Name: 오픈 소스 툴킷: 신경 기록을 위한 벤치탑 탄소 섬유 마이크로전디 어레이 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-10-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 50 s
Description: 배우세요 탄소 섬유 전극 어레이 제작 방법을 신경과학 연구에 활용하세요. 클린룸 없이 벤치탑에서 신경 기록용 맞춤형 전극을 만들어 조직 손상을 최소화하고 정밀한 생체 내 신호 측정이 가능합니다.

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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.

<ol><li>Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+interfaces+for+intracortical+recording%3A+Requirements%2C+fabrication+methods%2C+and+characteristics%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics.</a> Frontiers in Neuroscience. 11, 665(2017).</li>
<li>Cunningham, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+closed-loop+human+simulator+for+investigating+the+role+of+feedback+control+in+brain-machine+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces.</a> Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).</li>
<li>Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYoshida%2C+K+%22Neuroprosthetics%3A+Theory+and+Practice%22">Neuroprosthetics: Theory and Practice</a>. Horch, K., Kipke, D. , World Scientific. 377-466 (2017).</li>
<li>Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+high+contact-density%2C+flat-interface+nerve+electrodes+for+recording+and+stimulation+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3A+JoVE%22%5BJournal%5D)">Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388(2016).</li>
<li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cuff+and+sieve+electrode+%28CASE%29%3A+The+combination+of+neural+electrodes+for+bi-directional+peripheral+nerve+interfacing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing.</a> Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602(2020).</li>
<li>Ciancio, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+prosthetic+hands+via+the+peripheral+nervous+system%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system.</a> Frontiers in Neuroscience. 10, 116(2016).</li>
<li>Jiman, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-channel+intraneural+vagus+nerve+recordings+with+a+novel+high-density+carbon+fiber+microelectrode+array%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array.</a> Scientific Reports. 10 (1), 15501(2020).</li>
<li>Welle, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sharpened+and+mechanically+robust+carbon+fiber+electrode+arrays+for+neural+interfacing%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).</li>
<li>Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Model-based+analysis+of+cortical+recording+with+silicon+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes.</a> Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).</li>
<li>Neural cuff. Ardiem Medical. , Available from: 
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<li>Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro. , Available from: 
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<li>Mortimer, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspectives+on+new+electrode+technology+for+stimulating+peripheral+nerves+with+implantable+motor+prostheses%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses.</a> IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).</li>
<li>Boretius, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+transverse+intrafascicular+multichannel+electrode+%28TIME%29+to+interface+with+the+peripheral+nerve%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+%26+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve.</a> Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).</li>
<li>Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implanted+neural+interfaces+biochallenges+and+engineered+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).</li>
<li>Larson, C. E., Meng, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+for+the+peripheral+nerve+interface+designer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">A review for the peripheral nerve interface designer.</a> Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523(2020).</li>
<li>Christensen, M. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+foreign+body+response+to+the+Utah+Slant+Electrode+Array+in+the+cat+sciatic+nerve%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve.</a> Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).</li>
<li>Patel, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+in+vivo+stability+assessment+of+carbon+fiber+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays.</a> Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002(2016).</li>
<li>Yoshida Kozai, T. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasmall+implantable+composite+microelectrodes+with+bioactive+surfaces+for+chronic+neural+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces.</a> Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).</li>
<li>Saito, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+carbon+fibers+to+biomaterials%3A+A+new+era+of+nano-level+control+of+carbon+fibers+after+30-years+of+development%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development.</a> Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).</li>
<li>Welle, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+characterization+of+a+carbon+fiber+peripheral+nerve+electrode+appropriate+for+chronic+recording%5BTitle%5D)+AND+%22FASEB+Journal%22%5BJournal%5D)">Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording.</a> FASEB Journal. 34 (1), 1(2020).</li>
