Method Article

오픈 소스 툴킷: 신경 기록을 위한 벤치탑 탄소 섬유 마이크로전디 어레이

DOI:

10.3791/63099

⸱

October 29th, 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, 3Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts Lowell, 4Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, Ann Arbor, 5Neuroscience Graduate Program, University of Michigan, Ann Arbor, 6Robotics Graduate Program, University of Michigan, Ann Arbor

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서는 신경과 뇌 에서 생체 내에서 기록하기 위한 맞춤형 탄소 섬유 전극 어레이를 위한 제조 방법론을 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

기존의 말초 신경 프로브는 주로 클린룸에서 제작되어 여러 개의 고가의 고도로 특수화된 공구를 사용해야 합니다. 이 백서는 미숙한 클린룸 사용자가 신속하게 학습할 수 있는 탄소 섬유 신경 전극 어레이의 클린룸 "빛" 제조 공정을 제시합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제작 공정에는 한계 비용으로 상업 처리 시설에 신속하게 학습하거나 아웃소싱 할 수있는 하나의 클린룸 도구 인 Parylene C 증착 기계가 필요합니다. 이 제조 프로세스에는 수동 채우기 인쇄 회로 기판, 절연 및 팁 최적화가 포함됩니다.

여기서 탐구한 세 가지 팁 최적화(Nd:YAG 레이저, 블로토치 및 UV 레이저)는 다양한 팁 지오메트리와 1kHz 임피던스를 생성하며, 불발섬유가 가장 낮은 임피던스를 생성합니다. 이전 실험은 레이저와 블로토치 전극 효능을 입증했지만,이 논문은 또한 UV 레이저 절단 섬유가 생체 내에서 신경 신호를 기록 할 수 있음을 보여줍니다. 기존 탄소 섬유 배열은 번들에 찬성하여 전극을 열수 하지 않거나 인구 및 절연을 위해 클린룸 조작 가이드가 필요합니다. 제안된 배열은 섬유 채우기의 벤치탑에서 사용할 수 있는 도구만 사용합니다. 이 탄소 섬유 전극 어레이 제조 공정을 통해 상용 프로브에 비해 가격이 낮아지며 벌크 어레이 제작을 신속하게 사용자 정의할 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

신경 과학 연구의 대부분은 전기 생리학 (ePhys)을 사용하여 신경 신호를 기록하는 데 의존합니다. 이 신경 신호는 신경망및 두뇌 기계 및 말초 신경 인터페이스와 같은 새로운 의학 처리의 기능을 이해하는 데 중요합니다1,2,3,4,5,6. 말초 신경을 둘러싼 연구는 사용자 정의 또는 시판 적으로 사용할 수있는 신경 기록 전극을 필요로한다. 미크론 스케일 치수와 깨지기 쉬운 재료가 있는 신경 기록 전극 고유 도구는 특수 한 기술과 장비를 필요로 합니다. 특정 종단 용도로 다양한 특수 프로브가 개발되었습니다. 그러나 이는 현재 사용 가능한 상용 프로브를 중심으로 실험을 설계해야 하거나 실험실이 장시간 진행되는 전문 프로브 개발에 투자해야 한다는 것을 의미합니다. 말초 신경에서 신경 연구의 다양 한 다양 한 때문에, 다재 다능 한 ePhys 프로브에 대 한 높은 수요가 있다4,7,8<....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

모든 동물 절차는 미시간 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었다.

1. 탄소 섬유 배열 선택

  1. 그림 1에 표시된 세 가지 디자인 중 하나에서 인쇄 회로 기판(PCB)을 선택합니다.
    참고: 이 프로토콜의 경우 플렉스 어레이가 초점이 됩니다.
    1. Chestek Lab 웹 사이트 (https://chestekresearch.engin.umich.edu)의 PCB 디자인을 무료로 참조하고 PCB 인쇄 하우스를 통해 인쇄를 위해 전송및 주문 할 준비가되어 있습니다.
    2. 각 보드에 대한 커넥터 요약과 해당 사양에 대한 표 1 을 참조하여 특정 실험 설정에 적합한 커넥터를 선택하는 데 도움이 됩니다.

