Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabricage van Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays voor In Vivo Neural Recording

13.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60741

⸱

12 februari 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

We beschrijven hier een methode voor het fabriceren van Ti3C2 MXene micro-elektrode arrays en ze te gebruiken voor in vivo neurale opname.

Samenvatting

Implanteerbare micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op de microschaal op te helderen om een dieper begrip van de neurale onderbouwing van hersenziekten en letsel te krijgen. Aangezien elektroden worden geminiaturiseerd tot de schaal van individuele cellen, beperkt een overeenkomstige stijging van de interfaceimpedantie de kwaliteit van geregistreerde signalen. Bovendien zijn conventionele elektrodematerialen stijf, wat resulteert in een significante mechanische mismatch tussen de elektrode en het omringende hersenweefsel, wat een ontstekingsreactie uitlokt die uiteindelijk leidt tot een verslechtering van de prestaties van het apparaat. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben we een proces ontwikkeld om flexibele micro-elektroden te fabriceren op basis van Ti3C2 MXeen, een recent ontdekt nanomateriaal dat opmerkelijk hoge volumesvochtcapaciteit, elektrische geleidbaarheid, oppervlaktefunctionaliteit en verwerkbaarheid in waterige dispersies bezit. Flexibele arrays van Ti3C2 MXeen micro-elektroden hebben opmerkelijk lage impedantie als gevolg van de hoge geleidbaarheid en hoge specifieke oppervlakte van de Ti3C2 MXeen films, en ze hebben bewezen uitstekend gevoelig te zijn voor het opnemen van neuronale activiteit. In dit protocol beschrijven we een nieuwe methode voor micropatterning Ti3C2 MXeen in micro-elektrodearrays op flexibele polymere substraten en schetsen we het gebruik ervan voor in vivo micro-elektrocorticografie-opname. Deze methode kan gemakkelijk worden uitgebreid tot MXene elektrode arrays van willekeurige grootte of geometrie voor een reeks andere toepassingen in bio-elektronica te creëren en het kan ook worden aangepast voor gebruik met andere geleidende inkten naast Ti3C2 MXeen. Dit protocol maakt eenvoudige en schaalbare fabricage van micro-elektroden uit op oplossingen gebaseerde geleidende inkten mogelijk, en maakt het specifiek mogelijk om de unieke eigenschappen van hydrofiele Ti3C2 MXeen te benutten om veel van de barrières te overwinnen die de wijdverbreide adoptie van koolstofgebaseerde nanomaterialen voor neurale micro-elektroden op basis van koolstof lang hebben belemmerd.

Inleiding

Inzicht in de fundamentele mechanismen die ten grondslag liggen aan neurale circuits, en hoe hun dynamiek worden veranderd bij ziekte of letsel, is een cruciaal doel voor het ontwikkelen van effectieve therapieën voor een breed scala van neurologische en neuromusculaire aandoeningen. Micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op fijne ruimtelijke en temporele schalen op te helderen. Het verkrijgen van stabiele opnames met een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van microschaalelektroden is echter bijzonder uitdagend gebleken. Aangezien de afmetingen van de elektroden worden gereduceerd tot de aanpak van cellulaire schaal, een overeenkomstige stijging van elektrode impedantie degradeert signaalkwaliteit1. Bovendien hebben talrijke studies aangetoond dat stijve elektroden bestaande uit conventionele silicium en metalen elektronische materialen aanzienlijke schade en ontstekingen in het neurale weefsel produceren, wat hun nut voor langdurigeregistratie2,3,4,5beperkt. Gezien deze feiten is er grote belangstelling voor de ontwikkeling van micro-elektroden met nieuwe materialen die de elektrode-weefsel interface impedantie kunnen verminderen en kunnen worden opgenomen in zachte en flexibele vormfactoren.

