Methodenartikel

Gerichte ionen straal-lithografie voor etch nano-architecturen in micro elektroden

6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60004

⸱

19 januari 2020

 ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 2Veteran Affairs Ann Arbor Healthcare System, 3Department of Neurology, School of Medicine, University of Michigan, 4Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 5Michigan Center for Materials Characterization, University of Michigan, 6Carl Zeiss SMT, Inc.

In dit artikel

Samenvatting

We hebben aangetoond dat het etsen van nano-architectuur in intracorticale micro-elektrode-apparaten de ontstekingsreactie kan verminderen en de potentie heeft om elektrofysiologische opnames te verbeteren. De hierin beschreven methoden schetsen een benadering van etch nano-architecturen in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht silicium intracorticale micro elektroden.

Samenvatting

Met de vooruitgang in elektronica en Fabricagetechnologie hebben intracorticale micro elektroden aanzienlijke verbeteringen ondergaan waardoor de productie van geavanceerde micro elektroden met een grotere resolutie en uitgebreide capaciteiten mogelijk is. De vooruitgang in de Fabricagetechnologie heeft de ontwikkeling van biomimetische elektroden, die tot doel hebben om naadloos te integreren in de hersen parenchym ondersteund, verminderen van de neuroinflammatoire respons waargenomen na elektrode inbrengen en verbeteren van de kwaliteit en levensduur van elektrofysiologische opnames. Hier beschrijven we een protocol voor het gebruik van een biomimetische aanpak onlangs geclassificeerd als nano-architectuur. Het gebruik van gerichte Ion Beam lithografie (FIB) werd gebruikt in dit protocol om specifieke nano-architectuur kenmerken etch in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht intracorticale micro elektroden. Het etsen van nano-architecturen in het elektrode oppervlak gaf mogelijke verbeteringen van biocompatibiliteit en functionaliteit van het geïmplanteerde apparaat aan. Een van de voordelen van het gebruik van FIB is de mogelijkheid om te etch op gefabriceerde apparaten, in tegenstelling tot tijdens de fabricage van het apparaat, het faciliteren van grenzeloze mogelijkheden om te wijzigen van talrijke medische apparaten na de productie. Het protocol dat hierin wordt gepresenteerd, kan worden geoptimaliseerd voor verschillende Materiaaltypen, nano-architectuur functies en soorten apparaten. Het uitbreiden van het oppervlak van geïmplanteerde medische hulpmiddelen kan de prestaties van het apparaat en de integratie in het weefsel te verbeteren.

Inleiding

Intracorticale micro elektroden (IME) zijn invasieve elektroden die een middel bieden voor directe interfacing tussen externe apparaten en de neuronale populaties in de hersenschors1,2. Deze technologie is een waardevol hulpmiddel voor het opnemen van neurale actie potentialen ter verbetering van het vermogen van wetenschappers om neuronale functie te verkennen, vooraf begrip van neurologische ziekten en ontwikkelen van potentiële therapieën. Intracorticale micro-elektrode, gebruikt als een onderdeel van de Brain Machine Interface (BMI) systemen, maakt opname van actie potentialen van een individuele of kleine groepen van neuronen om motorische bedoelingen die kunnen worden gebruikt voor de productie van functionele uitgangen3detecteren. In feite zijn BMI-systemen met succes gebruikt voor prothetische en therapeutische doeleinden, zoals verworven sensorimotorische ritme beheersing om een computer cursor te bedienen bij patiënten met Amyotrofische laterale sclerose (als)4 en ruggenmerg blessures5 en het herstel van de beweging bij mensen die lijden aan chronische quadriplegie6.

Helaas, ime's vaak niet consistent opnemen in de tijd als gevolg van verschillende storings modi die mechanische, biologische en materiële factoren7,8bevatten. De neuroinflammatoire reactie die optreedt na de implantatie van de elektrode wordt beschouwd als een aanzienlijke uitdaging die bijdraagt aan het falen van de elektrode9,10,11,12,13,14. De neuroinflammatoire reactie wordt geïnitieerd tijdens de initiële inbrengen van de IME die de bloed-hersen barrière sijdeert, beschadigt de lokale hersen parenchym en verstoort gliacellen en neuronale netwerken15,16. Deze acute respons wordt gekenmerkt door de activering van gliacellen (Microglia/macrofagen en astrocyten), die pro-inflammatoire en neurotoxische moleculen vrijgeven rond de implantatieplaats17,18,19,20. De chronische activatie van gliacellen resulteert in een vreemde lichaams reactie die wordt gekenmerkt door de vorming van een gliacellen litteken dat de elektrode isoleert van gezond hersenweefsel7,9,12,13,17,21,22. Uiteindelijk, belemmeren van het vermogen van de elektrode om neuronale actie potentialen opnemen, als gevolg van de fysieke barrière tussen de elektrode en de neuronen en de degeneratie en de dood van neuronen23,24,25.