2. 커넥터를 회로 기판으로 납땜

  1. 납땜 철을 315°C(600°F)로 설정합니다.
  2. PCB의 모든 납땜 패드에 플럭스를 적용합니다.
    참고: 튜브 내의 플럭스는 패드를 가로질러 압착될 수 있으며, 냄비에 플럭스는 모든 패드에 플럭스를 ....

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

팁 유효성 검사: SEM 이미지
이전 작품20 은 파라렌 C가 녹음 사이트를 가로 질러 접히면서 가위 절단이 신뢰할 수없는 임피던스를 초래했다는 것을 보여주었습니다. 가위 절단은 추가 마무리 절단 방법으로 처리하기 전에 원하는 길이로 섬유를 절단하기 위해 여기에 사용됩니다. 팁의 SEM 이미지는 노출된 탄소 길이와 팁 형상을 결정하는 데 사용되었다(그림 8).

가위와 Nd:YAG 레이저 컷 섬유는 이전에 17,20을 검토하였다. 가위 절단 섬유(그림 8A)는 일관되지 않은 팁 형상을 가지며, parylene C는 cut20을 할 때 끝에 접을 수 있습.......

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

재료 대체
사용된 모든 자료는 재료 표에 요약되어 있지만 특정 공급업체에서 나오는 재료는 거의 없습니다. Flex Array 보드는 유연한 보드를 인쇄할 수 있는 유일한 회사이기 때문에 나열된 공급업체에서 제공해야 합니다. Flex Array 커넥터는 독점 커넥터이므로 나열된 공급업체에서 주문해야 합니다. Parylene C는 섬유의 절연 재료로서 실온에서 상온에서 콘단형 코팅을 제공하여 생체 내 환경을 견딜 수 있는 신뢰할 수 있는 방식으로 권장합니다. 보드의 폴리이미드 보드와 에폭스는 다른 절연 기술에 필요한 고온을 견딜 수 없습니다. 다른 모든 자료는 다른 공급업체에서 구입하거나 사용자의 재량에 따라 대안을 교환할 수 있습니다. 이 빌드는 최종 사용자의 실험에 맞게 유연하고 사용자 정의할 수 있도록 하기 위한 것입니다. 그러나 나열된 자료 또는 공급업체의 변경 내용은 최종 사용자가 확인해야 합니다.

