료 |
| Jupiter II RIE 시스템 | March 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" | DuPont | ZIF 커넥터에 삽입하기 위해 유연한 Parylene 미세 전극 어레이의 Au 본딩 패드 영역에 두께를 추가하는 데 사용됩니다. | |
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| 염화 리튬, 99 % 분석, 무수 | Acros | CAS : 7447-41-8 | 흡습성; 박리 재료 |
| MA6 마스크 정렬기 | Karl Suss Microtec AG | 각 포토 마스크를 웨이퍼의 패턴에 정렬하고 웨이퍼를 자외선에 노출시키는 데 사용됩니다. 대부분의 대학 클린룸에는 이 도구 또는 이와 유사한 도구가 있습니다. | |
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| . | NR71-3000p | 장치에서 Ti/Au 트레이스 및 MXene 패턴을 정의하는 데 사용되는 네거티브 포토레지스트. | |
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| RD6 개발자 | Futurrex Inc. | RD6 개발자 | UV 노출 후 NR71-3000p 네거티브 포토레지스트를 개발하는 데 사용 |
| 참조 600 potentiostat | Gamry Instruments | 장치의 품질을 평가하기 위해 전극의 임피던스를 측정하는 데 사용 | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | 금속 증착 후 NR71-3000p를 제거하여 리프트 오프 패터닝을 수행하는 데 사용됩니다 |
| RHS2000 Stim SPI 인터페이스 케이블 | Intan Technologies | 신경 기록 시스템의 구성 요소입니다. | |
| RHS2116 증폭기 보드 | Intan Technologies | 신경 기록 시스템의 구성 요소입니다. | |
| Si 웨이퍼 Wafer | World | 2885 | 제조용 기판 |
| 스핀 코터 | 비용 효율적인 장비 | . 대부분의 대학 클린 룸에는 스핀 코터가 있습니다. | |
| 스테레오택시 프레임 | Kopf Instruments | 모델 902 | 신경외과를 위한 쥐 위치 지정 |
| 테플론 코팅 자기 교반 바 | Corning | REF: 1233W95 | 에칭 및 삽입 중 교반에 사용 |
| 티타늄 카바이드, 99.5% (금속 기준), 입자 크기 ~2 &마이크로; m | Alfa Aesar | CAS : 12070-08-5 | MAX 합성 |
| 티타늄 분말, -325 메쉬, 99 % (금속 기준), 입자 크기< 44 µ에 사용; m | Alfa Aesar | CAS : 7440-32-6 | MAX 합성에 사용 |
| 초음파 세척기 | Reynolds Tech | 금속을 패터닝하기 위해 리프트 오프 과정에서 금속 및 감광액 입자를 제거합니다. | |
| UV vis 분광 광도계 | ThermoScientific | Evolution 201 | 농도를 측정하고 흡수 피크를 관찰하는 데 사용 |
| Zetasizer, 입자 크기 분석 | Malvern Panalytical | Nano ZS | 입자 측면 크기 분산을 결정하는 데 사용 |
참고문헌
- Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001(2011).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M.
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