<li>Guitchounts, G., Cox, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((64-Channel+carbon+fiber+electrode+arrays+for+chronic+electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology.</a> Scientific Reports. 10 (1), 3830(2020).</li>
<li>Patel, P. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+density+carbon+fiber+arrays+for+chronic+electrophysiology%2C+fast+scan+cyclic+voltammetry%2C+and+correlative+anatomy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy.</a> Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029(2020).</li>
<li>Massey, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Open-source+automated+system+for+assembling+a+high-density+microwire+neural+recording+array%5BTitle%5D)+AND+%222016+International+Conference+on+Manipulation%2C+Automation+and+Robotics+at+Small+Scales+%28MARSS%29%22%5BJournal%5D)">Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array.</a> 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).</li>
<li>Schwerdt, H. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subcellular+probes+for+neurochemical+recording+from+multiple+brain+sites%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites.</a> Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).</li>
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<li>Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+carbon-fiber+electrode+array+for+long-term+neural+recording%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording.</a> Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016(2013).</li>
<li>Gillis, W. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+fiber+on+polyimide+ultra-microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010(2018).</li>
<li>Dong, T., Chen, L., Shih, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+sharpening+of+carbon+fiber+microelectrode+arrays+for+brain+recording%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micro+and+Nano-Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording.</a> Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013(2020).</li>
<li>Massey, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-density+carbon+fiber+neural+recording+array+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A high-density carbon fiber neural recording array technology.</a> Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024(2019).</li>
<li>Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tutorial%3A+a+computational+framework+for+the+design+and+optimization+of+peripheral+neural+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Protocols%22%5BJournal%5D)">Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces.</a> Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).</li>
<li>Khani, H., Wipf, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+tip-protected+polymer-coated+carbon-fiber+ultramicroelectrodes+and+pH+ultramicroelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).</li>
<li>El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+tip-protected+poly%28oxyphenylene%29+coated+carbon-fiber+ultramicroelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes.</a> Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).</li>
<li>Venkatraman, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+and+in+vivo+evaluation+of+PEDOT+microelectrodes+for+neural+stimulation+and+recording%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Neural+Systems+and+Rehabilitation+Engineering%22%5BJournal%5D)">In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).</li>
<li>Petrossians, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrodeposition+and+Characterization+of+Thin-Film+Platinum-Iridium+Alloys+for+Biological+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces.</a> Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).</li>
<li>Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-impedance%2C+high+surface+area+Pt-Ir+electrodeposited+on+cochlear+implant+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).</li>
<li>Cassar, I. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrodeposited+platinum-iridium+coating+improves+in+vivo+recording+performance+of+chronically+implanted+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays.</a> Biomaterials. 205, 120-132 (2019).</li>
<li>Taylor, I. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+dopamine+detection+sensitivity+by+PEDOT%2Fgraphene+oxide+coating+on+in+vivo+carbon+fiber+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes.</a> Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).</li>
<li>Mohanaraj, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticle+modified+carbon+fiber+microelectrodes+for+enhanced+neurochemical+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3A+JoVE%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552(2019).</li>
<li>Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 - Carbon fibers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPusch%2C+J+%22Inorganic+and+composite+fibers.+Production%2C+properties%2C+and+applications%22">Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications</a>. , Woodhead Publishing. 31-51 (2019).</li>
<li>Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+responses+of+carbon+fiber+microelectrodes+to+dopamine+in+vitro+and+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biologica+Szegediensis%22%5BJournal%5D)">Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo.</a> Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).</li>
</ol>