Een veelgebruikte methode voor het verminderen van de elektrode-weefsel interface impedantie is het verhogen van het gebied waarover ionische soorten in de extracellulaire vloeistof kunnen interageren met de elektrode, of de "effectieve oppervlakte" van de elektrode. Dit kan worden bereikt door nanopatroon6, oppervlakte verruwing7, of elektroplating met poreuze additieven8,9. Nanomaterialen hebben veel aandacht gekregen op dit gebied omdat ze intrinsiek hoge specifieke oppervlaktes en unieke combinaties van gunstige elektrische en mechanische eigenschappen bieden10. Zo zijn koolstofnanobuisjes gebruikt als coating om elektrodeimpedantie11,12,13,grafeenoxide aanzienlijk te verminderen tot zachte, flexibele vrijstaande sondeelektroden14, en laser-pyrolyseporeus grafeen is gebruikt voor flexibele, lage impedantie micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) elektroden15. Ondanks hun belofte heeft een gebrek aan schaalbare assemblagemethoden de wijdverbreide adoptie van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden beperkt. Met name nanomaterialen op basis van koolstof zijn doorgaans hydrofoob en vereisen dus het gebruik van oppervlakteactieve stoffen16, superzuren17of oppervlaktefunctionalisatie18 om waterige dispersies te vormen voor fabricagemethoden vooroplossingsverwerking,terwijl alternatieve fabricagemethoden, zoals chemische dampdepositie (CVD), doorgaans hoge temperaturen vereisen die onverenigbaar zijn met veel polymere substraten19,20,21 ,22.

Onlangs is een klasse van tweedimensionale (2D) nanomaterialen, bekend als MXenes, beschreven die een uitzonderlijke combinatie van hoge geleidbaarheid, flexibiliteit, volumetrische capaciteit en inherente hydrofielheid biedt, waardoor ze een veelbelovende klasse van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden23. MXenen zijn een familie van 2D overgang metaalcarbides en nitriden die het meest worden geproduceerd door selectief etsen van de A-element van gelaagde precursoren. Dit zijn meestal MAX-fasen met de algemene formule Mn+1AXn, waarbij M een early transition metal is, is A een onderdeel 12−16 element van het periodiek systeem, X is koolstof en/of stikstof, en n = 1, 2 of 324. Tweedimensionale MXeenvlokken hebben oppervlakteeindigende functionele groepen die hydroxyl (−OH), zuurstof (−O) of fluor (−F) kunnen omvatten. Deze functionele groepen maken MXenen inherent hydrofiel en maken flexibele oppervlaktemodificatie of functionalisatie mogelijk. Van de grote klasse van MXenen, Ti3C2 is de meest uitgebreid bestudeerd en gekenmerkt25,26,27. Ti3C2 toont opmerkelijk hogere volumetrische capaciteit (1.500 F/cm3)28 dan geactiveerd grafeen (~60−100 F/cm3)29, carbide-afgeleide koolstof (180 F/cm3)30, en grafeengelfilms (~260 F/cm3)31. Bovendien vertoont Ti3C2 een extreem hoge elektronische geleidbaarheid (~ 10.000 S/cm)32, en de biocompatibiliteit ervan is aangetoond in verschillende studies33,34,35,36. De hoge volumetrische capaciteit van Ti3C2-films is voordelig voor biologische detectie- en stimulatietoepassingen, omdat elektroden die capacitieve ladingoverdracht vertonen potentieel schadelijke hydrolysereacties kunnen voorkomen.