Het vroegtijdig falen van intracorticale micro elektroden heeft geleid tot een aanzienlijk onderzoek in de ontwikkeling van de volgende generatie elektroden, met de nadruk op biomimetische strategieën26,27,28,29,30. Van bijzonder belang voor het hier beschreven protocol, is het gebruik van nano-architectuur als een klasse van biomimetische oppervlakte veranderingen voor Ime's31. Er is vastgesteld dat oppervlakken die de architectuur van de natuurlijke in vivo omgeving nabootsen een verbeterde biocompatibele respons32,33,34,35,36hebben. Dus, de hypothese dwingende dit protocol is dat de discontinuïteit tussen de ruwe architectuur van het hersenweefsel en de gladde architectuur van de intracorticale micro elektroden kan bijdragen aan de neuroinflammatoire en chronische buitenlandse lichaam reactie op geïmplanteerde Ime's (voor een volledige beoordeling verwijzen naar Kim et al.31). We hebben eerder aangetoond dat het gebruik van nano-architectuur functies die vergelijkbaar zijn met de extracellulaire matrix architectuur van de hersenen, de ontstekingsmarkers van astrocyten uit cellen die zijn gekweekt op nano-gecultiveerde substraten vermindert, vergeleken met vlakke controle oppervlakken in zowel in vitro als ex vivo-modellen van neuro ontsteking37,38. Bovendien hebben we aangetoond dat de toepassing van gerichte ionen straal (FIB)-lithografie op etch-nano-architecturen rechtstreeks op silicium sondes resulteerde in significant verhoogde neuronale levensvatbaarheid en lagere expressie van pro-inflammatoire genen van dieren geïmplanteerd met de nano-architectuur probes in vergelijking met de soepele controlegroep26. Daarom is het doel van het hier gepresenteerde protocol om het gebruik van FIB-lithografie te beschrijven voor etch-nano-architecturen op gefabriceerde intracorticale micro elektrode-apparaten. Dit protocol is ontworpen om nano-architectuur formaat kenmerken te etsen in silicium oppervlakken van intracorticale micro-elektrode schachten die zowel geautomatiseerde als handmatige processen maken. Deze methoden zijn ongecompliceerd, reproduceerbaar en kunnen zeker worden geoptimaliseerd voor verschillende apparaatmaterialen en gewenste functie groottes.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Opmerking: Voer de volgende stappen uit terwijl u de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen draagt, zoals een Labcoat en handschoenen.

1. montage niet-functionele silicium sonde voor gerichte ionen straal (FIB) lithografie

Opmerking: voor de volledige procedure die de fabricage van de SOI wafer met de 1.000 sondes beschrijft, verwijzen wij u naar Ereifej et al.39.

  1. Isoleer een strook van 2-3 silicium sondes uit de silicium op isolator (SOI) wafer met 1.000 sondes. Maak geen strips die meer dan drie siliconen voelers bevatten. Dit kan de kans op losse montage vergroten en kan leiden tot een verkeerde uitlijning waardoor de FIB niet goed wordt geetst.
    Opmerking: strips/sondes die niet stevig op de aluminium stub zitten kunnen twee complicaties veroorzaken: 1) wanneer het podium beweegt om aan de volgende sectie te werken, zullen er trillingen zijn en het frezen zal niet nauwkeurig zijn totdat de sonde zich vestigt en 2) het kan een hoge variatie veroorzaken en buiten het scherpstel vlak zijn.
    1. Gebruik tijdens het dragen van handschoenen een fijne tang om druk rond de sondes te plaatsen om een klein gedeelte met twee tot drie voelers af te breken.
  2. Reinig voorzichtig de siliconen sonde van alle stof en vuil voorafgaand aan FIB etsen. Bereid een 6-piep polystyreen plaat voor door 3 mL/putjes van 95% ethanol in drie putten te pipetteren.
    1. Pak de snij strook siliconen voelers voorzichtig op met behulp van fijne punt-of vacuüm Tang en plaats deze in de celzeef. Plaats slechts één strook silicium sondes per zeef om te voorkomen dat de sondes breken. Plaats de zeef met de silicium sondes in de eerste put met 95% ethanol voor reiniging. Houd de zeef in de eerste put gedurende 5 min.
    2. Verplaats de zeef met de silicium sondes uit de eerste put en plaats deze in de tweede put met 95% ethanol voor nog eens 5 min. Herhaal opnieuw in de derde put.
    3. Plaats de zeef met de gereinigde silicium voelers op een polytetrafluorethyleen plaat aan de lucht drogen. Doe deze stap in een steriele capuchon om verontreiniging door stof te voorkomen.
  3. Plaats de Luchtgedroogde strook silicium sondes in een verzegelde container voor transport naar de SEM-FIB. Wikkel de zeef met de Luchtgedroogde monsters met een plastic of aluminiumfolie wrap voor transport en/of opslag om de reiniging te handhaven.
  4. Gebruik fijn getipt of vacuüm tang om de schone strook siliconen sondes zorgvuldig op te pikken en plaats ze op een schone aluminium stub (gebruikt voor SEM-FIB Imaging/etsen) ter voorbereiding op de montage.
  5. Gebruik een tandenstoker (of ander fijn getipt instrument als een dunne elektrische draad), om een kleine druppel (~ 10 μL) zilver verf op de rand van het silicium substraat rond de sondes te plaatsen. Zet de strook vast door de zilveren verf aan de zijkanten van het silicium substraat rond de sonde te spreiden. Laat de zilveren verf volledig drogen voordat u de aluminium stub in de SEM-FIB plaatst.
    Let op: Wees voorzichtig niet te krijgen zilver verf op de schacht van de elektrode, want dat is het deel dat zal worden geëtst. Als de strook van sondes niet goed verankerd is aan de aluminium stub, kan de strook bewegen tijdens de verwerking of een ander brandpuntsvlak hebben, wat resulteert in onjuist frezen door de FIB. Verschillende strips van silicium sondes kunnen op dezelfde aluminium stub worden gemonteerd, zodat er voldoende ruimte is tussen de strips om het verwijderen van de stub na het etsen mogelijk te maken. Dit zal leiden tot efficiëntere etsen van meerdere probes met behulp van de geautomatiseerde functie die hieronder wordt beschreven.