저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

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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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. 이상적인 ePhys 프로브는 작은 녹음 사이트, 낮은 임피댄스9, 시스템의 구현을위한 재정적으로 현실적인 가격 포인트를 특징으로합니다3.
현재 상용 전극은 신경 외부에 앉아 있는 신경 신경또는 커프 전극(신경 커프스 전극111)이거나 신경을 관통하고 관심있는 근막 안에 앉는 근해 내의 경향이 있습니다. 그러나 커프 전극이 섬유에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 근처의 근육과 대상이 아닐 수 있는 다른 매심에서 더 많은 소음을 냅니다. 이 프로브는 또한 신경을 수축하는 경향이, 이는 신경교 세포의 biofouling-a 형성으로 이어질 수 있습니다 및 흉터 조직-조직이 치유 하는 동안 전극 인터페이스에서. 내막 전극(예: LIFE12, TIME13 및 유타 Arrays14)은 근심 선택성의 이점을 더하고 장비 인터페이싱을 위한 신호를 분리하는 데 중요한 신호 대 잡음 비율이 양호합니다. 그러나, 이 탐사선은 시간이 지남에 따라 변형되는 신경과 함께 생체 적합성에 문제가 있습니다3,15,16. 상업적으로 구입하면 이 두 프로브 모두 실험별 사용자 지정옵션이 없는 정적 설계를 가지고 있으며 새로운 실험실에서 비용이 많이 듭니다.
다른 프로브가 제시한 높은 비용 및 생체 적합성 문제에 대응하여 탄소 섬유 전극은 특수 장비 없이 자체 프로브를 구축하기 위한 신경 과학 실험실을 위한 길을 제공할 수 있습니다. 탄소 섬유는 낮은 손상 삽입을 허용하는 작은 폼 팩터를 가진 대체 기록 재료입니다. 탄소 섬유는 집중적인 클린룸 처리 없이 실리콘17,18,19보다 생체 적합성이 우수하고 흉터 반응이 상당히 낮습니다5,13,14. 탄소 섬유는 유연하고 내구성이 뛰어나며 다른 생체 재료와 쉽게 통합할 수 있으며 신경7,20에서 침투하고 기록 할 수 있습니다. 탄소 섬유의 많은 장점에도 불구하고, 많은 실험실은 이러한 배열의 수동 제작이 힘들다고 합니다. 일부 그룹21은 탄소 섬유를 번들에 결합하여 전체적으로 더 큰 (~200 μm) 직경을 초래합니다. 그러나, 우리의 지식에, 이러한 번들은 신경에서 확인되지 않았습니다. 다른 사람들은 분산 된 탄소 섬유 전극 배열을 제작했지만, 그 방법은 클린룸 제작 탄소 섬유 가이드22,23,24 및 장비가 필요합니다17,23,24. 이를 해결하기 위해 실험실 벤치탑에서 수행할 수 있는 탄소 섬유 어레이를 제작하여 즉석 수정을 가능하게 합니다. 그 결과 어레이는 특수 섬유 채우기 도구 없이 분산된 전극 팁을 유지합니다. 또한 연구 실험의 요구에 맞게 여러 형상이 제공됩니다. 이전 작업에서 건물8,17,22,25, 이 문서는 필요한 최소한의 클린룸 교육 시간을 사용하여 수동으로 배열의 여러 스타일을 구축하고 수정하는 상세한 방법을 제공합니다.