Onze groep heeft onlangs aangetoond flexibele, dunne-film Ti3C2 micro-elektrode arrays, voorbereid met behulp van oplossing verwerkingsmethoden, die in staat zijn het opnemen van zowel micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) en intracorticale neuronale spiking activiteit in vivo met hoge SNR36. Deze MXeenelektroden vertoonden een aanzienlijk verminderde impedantie in vergelijking met met grootte afgestemde goud (Au) elektroden, die kunnen worden toegeschreven aan de hoge geleidbaarheid van MXeen en het hoge oppervlak van de elektroden. In dit protocol beschrijven we de belangrijkste stappen voor het fabriceren van vlakke micro-elektrodearrays van Ti3C2 MXeen op flexibele paryleen-C substraten en gebruiken ze in vivo voor intraoperatieve micro-ECoG-opname. Deze methode maakt gebruik van het hydrofiele karakter van MXeen, dat het gebruik van oplossingsverwerkingsmethoden mogelijk maakt die eenvoudig en schaalbaar zijn, zonder dat het gebruik van oppervlakteactieve stoffen of superzuren nodig is om stabiele waterige suspensivers te bereiken. Dit gemak van verwerkbaarheid kan een kosteneffectieve productie van MXeene-biosensoren op industriële schalen mogelijk maken, wat een belangrijke beperking is geweest voor de wijdverbreide adoptie van apparaten op basis van andere koolstofnanomaterialen. De belangrijkste innovatie in de elektrodefabricage ligt in het gebruik van een offerpolymerische laag om het MXeen na spin-coating te micropatroon, een methode die is aangepast uit de literatuur over op de oplossing verwerkte poly(3,4-ethyleenoxythiophene):poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) micro-elektroden37, maar die niet eerder was beschreven voor het patroon van MXeen. De uitzonderlijke elektrische eigenschappen van Ti3C2, in combinatie met de verwerkbaarheid en 2D morfologie maken het een veelbelovend materiaal voor neurale interfaces. In het bijzonder, Ti3C2 biedt een route naar het overwinnen van de fundamentele trade-off tussen elektrode geometrische gebied en elektrochemische interface impedantie, een primaire beperkende factor voor micro-schaal elektrode prestaties. Bovendien kan de fabricageprocedure die in dit protocol wordt beschreven, worden aangepast om MXeen-elektrodearrays van verschillende groottes en geometrieën voor verschillende opnameparadigma's te produceren, en kan deze ook gemakkelijk worden aangepast om andere geleidende inkten naast MXene op te nemen.

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

Protocol

Alle in vivo procedures in overeenstemming met de National Institutes of Health (NIH) Guide for the Care and Use of Laboratory Animals en werden goedgekeurd door het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Universiteit van Pennsylvania.

1. Synthese van Ti3C2 MXeen

OPMERKING: De reactieprocedures beschreven in deze sectie zijn bedoeld voor gebruik in een chemische rookkap. Waspassen die in deze procedure zijn opgenomen, zijn bedoeld om te worden gebruikt met gebalanceerde centrifugebuizen. Al het geproduceerde afval wordt beschouwd als gevaarlijk afval en moet op de juiste wijze worden weggegooid volgens de richtlijnen van de universiteit.

LET OP: Fluorzuur (HF) is een uiterst gevaarlijk, zeer corrosief zuur. Raadpleeg de materialen veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voor de chemische stoffen die worden gebruikt om MXenes voor gebruik te synthetiseren en de juiste veiligheidsmaatregelen te implementeren en te volgen. Geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) voor het hanteren van HF omvat een laboratoriumjas, zuurbestendige schort, schoenen met een nauwe sluiting, lange broek, bril, full face shield, nitrilhandschoenen en HF-resistente handschoenen gemaakt van butylrubber of neopreenrubber.