2. de FIB op de silicium sondes uitlijnen

  1. Klik op de vent -knop in de Beam Control-Tab om de kamer te ventilen. Druk op SHIFT + F3 om de thuis fase uit te voeren. Bevestig de selectie door de knop Home stage te selecteren in het pop-upvenster.
    Opmerking: het uitvoeren van de Home stage-bewerking is een preventieve stap om ervoor te zorgen dat de stage-as correct wordt gelezen door de software en de Microscoop verkeert in goede staat.
  2. Nadat de thuis fase is voltooid, verplaatst u het werkgebied naar coördinaten X = 70 mm, Y = 70 mm, Z = 0 mm, T = 0 °, R = 0 °. Zodra de kamer is geventileerd, zet u schone nitril handschoenen en opent u de kamer deur.
    Opmerking: afhankelijk van de toepassing van de vorige gebruiker kan het nodig zijn om de stage adapter te wijzigen. De standaard podium adapters (bijv. FEI-stijl) kunnen worden verwijderd door de centrale bout linksom te schroeven en te installeren door rechtsom in de rotatie plaat van het werkgebied te schroeven.
  3. Plaats de aluminium stub die de sondes in de bovenkant van de stage-adapter houdt. Bevestig de aluminium stub door de set-schroef aan de zijkant van de stage-adapter aan te spannen. Gebruik de 1,5 mm inbussleutel voor deze taak.
  4. Pas de hoogte van de stage-adapter aan door de adapter met de klok mee te draaien om deze te verlagen of linksom om deze te verhogen. Bevestig de stage adapter aan de rotatie plaat door de moer van de Vergrendel kegel rechtsom te draaien tot de moer stevig is tegen de fase rotatie plaat. Houd de stage adapter met de andere hand om de rotatie van de adapter en samples te voorkomen terwijl u de Vergrendel kegel moer aanscherpt.
    Opmerking: gebruik de meegeleverde hoogtemeter om de juiste hoogte te bepalen. De bovenkant van de aluminium stub moet dezelfde hoogte zijn als de maximale lijn die op de hoogtemeter wordt weergegeven. Over het aandraaien van de kegel moer kan schade aan het podium en de adapter veroorzaken. Gebruik alleen voldoende kracht om de monsters te beveiligen.
  5. Een afbeelding van een navigatie camera aanschaffen. Draai de arm van de navigatie camera voorzichtig open totdat deze stopt. De Microscoop fase wordt automatisch naar een positie onder de camera verplaatst. Bekijk de Live-afbeelding die wordt weergegeven in kwadrant 3 van de gebruikersinterface (UI) van de Microscoop.
    1. Zodra het helderheidsniveau automatisch op een passend niveau is aangepast, verkrijgt u de afbeelding door op de knop omlaag op de camera beugel te drukken. Zorg ervoor dat u wacht tot de volledige beeld verwerving is voltooid, wat wordt aangegeven door een pauze symbool in kwadrant 3 en de belichting van de camera wordt uitgeschakeld. Dit duurt ongeveer 10 s. Draai de camera arm terug naar de gesloten positie. Het podium keert terug naar de oorspronkelijke positie.
  6. Sluit de deur van de Microscoop kamer zorgvuldig. Bekijk het CCD-camerabeeld in kwadrant 4 terwijl u de deur sluit. Zorg ervoor dat de monsters en het podium op een veilige afstand van een kritische component in de Microscoop kamer liggen.
  7. Selecteer de pijl-omlaag naast de pomp knop op het tabblad Beam Control. Selecteer de pomp met de knop voor het schoonmaken van het monster in de ui-software om de kamer vacuümpomp te starten en ingebouwd in de plasma reiniger. Zorg ervoor dat de deur wordt verzegeld door zachtjes op het gezicht van de deur te duwen terwijl de pomp loopt. Wacht ongeveer 8 minuten voor de pomp tijd en de plasma reinigingscyclus voor de Microscoop kamer moet worden voltooid.
    Opmerking: een vacuümafdichting kan worden bevestigd door zachtjes op de deur van de kamer te trekken, die gesloten moet blijven als het systeem onder vacuüm is.
  8. Zodra het pictogram in de rechterbenedenhoek van de UI groen wordt, drukt u op de Wake-up knop in het Beam Control-tabblad, dat de elektron-en ionen stralen inschakelt. Selecteer kwadrant 1 en stel het straal signaal in op elektronenstraal (indien niet al ingesteld), stel kwadrant 2 in op Ion Beam (indien niet al ingesteld).
    1. Stel SEM spanning aan 5 kV, stel SEM Beam huidige 0,20 nA, stel SEM detector naar ETD, detector modus instellen op secundair elektron. Stel FIB-spanning in op 30 kV, stel FIB-straalstroom in op 24 pA, stel FIB-detector in op IJSDETECTOR, stel de detector modus in op het secundaire elektron.
  9. Dubbelklik op de silicium sonde in de afbeelding van de navigatie camera, kwadrant 3 om het podium naar de geschatte locatie van de sonde te verplaatsen. Klik op kwadrant 1 om het te selecteren als het actieve Kwadrant en druk op de pauze knop om SEM-scans te starten. Stel de tijd van de scan Dwell in op 300 NS en Schakel Scan interliniëring, lijn integratieen frame gemiddeldenuit. Stel scan rotatie in op 0 in het tabblad Beam Control en klik met de rechtermuisknop op de Beam Shift 2D-regelaar en selecteer nul.