<table><tbody><tr><td>3 갈래 조개</td><td>05-769-6Q</td><td>Fisher</td><td>수량: 2 단가(USD): 20</td></tr><tr><td>3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT)</td><td>96618</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>수량: 1 단가(USD): 102</td></tr><tr><td>353ND-T 에폭시(8oz)++ (ZIF 및 와이드 보드만 해당)</td><td>353ND-T/8OZ</td><td>에폭시 기술</td><td>수량: 1 단가(USD): 48</td></tr><tr><td>Ag/AgCl (3M NaCl) 기준 전극 (3팩)</td><td>50-854-570</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 100</td></tr><tr><td>Autolab</td><td>PGSTAT12</td><td>Metrohm</td><td></td></tr><tr><td>Blowtorch</td><td>1WG61</td><td>Grainger</td><td>수량: 1 단가(USD): 36</td></tr><tr><td>Carbon Fibers</td><td>T-650/35 3K</td><td>Cytec Thornel</td><td>수량: 1 단가(USD): n/a</td></tr><tr><td>Carbon tape</td><td>NC1784521</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 27</td></tr><tr><td>Cotton Tipped Applicator</td><td>WOD1002</td><td>MediChoice</td><td>수량: 1 단가(USD): 0.57</td></tr><tr><td>Delayed Set Epoxy++</td><td>1FBG8</td><td>Grainger</td><td>수량: 1 단가(USD): 3</td></tr><tr><td>DI Water</td><td>n/a</td><td></td><td>해당 없음 수량: n/a 단가(USD): 해당 사항 없음</td></tr><tr><td>Dumont 핀셋 #5</td><td>50-822-409</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 73</td></tr><tr><td>Flex Array**</td><td>n/a</td><td>MicroConnex</td><td>수량: 1 단가(USD): 68</td></tr><tr><td>Flux</td><td>SMD291ST8CC</td><td>DigiKey</td><td>수량: 1 단가(USD): 13</td></tr><tr><td>Glass Capillaries(350팩)</td><td>50-821-986</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 60</td></tr><tr><td>Glass Dish</td><td>해당</td><td>없음 수량</td><td>: 1 단가(USD): 해당 없음</td></tr><tr><td>Hirose Connector (ZIF 전용)</td><td>H3859CT-ND</td><td>DigiKey</td><td>수량: 2 단가(USD): 2</td></tr><tr><td>내광유리병</td><td>해당 없음</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 해당 없음</td></tr><tr><td>Micropipette Heating Filiment</td><td>FB315B</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>수량: 1 단가(USD): n/a</td></tr><tr><td>Micropipette Puller</td><td>P-97</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>수량: 1 단가(USD): n/a</td></tr><tr><td>니트릴 장갑(200팩)</td><td>19-041-171C</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 47</td></tr><tr><td>오프라인 분류기 소프트웨어</td><td>n/a</td><td>Plexon</td><td>수량: 1 단가(USD): n/a</td></tr><tr><td>Omnetics Connector* (Flex Array Only)</td><td>A79025-001</td><td>Omnetics Inc</td><td>수량: 1 단가(USD): 35</td></tr><tr><td>Omnetics Connector* (Flex Array 전용)</td><td>A79024-001</td><td>Omnetics Inc</td><td>수량: 1 단가(USD): 35</td></tr><tr><td>Omnetics to ZIF connector</td><td>ZCA-OMN16</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>수량: 1 단가(USD): 해당 사항 없음</td></tr><tr><td>Pin Terminal Connector (와이드 보드만 해당)</td><td>ED11523-ND</td><td>DigiKey</td><td>수량: 16 단가(USD): 10</td></tr><tr><td>프로브 보관 상자</td><td>G2085</td><td>Melmat</td><td>수량: 1 단가(USD): 2</td></tr><tr><td>Razor Blade</td><td>4A807</td><td>Grainger</td><td>수량: 1 단가(USD): 2</td></tr><tr><td>SEM post</td><td>16327</td><td>lnf</td><td>수량: 1 단가(USD): 3</td></tr><tr><td>은 에폭시(1oz)++</td><td>H20E/1OZ</td><td>에폭시 기술</td><td>수량: 1 단가(USD): 125</td></tr><tr><td>Silver GND REF wires</td><td>50-822-122</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 423.2</td></tr><tr><td>Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g</td><td>152536</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>수량: 1 단가(USD): 59</td></tr><tr><td>솔더</td><td>24-6337-9703</td><td>DigiKey</td><td>수량: 1 단가(USD): 60</td></tr><tr><td>솔더링 인두 팁</td><td>T0054449899N-ND</td><td>Digikey</td><td>수량: 1 단가(USD): 13</td></tr><tr><td>Soldering Station</td><td>WD1002N-ND</td><td>Digikey</td><td>수량: 1 단가(USD): 374</td></tr><tr><td>SpotCure-B UV LED 경화 시스템</td><td>해당 사항</td> 없음 <td>FusionNet LLC</td><td>수량: 1 단가(USD): 895</td></tr><tr><td>스테인리스 스틸 막대</td><td>n/a</td> 해당 <td>없음</td><td>수량: 1 단가(USD): 해당 사항 없음</td></tr><tr><td>Stir Plate</td><td>해당</td> 사항 없음 <td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 해당 사항 없음</td></tr><tr><td>수술용 가위</td><td>08-953-1B</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 100</td></tr><tr><td>TDT Shroud (ZIF 전용)</td><td>Z3_ZC16SHRD_RSN</td><td>TDT</td><td>수량: 1 단가(USD): 3.5</td></tr><tr><td>테프론 핀셋</td><td>50-380-043</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 47</td></tr><tr><td>UV & 가시광선 안전 유리</td><td>92522</td><td>록타이트</td><td>수량: 1 단가(USD): 45</td></tr><tr><td>UV 에폭시(8oz)++ (플렉스 어레이만 해당)</td><td>OG142-87/8OZ</td><td>에폭시 기술</td><td>수량: 1 단가(USD): 83</td></tr><tr><td>UV 레이저</td><td>해당</td> 없음(<td>WER</td><td>) 수량: 1 단가(USD): 30</td></tr><tr><td>Weigh boat (500팩)</td><td>08-732-112</td><td>Fisher</td><td>수량: 1 단가(USD): 58</td></tr><tr><td>Wide Board+</td><td>N/A</td><td>Advanced Circuits</td><td>수량: 1 단가(USD): 3</td></tr><tr><td>ZIF Active Headstage</td><td>ZC16</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>수량: 1 단가(USD): 925</td></tr><tr><td>ZIF Passive Headstage</td><td>ZC16-P</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>수량: 1 단가(USD): 625</td></tr><tr><td>ZIF*</td><td>n/a</td><td>Coast to Coast Circuits</td><td>수량: 1 단가 (USD): 9</td></tr></tbody></table>

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

Open-source Toolkit: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array for Nerve Recording

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.