  1. MAX fasesynthese
    1. Synthetiseren Ti3AlC2 door balfrezen TiC (2 μm), Ti (44 μm) en Al (44 μm) poeders bij een kiesverhouding (TiC:Ti:Al) van 2:1:1 voor 18 uur met zirkoniaballen. Plaats de poeders in een lichtoxidekroes, verwarm tot 1.380 °C (5 °C verwarmingssnelheid) en houd 2 uur onder argon. Nadat de poeders zijn afgekoeld, wik het MAX-blok en zeef je door een 200 gaaszeef (<74 μm deeltjesgrootte).
      OPMERKING: De Ti3AlC2 MAX fase voorloper gebruikt om MXenes synthetiseren is aangetoond dat directe gevolgen hebben voor de resulterende Ti3C2 MXeen eigenschappen38. De Ti3C2 gebruikt om neurale elektroden te fabriceren werd selectief geëtste van MAX bereid na een eerdere procedure26.
  2. Ets: Verwijdering van de Al-laag in Ti3AlC2 in een zure etchant-oplossing(figuur 1A)
    1. Bereid de selectieve etsoplossing voor in een 125 mL plastic container door eerst 12 mL gedeïoniseerd water (DI H2O) toe te voegen, gevolgd door de toevoeging van 24 mL zoutzuur (HCl). Het dragen van alle geschikte HF etsPPE, voeg 4 mL HF aan de etchant container. Voer selectieve etsuit door langzaam 2 g Ti3AlC2 MAX-fase aan de reactiecontainer toe te voegen en roeren met een Teflon magnetische staaf gedurende 24 uur bij 35 °C bij 400 tpm.
  3. Wassen: Het materiaal naar neutrale pH brengen.
    1. Vul twee centrifugebuizen van 175 mL met 100 mL DI H2O. Splits het etsreactiemengsel op in centrifugebuizen van 175 mL en was het materiaal door herhaalde centrifuges bij 3.500 tpm (2.550 x g)gedurende 5 min. Decant de supernatant in een plastic gevaarlijke afvalcontainer. Herhaal dit totdat de pH 6 bereikt.
  4. Intercalatie: Inbrengen van moleculen tussen meerlaags MXeendeeltje om interacties buiten het vlak te waken (figuur 1B)
    1. Voeg 2 g lithiumchloride (LiCl) toe aan 100 mL DI H2O en roer bij 200 tpm tot deze is opgelost. Meng 100 mL LiCl/H2O met het Ti3C2/Ti3AlC2 sediment en roer de reactie gedurende 12 uur bij 25 °C.
  5. Delaminatie: Exfoliatie van bulk meerlaags deeltje in single- tot few- layer Ti3C2 MXene (figuur 1C)
    1. Was de intercalatiereactie in centrifugebuizen van 175 mL door centrifugeren bij 2.550 x g gedurende 5 min. Decant de heldere supernatant. Herhaal dit totdat er een donkere supernatant wordt gevonden.
    2. Blijf 1 uur centrifugeren bij 2.550 x g. Decanteer de verdund-groene supernatant.
    3. Re-disperse the swollen sediment with 150 mL of DI H2O. Transfer supernatant to 50 mL centrifuge tubes and centrifuge at 2,550 x g for 10 min to separate remaining MAX (sediment) from MXene (supernatant).
      OPMERKING: Re-dispersie van het sediment zal moeilijk worden en zal agitatie of handmatig schudden vereisen.
    4. Verzamel supernatant als Ti3C2 MXeen. Voer verdere grootteselectie en optimalisatie van de oplossing uit om enkel- tot weiniglaagse vlokken te isoleren door de supernatant te verzamelen na een centrifugatiestap bij 2.550 x g voor 1 uur.
  6. Oplossingsopslag: Verpakking van de MXeen-inkt voor langdurige opslag (figuur 1D)
    1. Argon bubbelt de oplossingen voor 30 minuten voorafgaand aan de verpakking in een Argon verzegelde hoofdruimteflacon (overdracht via een spuit). Bewaar oplossingen bij hoge concentraties (>5 mg/mL), weg van zonlicht en bij lage temperaturen (≤5 °C) om een lange levensduur te garanderen.

2. Fabricage van Ti3C2 MXeen Microelectrode Arrays

OPMERKING: De procedure beschreven in deze sectie is bedoeld voor gebruik in een standaard universiteit clean room faciliteit, zoals het Singh Center for Nanotechnology aan de Universiteit van Pennsylvania. Deze faciliteit, evenals soortgelijke faciliteiten, zijn toegankelijk voor externe gebruikers als onderdeel van het National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN) ondersteund door de National Science Foundation (NSF). In deze faciliteiten, veel van de instrumenten, apparatuur en materialen beschreven in deze sectie zijn voorzien, samen met toegang tot de clean room faciliteit en zou geen aparte aankoop vereisen.

LET OP: Veel van de chemische stoffen die worden gebruikt bij de fabricage van MXeenische elektroden zijn gevaarlijk, waaronder fotoresists, RD6 ontwikkelaar, remover PG, aluminium etsoplossing en gebufferde oxide etchant. Raadpleeg MSDS voor deze chemische stoffen voor gebruik en implementeer en volg te allen tijde passende veiligheidsmaatregelen. Alle chemicaliën moeten worden behandeld in een rookkap.