  10. Stel de vergroting in op de minimumwaarde door de vergrotings knop linksom te draaien in het deelvenster MUI. Pas de helderheid en het contrast van de afbeelding aan met de knoppen op het deelvenster MUI of het werkbalk pictogram automatische contrast helderheid .
  11. Verplaats het werkgebied door te dubbelklikken met de muis op een functie om deze te centreren of door het muiswiel te drukken en de muismodus van de joystick te activeren. Verplaats de gewenste silicium sonde om in het midden van het SEM-beeld te worden Gedessineerd.
  12. Zoek een rand of andere functies zoals een stofdeeltje of kras. Verhoog de vergroting tot 2.000 x door de vergrotings knop rechtsom te draaien. Pas de focus van de SEM aan door de grove en fijne focus knoppen op de MUI te draaien totdat de afbeelding scherp is. Zodra de afbeelding scherp is, selecteert u de koppeling sample Z naar werkafstand knop in de werkbalk.
  13. Bevestig dat de bewerking is voltooid door te kijken naar de Z-as coördinaat op het tabblad navigatie. De waarde moet ongeveer 11 mm zijn. type in 4,0 mm in de Z-as positie en duw de Ga naar knop met de muis of druk op de Enter-toets op het toetsenbord en het podium zal bewegen naar 4 mm werkafstand.
  14. Verplaats het werkgebied in X en Y om de schouder van de silicium sonde te lokaliseren. Positioneer het zo dicht mogelijk bij het midden van de SEM. Verander de stage Tilt naar 52 ° door te typen in "52" in de T-coördinaat en op ENTER te drukken. Kijk of de schouder van de sonde omhoog of omlaag in de afbeelding lijkt te bewegen. Gebruik de schuifregelaar stage Z om de schouder van de sonde terug te brengen naar het midden van het SEM-beeld. Pas de Z-positie aan, verplaats de X-, Y-, T-of R-as niet.
  15. Voer de ingebouwde "XT align-functie" commando uit in het vervolgkeuzemenu stage. Gebruik de muis om te klikken op twee punten evenwijdig aan de rand van de sonde. Zorg ervoor dat het horizontale keuzerondje is geselecteerd in het pop-upvenster en klik op Voltooien. De fase wordt gedraaid om de sonde uit te lijnen met de X-as van het werkgebied. Pas het werkgebied in X, Y met de muis om de onderste schouder van de sonde in het midden van de SEM-afbeelding opnieuw te plaatsen.
    Opmerking: het eerste punt moet naar de greep van de sonde gaan en het tweede punt moet naar het punt van de sonde gaan.
  16. Selecteer de FIB in kwadrant 2 en zorg ervoor dat de straalstroom nog steeds 24 pA is. Stel de vergroting in op 5, 000x en de dwelltijd tot 100 ns. Typ CTRL-F op het toetsenbord om de FIB-focus in te stellen op 13,0 mm. In het tabblad Beam Control, klik met de rechtermuisknop in de stigmator 2D-regelaar en selecteer nul en klik ook met de rechtermuisknop in de Beam Shift 2D-regelaar en selecteer nul. Stel de scan rotatie in op 0 ° en druk op de knop Autocontrast helderheid op de werkbalk.
  17. Zoek naar een afbeelding van de sonde schouder in kwadrant 2. Gebruik het gereedschap Momentopname om een afbeelding te verkrijgen met de FIB. Bevestig de sonde schouder is in het midden van het FIB beeld, zo niet, dubbelklik op de sonde schouder om het te verplaatsen naar het midden. Verplaats het werkgebied naar links door ongeveer 10-15 keer op de pijl naar links op het toetsenbord te drukken. Neem nog een momentopname en kijk of de sonde zich nog in het midden van de FIB bevindt.
    Opmerking: zo niet, dan moet de fase rotatie licht worden aangepast. Als de sonde zich boven het afbeeldings centrum bevindt, moet het werkgebied in de negatieve richting worden gedraaid. Als de sonde zich onder het midden bevindt, moet het werkgebied met de klok mee worden gedraaid. Voer een relatieve compucentric rotatie van 0,01 tot 0,2 graden, afhankelijk van welke manier nodig is om de sonde uit te lijnen.
  18. Herhaal de stappen 2,16 tot en met 2,17 zo vaak als nodig totdat de rand van de sonde schouder perfect is uitgelijnd met de X-as van het podium, (de rand blijft in het midden van de FIB terwijl u naar links beweegt).
  19. Met behulp van de FIB, verplaats het podium terug naar de onderste schouder van de sonde. Sla de positie van het werkgebied op in de lijst positie door op de knop toevoegen te klikken. Verander de FIB-straalstroom naar 2,5 nA en zorg ervoor dat de vergroting van de FIB nog steeds 5000x is. Voer de functie Automatische helderheid contrast uit en stel de tijd van de FIB-Dwell in op 100 ns.
  20. Druk op de pauze knop om het scannen te starten. Pas de FIB focus en astigmatisme zo snel en nauwkeurig mogelijk aan, met behulp van de grove en fijne focus knoppen, en de X en Y stigmator knoppen op het MUI panel. Druk op de pauze knop om het FIB-scannen te stoppen.