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...

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

Conventional peripheral nerve probes are primarily fabricated in a cleanroom, requiring the use of multiple expensive and highly specialized tools. This ...

탄소 섬유 전극은 뉴런보다 작으며 손상을 최소화합니다. 또한 벤치 상단에 최소한의 특수 장비로 제조 할 수 있습니다. 이 기술의 가장 큰 장점은 단순성에 있습니다.이를 통해 사용자는 클린 룸 경험없이 신경망 배열을 구축하고 사용자 정의 할 수 있습니다. 탄소 섬유를 조작하고 은색 에폭시를 배치하는 것은 까다롭고 중요합니다. 이 두 부분은 많은 연습과 미세한 모터 제어가 필요합니다.첫날은 항상 최악이지만, 연습을 통해 약 일주일 후에 기능적 신경 배열을 만들 수 있습니다. 시작하려면 납땜 인두를 섭씨 315도까지 설정하십시오. 모든 납땜 패드에 플럭스를 적용합니다.플렉스 어레이의 후면 패드에 작은 납땜 마운드를 형성한 다음 커넥터의 양쪽에 있는 핀을 납땜합니다. 고정되면 앞 핀 사이의 납땜 인두 팁을 부드럽게 밀어 뒤쪽의 나머지 연결을 납땜합니다. 납땜에 시간이 오래 걸리는 경우 추가 플럭스 레이어를 적용한 다음 핀의 앞줄을 보드에 납땜하십시오.100 % 이소프로필 알코올과 짧은 강모 브러시로 과도한 플럭스를 닦아냅니다. 다음으로, 놓인 세트 에폭시를 주사기로 천천히 밀고, 베벨면을 핀에 내려 놓고 납땜 된 연결을 캡슐화하십시오. 보드의 뒷면에 에폭시의 작은 선을 놓고 커넥터의 가장자리에 당겨 고정시킵니다.유리 풀러와 필라멘트로 모세 혈관을 만드십시오. 당겨진 유리 모세관을 잘라서 끝이 배열의 흔적 사이에 맞도록하십시오. 그런 다음 은색 에폭시의 약 일대일 비율을 플라스틱 접시에 넣고 두 개의 면화 팁 어플리케이터의 나무 끝으로 섞어서 섞으십시오.혼합 후 어플리케이터를 버리십시오. 탄소 섬유 다발의 끝에서 면도날이 있는 프린터 용지에 두 밀리미터에서 네 밀리미터까지 자릅니다. 적층 된 종이를 번들 상단 위로 부드럽게 당겨 섬유와 번들을 분리하십시오.다음으로, 당겨진 모세관의 끝에 약간의 에폭시를 가져 가라. 그리고 보드의 끝에있는 다른 모든 흔적 사이에 부드럽게 적용하여 틈새를 채 웁니다. 테프론 코팅 핀셋을 사용하여 각 에폭시 트레이스에 하나의 탄소 섬유를 놓습니다.그런 다음 탄소 섬유를 깨끗하게 당겨 놓은 모세관으로 조정하여 플렉스 어레이 보드의 끝에 수직으로 만들고 에폭시 아래에 묻습니다. 배열을 나무 블록 위에 놓고 섬유로 된 끝이 블록 가장자리에 돌출되어 있습니다. 나무 블록과 배열을 섭씨 140도에서 20 분 동안 구워서 은색 에폭시를 경화시키고 섬유를 제자리에 고정시킵니다.은 에폭시가 두 개 이상의 섬유를 함께 단락 시키면 깨끗한 유리 모세관을 사용하여 제거하고 보드에서 부드럽게 긁어 낼 수 있습니다. 완성 된 보드를 제기 된 플랫폼이있는 상자에 보관하여 보드의 섬유 끝을 일시 중단하여 섬유 파손을 방지하십시오. 깨끗한 모세관으로 노출 된 흔적에 UV 에폭시의 작은 물방울을 바르고 흔적이 완전히 덮일 때까지 물방울을 계속 첨가하십시오.UV 펜 아래에서 UV 에폭시를 두 분 동안 경화시키고 보드의 다른면에 대해 반복하십시오. 