  1. Dep een 4 μm dikke onderste laag paryleen-C op een schone Si-wafer (zie figuur 2A).
  2. Gebruik het eerste fotomasker (masker-1) om de metalen interconnects van de apparaten te definiëren, evenals een metalen ring rond de rand van de wafer om te helpen bij latere lift-off stappen(figuur 2B).
    1. Spinlaag NR71-3000p op de wafer bij 3.000 tpm voor 40 s. Soft bak de wafer op een hete plaat voor 14,5 min bij 95 °C.
    2. Laad de wafer en masker-1 in een maskeraligner. Plaats de wafer zo dat de ring op het fotomasker overlapt met alle randen van de wafer.
    3. Bloot stellen met i-lijn (365 nm golflengte) bij een dosis van 90 mJ/cm2. Bak de wafel 1 min op een hete plaat bij 115 °C.
    4. Dompel de wafer onder in de RD6-ontwikkelaar gedurende 2 min en agiter de oplossing voortdurend. Spoel grondig af met DI H2O en föhn met een N2-pistool.
    5. Gebruik een elektronenbundelverdamver om 10 nm Ti te deponeren, gevolgd door 100 nm Au op de wafer.
      OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s.
    6. Dompel de wafer in remover PG voor ~ 10 min totdat de fotoresist is opgelost en het overtollige metaal volledig is opgetild, waardoor Ti / Au alleen in de gewenste interconnect sporen en de ring rond de rand van de wafer. Zodra de lift-off lijkt voltooid, sonicate voor 30 s om eventuele resterende sporen van ongewenste metaal te verwijderen. Spoel wafer eerst in schone remover PG oplossing, dan grondig spoelen in DI H2O en droog de wafer met een N2 pistool.
  3. Deponeren van de offerparyleen-C laag(figuur 2C).
    1. Stel de wafer gedurende 30 s bloot aan O2 plasma om de onderliggende paryleen-C laag hydrofiel te maken. Spincoat 2% reinigingsoplossing (bijvoorbeeld Micro-90) in DI H2O op de wafer bij 1.000 tpm voor 30 s. Laat wafer minstens 5 min drogen.
      OPMERKING: De verdunde zeepoplossing fungeert als een anti-lijm, waardoor de offerparyleen-C laag later in het proces kan worden geschild.
    2. Stort 3 μm paryleen-C op de wafer.
  4. Gebruik het tweede fotomasker (masker-2) om de MXene-patronen en een ring rond de rand van de wafer te definiëren(figuur 2D).
    1. Herhaal stap 2.2.1−2.2.4, dit keer met masker-2 en lijn de uitlijningsmarkeringen tussen de wafer en het fotomasker zorgvuldig uit lijnen voordat deze worden blootgesteld.
    2. Gebruik O2 plasma reactieve ionenets (RIE) om door de offerparyleen-C-laag te etsen in de gebieden die niet door de fotoresist worden bestreken om de MXeenelektroden en -sporen te definiëren, die gedeeltelijk moeten overlappen met de Ti/Au-interconnects, evenals de ring rond de randen van de wafer. Bevestig de volledige ets van de offerparyleen-C laag met behulp van een profilometer om het profiel tussen de blootgestelde Ti/Au interconnects en de onderste paryleen-C laag te meten.
      OPMERKING: Wanneer het etsen is voltooid, zal het profiel over het blootgestelde metalen oppervlak glad zijn, terwijl de onderste paryleen-C laag ruw en gedeeltelijk geëtste zal zijn. Deze etsstap moet worden voltooid in een vlakke etsrie-systeem, niet een vat asher, en etstijden en parameters zullen sterk afhankelijk zijn van het RIE-systeem.
  5. Spin-coat de MXene oplossing op de wafer (Figuur 2E).
    1. Pipette MXene oplossing op elk van de gewenste MXene patronen, draai de wafer op 1.000 rpm voor 40 s. Droog de wafer op een 120 °C hot plate voor 10 min om eventueel restwater te verwijderen uit de MXene film.
  6. Gebruik een elektronenbundelverdamver om 50 nm SiO2 op de wafer te deponeren, om als beschermende laag over de MXeenpatronen te fungeren voor latere verwerkingsstappen.
    OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s.
  7. Verwijder de lagen van de offerparyleen-C om de lagen MXeen en SiO2 (figuur 2F)te patroon.