3. het schrijven van een geautomatiseerd proces voor etsen

  1. Start de software door deze te lokaliseren in het menu Start van Windows (dat wil zeggen, Start\Programs\FEI Company\Applications\Nanobuilder). Plaats het software venster op de zijmonitor zodat de GEBRUIKERSINTERFACE niet wordt bedekt. Open het bestand voor het patroon van de siliconen probes door te klikken op bestand en vervolgens openen. Direct de Windows-browser naar de locatie van de software script (aanvullende bestand 1 -de bestandsnaam is "Case_Western_2000_micron_Final_11H47M_runtime. jbj").
  2. Selecteer in de software het dropdown-menu van de Microscoop en selecteer fase oorsprong instellen. Selecteer in de software het dropdown-menu van de Microscoop en selecteer Kalibreer detectoren.
  3. Klik op de GEBRUIKERSINTERFACE van de Microscoop in Quad 1 eenmaal met de muis om Quad 1 te selecteren. Negeer de andere instructies die in het pop-upvenster worden weergegeven, zijn ze niet nodig voor dit project. Klik op OK om de kalibratie te starten. Het proces duurt ongeveer 5 min. Zorg ervoor dat de ETD-en IJSDETECTOREN kalibreren. Het is OK als andere detectoren kalibratie fouten hebben.
  4. Selecteer in de software het dropdown-menu van de Microscoop en kies uitvoeren om de patroon volgorde te starten. Wanneer het patroon voltooid is, sluit u de software.
    Opmerking: de software neemt Quad 3 en 4 over voor de patroon-en uitlijnings functies. Het script duurt ongeveer 12 uur om uit te voeren. Wijzig, terwijl het script wordt uitgevoerd, geen parameter op de Microscoop.
  5. Druk op "vent" in het Microscoop UI Beam Control-tabblad om de Microscoop stralen af te sluiten en de ventilatie cyclus te starten. Terwijl de kamer ontvalt, verplaats het podium naar coördinaten X = 70 mm, Y = 70 mm, Z = 0 mm, T = 0 °, R = 0 °. Zodra de kamer is geventileerd, zet u schone nitril handschoenen en trekt u de kamer deur open.
  6. Draai de stelschroef op de stub-adapter los met de 1,5 mm inbussleutel. Verwijder de aluminium stub met de patroon sonde uit de kamer. Sluit de deur van de Microscoop kamer zorgvuldig. Bekijk het CCD-camerabeeld in kwadrant 4 terwijl u de deur sluit. Zorg ervoor dat de stage adapter zich op een veilige afstand van een kritieke component in de Microscoop kamer bevindt.
  7. Selecteer de pijl-omlaag naast de pomp knop in het tabblad straal regeling. Selecteer de pomp knop om de vacuümpomp van de kamer te starten. Zorg ervoor dat de deur wordt verzegeld door zachtjes op het gezicht van de deur te duwen terwijl de pomp loopt.
    Opmerking: een vacuümafdichting kan worden bevestigd door zachtjes op de deur van de kamer te trekken, die gesloten moet blijven als het systeem onder vacuüm is. De pomp tijd zal ongeveer 5 min. Slechts één kant van de sonde kan worden geëtst tijdens een enkele run.
  8. Als de voor-en achterzijde van de sonde etsen vereist, verwijder dan voorzichtig de geëtste strook silicium sondes na het controleren van de uiteindelijke etch en Imaging de voorzijde (als afbeeldingen nodig zijn). Los de zilveren verf op met aceton, door het aceton voorzichtig te deppen/poetsen op de zilverkleurige verf. Draai de strook voorzichtig om de achterkant, monteer, lijn en etch volgens de hierboven beschreven stappen.

4. controle van de uiteindelijke etch en beeldvorming

  1. Nadat het frezen is voltooid, controleert u de uniformiteit van de verschillende secties met behulp van SEM-Imaging bij een hogere vergroting.
    Opmerking: beeldvorming bij de gekantelde hoek maakt een betere beoordeling van de variatie in de freesdiepte mogelijk. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan de overgangsgebieden tussen de frees locaties.
  2. Beeld de monsters opnieuw na het frezen met een optische Microscoop.
    Opmerking: de periodieke gefreesde lijnen resulteren in een brekings effect dat aanleiding geeft tot verschillende kleuren als functie van de beeldvormings hoek. Als de kleur niet continu samen met de sonde die een duidelijke indicatie van de verstoring in de gefreesde lijnen is.