스테레오스코프 레티클과 수술용 가위로 섬유를 한 밀리미터로 자릅니다. 전기 연결을 확인하려면 포텐셔티스탯을 다섯 초 동안 0V로 설정하고 기록된 신호를 안정화합니다.포텐시오스탯을 사용하여 각 섬유에 대해 하나의 킬로헤르츠 임피던스 스캔을 실행합니다. 포텐시오스타트 관련 소프트웨어를 통해 측정값을 기록합니다. 그런 다음 섬유를 비이커에 탈이온수에 세 번 담그고 헹구십시오.Parylene C를 지면에서 부드럽게 긁어 내고 핀셋으로 보드의 참조 와이어를 긁어냅니다. 다음으로, 면도날로 절연 된 은선의 두 다섯 센티미터 길이를 자릅니다. 한쪽 끝에서 두 ~ 세 밀리미터의 와이어를 분리하고 반대쪽 끝에서 약 10mm를 분리합니다.다음으로, 납땜 인두를 섭씨 315도까지 가열하고 와이어에 작은 플럭스를 적용하십시오. 보드의 각 전기 생리학 와이어에 두 ~ 세 밀리미터의 와이어를 삽입하고 와이어 상단에 솔더를 바릅니다. 프로브를 식힌 후 뒤집어서 와이어의 뒷면에 약간의 납땜을 적용합니다.뒤쪽 납땜 마운드에서 튀어 나온 노출 된 와이어를 잘라냅니다. 어레이를 저장 상자에 놓고 전선을 다시 구부리고 광섬유에서 멀리 떨어진 다음 접착 테이프에 전선을 고정하여 잠재적 인 광섬유 와이어 상호 작용을 방지하십시오. 팁의 SEM 이미지는 노출된 탄소 길이 및 팁 기하학적 형상을 결정하는데 사용되었다.가위 절단 섬유는 끝 부분이 일치하지 않으며 Parylene C가 끝 부분에 접혀 있습니다. NDYAG 레이저 절단 섬유는 기록 부위 영역, 모양 및 임피던스에서 일관되게 유지됩니다. 블로우 토치 섬유는 가장 큰 전극 크기와 모양 가변성 및 날카로운 팁으로 이어집니다.평균적으로 140 마이크로미터의 탄소가 다시 노출되었습니다. UV 레이저 절단 섬유는 팁에서 노출 된 120 마이크로 미터의 탄소를 보여주는 블로우 토치 섬유와 유사했습니다. 생성된 임피던스는 전기생리학적 기록을 위한 범위 내에 있었다.NDYAG 레이저 절단 섬유는 표면적이 가장 작지만 임피던스가 가장 높았습니다. 이어서 블로우 토치 및 UV 레이저 컷 섬유가 이어집니다. 그러나, 모든 경우에, PEDOT:pTS 코팅 섬유는 110킬로옴 임계값 아래로 떨어졌다.쥐 운동 피질에 동시에 이식 된 두 밀리미터 길이의 네 개의 UV 레이저 치료 섬유의 급성 기록은 모든 섬유에 걸쳐 세 개의 단위를 보여 주었고, 이는 저렴한 UV 레이저로 섬유를 치료하는 것이 다른 절단 방법과 유사하다는 것을 암시합니다. 이 프로토콜을 시도 할 때 탄소 섬유를 채울 때 크고 깨끗한 공간을 확보하십시오. 기동 공간이 충분하지 않기 때문에 실수로 모든 섬유를 테이블에서 쓸어 버리기 쉽습니다.이 배열은 이제 뇌의 신호 단위 기록에 적합합니다. 이러한 건축 기술을 통해 미시간 대학의 반스 그룹 (Dr.Barnes'group)은 Case Western Reserve University의 Chiel 박사와 Dr.Chiel의 그룹이보고하고 세포 내에보고 할 수있었습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

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

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