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품은 국가 신경 장애 및 뇌졸중 연구소 (UF1NS107659 및 UF1NS115817)와 국립 과학 재단 (1707316)에 의해 재정적으로 지원되었습니다. 저자는 미시간 공과 대학의 재정 지원과 미시간 재료 특성화 센터와 반 발랙 학부 실험실의 기술 지원을 인정합니다. 저자는 자신의 Nd: YAG 레이저와 그들의 Parylene C 증착 기계의 사용에 대 한 Lurie 나노 제조 시설의 사용에 대 한 칼릴 나자피 박사감사. 우리는 또한 상용 코팅 비교 연구에서 그들의 도움에 대한 특수 코팅 시스템 (인디애나 폴리스, IN)에 감사드립니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3 갈래 조개05-769-6QFisher수량: 2
단가(USD): 20
3,4-ethylenedioxythiophene (25 g)
(PEDOT)		96618Sigma-Aldrich수량: 1
단가(USD): 102
353ND-T 에폭시(8oz)++
(ZIF 및 와이드 보드만 해당)		353ND-T/8OZ에폭시 기술수량: 1
단가(USD): 48
Ag/AgCl (3M NaCl) 기준 전극 (3팩)50-854-570Fisher수량: 1
단가(USD): 100
AutolabPGSTAT12Metrohm
Blowtorch1WG61Grainger수량: 1
단가(USD): 36
Carbon FibersT-650/35 3KCytec Thornel수량: 1
단가(USD): n/a
Carbon tapeNC1784521Fisher수량: 1
단가(USD): 27
Cotton Tipped ApplicatorWOD1002MediChoice수량: 1
단가(USD): 0.57
Delayed Set Epoxy++1FBG8Grainger수량: 1
단가(USD): 3
DI Watern/a해당 없음 수량: n/a
단가(USD): 해당 사항 없음
Dumont 핀셋 #550-822-409Fisher수량: 1
단가(USD): 73
Flex Array**n/aMicroConnex수량: 1
단가(USD): 68
FluxSMD291ST8CCDigiKey수량: 1
단가(USD): 13
Glass Capillaries(350팩)50-821-986Fisher수량: 1
단가(USD): 60
Glass Dish해당없음 수량: 1
단가(USD): 해당 없음
Hirose Connector
(ZIF 전용)		H3859CT-NDDigiKey수량: 2
단가(USD): 2
내광유리병해당 없음Fisher수량: 1
단가(USD): 해당 없음
Micropipette Heating FilimentFB315BSutter Instrument Co수량: 1
단가(USD): n/a
Micropipette PullerP-97Sutter Instrument Co수량: 1
단가(USD): n/a
니트릴 장갑(200팩)19-041-171CFisher수량: 1
단가(USD): 47
오프라인 분류기 소프트웨어n/aPlexon수량: 1
단가(USD): n/a
Omnetics Connector*
(Flex Array Only)		A79025-001Omnetics Inc수량: 1
단가(USD): 35
Omnetics Connector*
(Flex Array 전용)		A79024-001Omnetics Inc수량: 1
단가(USD): 35
Omnetics to ZIF connectorZCA-OMN16Tucker-Davis Technologies수량: 1
단가(USD): 해당 사항 없음
Pin Terminal Connector
(와이드 보드만 해당)		ED11523-NDDigiKey수량: 16
단가(USD): 10
프로브 보관 상자G2085Melmat수량: 1
단가(USD): 2
Razor Blade4A807Grainger수량: 1
단가(USD): 2
SEM post16327lnf수량: 1
단가(USD): 3
은 에폭시(1oz)++H20E/1OZ에폭시 기술수량: 1
단가(USD): 125
Silver GND REF wires50-822-122Fisher수량: 1
단가(USD): 423.2
Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g152536Sigma-Aldrich수량: 1
단가(USD): 59
솔더24-6337-9703DigiKey수량: 1
단가(USD): 60
솔더링 인두 팁T0054449899N-NDDigikey수량: 1
단가(USD): 13
Soldering StationWD1002N-NDDigikey수량: 1
단가(USD): 374
SpotCure-B UV LED 경화 시스템해당 사항FusionNet LLC수량: 1
단가(USD): 895
스테인리스 스틸 막대n/a없음수량: 1
단가(USD): 해당 사항 없음
Stir Plate해당Fisher수량: 1
단가(USD): 해당 사항 없음
수술용 가위08-953-1BFisher수량: 1
단가(USD): 100
TDT Shroud
(ZIF 전용)		Z3_ZC16SHRD_RSNTDT수량: 1
단가(USD): 3.5
테프론 핀셋50-380-043Fisher수량: 1
단가(USD): 47
UV & 가시광선 안전 유리92522록타이트수량: 1
단가(USD): 45
UV 에폭시(8oz)++
(플렉스 어레이만 해당)		OG142-87/8OZ에폭시 기술수량: 1
단가(USD): 83
UV 레이저해당WER) 수량: 1
단가(USD): 30
Weigh boat
(500팩)		08-732-112Fisher수량: 1
단가(USD): 58
Wide Board+N/AAdvanced Circuits수량: 1
단가(USD): 3
ZIF Active HeadstageZC16Tucker-Davis Technologies수량: 1
단가(USD): 925
ZIF Passive HeadstageZC16-PTucker-Davis Technologies수량: 1
단가(USD): 625
ZIF*n/aCoast to Coast Circuits수량: 1
단가 (USD): 9
없음 해당 사항 없음 없음(

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665(2017).
  2. Cunningham, J. P., et al.

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Carbon Fiber ElectrodesMicroelectrode ArrayNerve RecordingBenchtop FabricationTip OptimizationUV Laser CuttingBlowtorch ElectrodeParylene C DepositionElectrophysiological RecordingPeripheral Nerve Probe

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