5. montage van een functionele silicium sonde voor FIB etsen

  1. Verwijder voorzichtig de functionele silicium elektrode uit de verpakking. Gebruik de tang om voorzichtig het plastic beschermende lipje op het hoofdpodium te tillen. Begin met het optillen van een hoek van het lipje van de kleverige lijm die het op zijn plaats houdt en blijf optillen totdat de volledige elektrode is verwijderd.
  2. Klem de elektrode voorzichtig met hemostatica om zich voor te bereiden op de montage in het stereotaxic frame. Houd de beklede tab met de Tang, voorzichtig plaats gebogen hemostatica rond de groene schacht boven de silicium schacht, met het gebogen deel van de hemostatica naar boven gericht naar de tab. Vergrendel de hemostats op zijn plaats om ervoor te zorgen dat de elektrode niet uit de hemostatica.
  3. Verwijder voorzichtig het plastic beschermende lipje dat de hoofdfase bedekt. Houd de elektrode met de hemostatieven ingedrukt en knip de elektrode voorzichtig in het stereotaxsche frame voor reiniging.
  4. Vul 3 petrischaaltjes met 95% ethanol (~ 10 mL per Petri schaaltje). Plaats de Petri schaal onder de elektrode die in het stereotaxic frame is gemonteerd voor reiniging. Verlaag de elektrode langzaam door de micro manipulator naar beneden te draaien (100 μm/s) zodat de schacht wordt ondergedompeld in de 95% ethanol.
    Opmerking: Let op dat u de micromanipulator niet te snel of te diep draait, dit kan ertoe leiden dat de elektrode breekt (d.w.z., de elektrode mag de Petri schaal niet aanraken).
  5. Laat de elektrode schacht gedurende 5 minuten in de 95% ethanol en til de elektrode langzaam uit de 95% ethanol door de micro manipulator naar boven te draaien (100 μm/s). Herhaal deze stap nog twee keer, voor een totaal van drie washes. Laat de elektrode gedurende vijf minuten drogen.
  6. Gebruik dezelfde techniek voor het monteren van de elektrode in het stereotaxic frame, om de elektrode uit het stereotaxic frame te verwijderen. Plaats de hemostatica voorzichtig rond de as van de elektrode. Zodra de hemostatica strak vastzitten, laat u de elektrode los van het stereotaxic frame, stuurt u de plastic beschermingtab terug die de hoofdfase bedekt en zet u de gereinigde elektrode weer in de verpakking.

6. etsen functionele silicium sonde met behulp van FIB

  1. Monteer de gereinigde functionele silicium elektrode op een aluminium statief. Pak de gereinigde functionele silicium elektrode voorzichtig met behulp van de Tang en verwijder het beschermende lipje uit de hoofdfase. Plaats de elektrode schacht op de aluminium stub, zodat deze niet over een rand hangt, vervolgens met behulp van een klein stukje cu of carbon geleidende tape, de hoofdfase veilig aan de aluminium stub vastmaken.
    Opmerking: als alternatief kan een laag-profiel clip houder worden gebruikt om de elektrode naar beneden te houden. Let op dat u de elektrode schacht niet aanraakt.
  2. Volg de hierboven beschreven stappen (sectie 2), plaats de elektrode op de eucentrische hoogte en zorg ervoor dat de elektrode zich op het toeval-punt van de SEM-en FIB-stralen bevindt. Lijn de schacht uit met de "X"-richting van het podium.
  3. Stel de FIB in op de optimale stroom voor het frezen van de vereiste nano-architectuur en zorg ervoor dat de focus en stigmatie correct worden gecorrigeerd. Maak een reekslijnen met de gewenste afstand en lengte om het gezichtsveld van de schacht te bedekken (500 μm secties). Pas de lengte van de lijn aan terwijl etsen de schacht naar de dunnere secties haalt.
    Opmerking: bij het etsen van de functionele elektrode is het niet mogelijk om fiducial Marks toe te voegen om het proces te automatiseren. Daarom wordt het verplaatsen tussen de sub-secties (~ 500 μm) handmatig gedaan.
  4. Nadat het frezen van de eerste sectie is voltooid, controleert u de frees kwaliteit voordat u doorgaat naar het volgende gedeelte. Herhaal stap 6,3 om de volgende sectie van de schacht te etsen. Lijn de gefreesde lijnen uit de vorige sectie uit naar de patronen die worden gebruikt voor de volgende sectie om grote openingen tussen runs te voorkomen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

FIB geëtst nano-architectuur op de oppervlakken van enkelvoudige schacht Intracorticale sondes
Met behulp van de hier beschreven methoden, intracorticale sondes werden geëtst met specifieke nano-architecturen na vastgestelde protocollen39. Afmetingen en vorm van het Nano-architectuur ontwerp zoals beschreven in deze methoden werden uitgevoerd uit eerdere in vitro resultaten die een afname van de gliale celreactiviteit afbeelden bij de kweek met het ontwerp van de nano-architect...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het fabricage protocol dat hier wordt geschetst maakt gebruik van gerichte ionen straal-lithografie om nano-architecturen effectief en reproducdig te etsen in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht silicium microelektroden. Met gerichte ionen straal (FIB) lithografie kan de selectieve ablatie van het substraat oppervlak met behulp van een fijn gerichte Ion Beam50,51. FIB is een direct-write techniek die verschillende functies kan p...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Deze studie werd gesteund door de Amerikaanse (Amerikaanse) afdeling veteranen zaken revalidatie Research en Development Service Awards: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) en #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). De inhoud vertegenwoordigt niet de standpunten van het Amerikaanse ministerie van veteranen zaken of de regering van de Verenigde Staten. De auteurs willen FEI co. (nu onderdeel van Thermofisher Scientific) bedanken voor de ondersteuning van het personeel en het gebruik van instrumentatie, die hielp bij het ontwikkelen van de scripts die in dit onderzoek worden gebruikt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
16-Channel ZIF-Clip HeadstageTucker Davis TechnologiesZC16De afhankelijkheid van de gebruikte elektrode kan het nodig zijn om de headstage en headstage-houder te wijzigen. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
1-meter kabel, ALL spring wrappedThomas Scientific1213F04Elke niet-behandelde petrischaal zal volstaan. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture
32-Channel ZIF-Clip Headstage HolderTucker Davis TechnologiesZ-ROD32De afhankelijkheid van de gebruikte elektrode kan het nodig zijn om de headstage en headstage-houder te wijzigen. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
Aceton, Thinner/Extender/Cleaner, 30mlTed Pella16023https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
Baby-Mixter HemostatFine Science Tools13013-14Elke gebogen hemostat zal volstaan. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat
Carbon Conductive Tape, Double CoatedTed Pella16084-7Het protocol stelde drie opties voor voor het bevestigen van de functionele elektrode op de aluminium stub (koper of koolstofgeleidende tape of een lage profielclip. We hebben de koolstofgeleidende tape in ons onderzoek gebruikt. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm
Corning Costar Not Treated Multiple Well Plates - 6 wellSigma AldrichCLS3736-100EAElke niet-behandelde 6-well plate zal volstaan. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/
Dumont #5 Fine ForcepsFine Science Tools11251-30Hetzij deze fijne pincet of de vacuümpomp zal volstaan. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/Dumont-5-Forceps/11251-30
Ethanol, 190 proof (95%), USP, Decon LabsFisher Scientific22-032-600Elke 95% ethanol zal volstaan. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600
Falcon Cell StrainerFisher Scientific08-771-1https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711
FEI, Tescan, Zeiss (ook voor Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), aluminium, groeven rand, Ø32mmTed Pella16148Afhankelijk van de gebruikte SEM-machine, heeft u mogelijk een stub van een andere grootte nodig. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180
Fisherbrand Aluminiumfolie, standaard kalibergerollFisher Scientific01-213-101Elke aluminiumfolie zal volstaan. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250
Fisherbrand Low- and Tall-Form PTFE Evaporating DishesFisher Scientific02-617-149Elke teflonplaat zal volstaan, deze wordt gebruikt om de sondes te drogen na het wassen op een oppervlak waarop ze niet zullen plakken. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552
Michigan-stijl siliconen functionele elektrodeNeuroNexusA1x16-3mm-100-177http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/
Model 1772

Referenties

  1. Salcman, M., Bak, M. J. A new chronic recording intracortical microelectrode. Medical and Biological Engineering. 14 (1), 42-50 (1976).
  2. Im, C., Seo, J. -M. A review of electrodes for the electrical brain signal recording. Biomedical Engineering Letters. 6 (3), 104-112 (2016).
  3. Donoghue, J. Bridging the Brain to the World: A Perspective on Neural Interface Systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  4. Gilja, V., et al. Clinical translation of a high-performance neural prosthesis. Nature medicine. 21 (10), 1142-1145 (2015).
  5. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  6. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping in a person with tetraplegia through brain-controlled muscle stimulation: a proof-of-concept demonstration. Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  7. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
  8. Barrese, J. C., et al. Failure mode analysis of silicon-based intracortical microelectrode arrays in non-human primates. Journal of Neural Engineering. 10 (6), 066014(2013).
  9. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003(2009).
  10. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020(2012).
  11. Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  12. Kozai, T. D., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neurosciences. 6 (1), 48-67 (2015).
  13. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001(2015).
  14. Michelson, N. J., et al. Multi-scale, multi-modal analysis uncovers complex relationship at the brain tissue-implant neural interface: new emphasis on the biological interface. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 033001(2018).
  15. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  16. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  17. Ravikumar, M., et al. The Roles of Blood-derived Macrophages and Resident Microglia in the Neuroinflammatory Response to Implanted Intracortical Microelectrodes. Biomaterials. 0142 (35), 8049-8064 (2014).
  18. Hermann, J., Capadona, J. Understanding the Role of Innate Immunity in the Response to Intracortical Microelectrodes. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 46 (4), 341-367 (2018).
  19. Ereifej, E. S., et al. Implantation of Intracortical Microelectrodes Elicits Oxidative Stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00009 (2018).
  20. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  21. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  22. Salatino, J. W., Ludwig, K. A., Kozai, T. D., Purcell, E. K. Glial responses to implanted electrodes in the brain. Nature Biomedical Engineering. 1 (11), 862(2017).
  23. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. -S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  24. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  25. Liu, X., et al. Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 7 (3), 315-326 (1999).
  26. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  27. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).
  28. Wei, X., et al. Nanofabricated Ultraflexible Electrode Arrays for High-Density Intracortical Recording. Advanced Science. , 1700625(2018).
  29. Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002(2016).
  30. Chen, R., Canales, A., Anikeeva, P. Neural recording and modulation technologies. Nature Reviews Materials. 2 (2), 16093(2017).
  31. Kim, Y., et al. Nano-Architectural Approaches for Improved Intracortical Interface Technologies. Frontiers in Neuroscience. 12, (2018).
  32. Millet, L. J., Bora, A., Sweedler, J. V., Gillette, M. U. Direct cellular peptidomics of supraoptic magnocellular and hippocampal neurons in low-density co-cultures. ACS Chemical Neurosciences. 1 (1), 36-48 (2010).
  33. Ding, H., Millet, L. J., Gillette, M. U., Popescu, G. Actin-driven cell dynamics probed by Fourier transform light scattering. Biomedical Optical Express. 1 (1), 260-267 (2010).
  34. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
  35. Curtis, A. S., et al. Cells react to nanoscale order and symmetry in their surroundings. IEEE Trans Nanobioscience. 3 (1), 61-65 (2004).
  36. Zervantonakis, I. K., Kothapalli, C. R., Chung, S., Sudo, R., Kamm, R. D. Microfluidic devices for studying heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments. Biomicrofluidics. 5 (1), 13406(2011).
  37. Ereifej, E. S., et al. Nanopatterning effects on astrocyte reactivity. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 101 (6), 1743-1757 (2013).
  38. Ereifej, E. S., Cheng, M. M. -C., Mao, G., VandeVord, P. J. Examining the inflammatory response to nanopatterned polydimethylsiloxane using organotypic brain slice methods. Journal of Neuroscience Methods. 217 (1-2), 17-25 (2013).
  39. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1704420(2018).
  40. Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
  41. Mullen, R. J., Buck, C. R., Smith, A. M. NeuN, a neuronal specific nuclear protein in vertebrates. Development. 116 (1), 201-211 (1992).
  42. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  43. Sladek, Z., Rysanek, D. Expression of macrophage CD14 receptor in the course of experimental inflammatory responses induced by lipopolysaccharide and muramyl dipeptide. Veterinarni Medicina. 53 (7), 347-357 (2008).
  44. Janova, H., et al. CD14 is a key organizer of microglial responses to CNS infection and injury. Glia. , (2015).
  45. Ziegler-Heitbrock, H. W. L., Ulevitch, R. J. CD14: Cell surface receptor and differentiation marker. Immunology Today. 14 (3), 121-125 (1993).
  46. Lowenstein, C. J., Padalko, E. iNOS (NOS2) at a glance. Journal of Cell Science. 117 (14), 2865-2867 (2004).
  47. Aktan, F. iNOS-mediated nitric oxide production and its regulation. Life Sciences. 75 (6), 639-653 (2004).
  48. Kozai, T. D., et al. Comprehensive chronic laminar single-unit, multi-unit, and local field potential recording performance with planar single shank electrode arrays. Journal of Neurosciences Methods. 242, 15-40 (2015).
  49. Kozai, T. D., et al. Mechanical failure modes of chronically implanted planar silicon-based neural probes for laminar recording. Biomaterials. 37, 25-39 (2015).
  50. Raffa, V., Vittorio, O., Pensabene, V., Menciassi, A., Dario, P. FIB-nanostructured surfaces and investigation of bio/nonbio interactions at the nanoscale. IEEE Transactions on Nanobioscience. 7 (1), 1-10 (2008).
  51. Lehrer, C., Frey, L., Petersen, S., Ryssel, H. Limitations of focused ion beam nanomachining. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 19 (6), 2533-2538 (2001).
  52. Watkins, R., Rockett, P., Thoms, S., Clampitt, R., Syms, R. Focused ion beam milling. Vacuum. 36 (11-12), 961-967 (1986).
  53. Veerman, J., Otter, A., Kuipers, L., Van Hulst, N. High definition aperture probes for near-field optical microscopy fabricated by focused ion beam milling. Applied Physics Letters. 72 (24), 3115-3117 (1998).
  54. Lanyon, Y. H., Arrigan, D. W. Recessed nanoband electrodes fabricated by focused ion beam milling. Sensors and Actuators B: Chemical. 121 (1), 341-347 (2007).
  55. Menard, L. D., Ramsey, J. M. Fabrication of sub-5 nm nanochannels in insulating substrates using focused ion beam milling. Nano Letters. 11 (2), 512-517 (2010).
  56. Ziberi, B., Cornejo, M., Frost, F., Rauschenbach, B. Highly ordered nanopatterns on Ge and Si surfaces by ion beam sputtering. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (22), 224003(2009).
  57. Reyntjens, S., Puers, R. A review of focused ion beam applications in microsystem technology. Journal of Micromechanics and Microengineering. 11 (4), 287(2001).
  58. Heyderman, L., David, C., Kläui, M., Vaz, C., Bland, J. Nanoscale ferromagnetic rings fabricated by electron-beam lithography. Journal of Applied Physics. 93 (12), 10011-10013 (2003).
  59. Baquedano, E., Martinez, R. V., Llorens, J. M., Postigo, P. A. Fabrication of Silicon Nanobelts and Nanopillars by Soft Lithography for Hydrophobic and Hydrophilic Photonic Surfaces. Nanomaterials. 7 (5), 109(2017).
  60. Eom, H., et al. Nanotextured polymer substrate for flexible and mechanically robust metal electrodes by nanoimprint lithography. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (45), 25171-25179 (2015).
  61. Li, K., Morton, K., Veres, T., Cui, B. 5.11 Nanoimprint Lithography and Its Application in Tissue Engineering and Biosensing. Comprehensive Biotechnology. , 125-139 (2011).
  62. Dong, B., Zhong, D., Chi, L., Fuchs, H. Patterning of conducting polymers based on a random copolymer strategy: Toward the facile fabrication of nanosensors exclusively based on polymers. Advanced Materials. 17 (22), 2736-2741 (2005).
  63. Dalby, M. J., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. The response of fibroblasts to hexagonal nanotopography fabricated by electron beam lithography. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 84 (4), 973-979 (2008).
  64. Tseng, A. A., Chen, K., Chen, C. D., Ma, K. J. Electron beam lithography in nanoscale fabrication: recent development. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing. 26 (2), 141-149 (2003).
  65. Yang, Y., Leong, K. W. Nanoscale surfacing for regenerative medicine. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 478-495 (2010).
  66. Vermeij, T., Plancher, E., Tasan, C. Preventing damage and redeposition during focused ion beam milling: The "umbrella" method. Ultramicroscopy. 186, 35-41 (2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Nanoarchitectuur etsingmodificatie van microelektrodenintracorticale elektrodenverbetering van biocompatibiliteitoppervlaktepatroneringSEM FIB beeldvormingpreparatie van siliciumsondesanalyse van neuronale dichtheidelektrofysiologische prestaties

Gerelateerde artikelen