    1. Breng een kleine druppel DI H2O aan op de rand van de wafer en gebruik een pincet om de offerparyleen-C laag te pellen, te beginnen waar de randen zijn gedefinieerd in de ring rond de buitenkant van de wafer.
      LET OP: Het water zal combineren met de zeepresidu onder de offerparyleen-C laag om deze lift-off mogelijk te maken.
    2. Spoel de wafer grondig af in DI H2O om eventuele resterende reinigingsoplossingsresten te verwijderen. Droog de wafer met een N2 kanon en plaats vervolgens 1 uur lang op een 120 °C-kookplaat om eventueel restwater uit de mxeenfolies met patroon te verwijderen.
  8. Dep de 4 μm dikke toplaag paryleen-C (figuur 2G) in.
  9. Gebruik het derde fotomasker (masker-3) om de contouren en openingen van het apparaat te definiëren over elektroden en Au-bindingspads (VIA's) (figuur 2H).
    1. Herhaal stap 2.2.1−2.2.4, dit keer met masker-3 en zorgvuldig uitlijnen van de uitlijningsmarkeringen tussen de wafer en het fotomasker voor de belichting.
    2. Gebruik een elektronenbundelverdamver om 100 nm Al op de wafer te deponeren.
      OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s.
    3. Dompel de wafer in remover PG voor ~ 10 min totdat het metaal volledig is opgetild, waardoor Al de apparaten bedekt met openingen voor de elektroden en bindpads. Wanneer de lift-off is voltooid, sonicate voor 30 s om eventuele resterende sporen van ongewenste metaal te verwijderen. Spoel wafer eerst in schone remover PG oplossing, dan grondig spoelen in DI H2O en droog de wafer met een N2 pistool.
  10. Ets de paryleen-C om het apparaat overzicht en openingen over elektroden en Au bonding pads (VIA's) (Figuur 2I) patroon. Gebruik O2 plasma RIE om te etsen door de paryleen-C lagen rond de apparaten, en door de bovenste paryleen-C laag die zowel de MXeen elektrode contacten en de Au bonding pads.
    OPMERKING: Etsen is voltooid wanneer er geen paryleen-C residu blijft op de wafer tussen apparaten. De SiO2-laag die de MXene bedekt, fungeert als een etslaag, waardoor het O2-plasma niet in de MXene-elektrodecontacten kan etsen of beschadigen.
  11. Ets de Al-laag die de apparaten bedekt met behulp van een natte chemische ets in Al etchant type A bij 50 °C, hetzij gedurende 10 min, hetzij voor 1 min verleden wanneer alle visuele sporen van Al zijn verdwenen, wat het eerst komt. Etsen de SiO2 die de MXeen elektroden met behulp van een natte chemische ets in 6:1 gebufferd oxide etchant (BOE) voor 30 s (Figuur 2J).
    LET OP: De MXene micro-elektrode arrays zijn nu compleet.
  12. Laat de apparaten los van de Si substraat wafer door het plaatsen van een kleine druppel DI H2O aan de rand van een apparaat, en voorzichtig peeling van het apparaat als water is slecht onder het door capillaire actie(Figuur 2K en figuur 3).

3. Adapterconstructie en interfacing

OPMERKING: Op dit punt moeten de dunne film micro-elektrode arrays worden gekoppeld aan een adapter om verbinding te maken met het elektrofysiologie registratiesysteem. De 128ch stimulatie/opnamecontroller met de RHS2000 16-ch stim/record headstage(Table of Materials)die in dit protocol wordt gebruikt, vereist invoer via een connector die compatibel is met de 18-pins connector A79039-001. Deze sectie maakt gebruik van een printplaat (PCB, figuur 4A)met een zif-connector (zero-insertion force) voor interfacing met de Au-bindingspads op de micro-elektrodearray en de connector A79040-001 voor interfacing met de head-stage van het opnamesysteem. Afhankelijk van het data-acquisitiesysteem kunnen verschillende connectoren op het PCB worden gebruikt om interfacing met de elektrofysiologie frontstage mogelijk te maken.

  1. Soldeer de Omnetics- en ZIF-connectoren op het PCB door een dunne folie soldeerpasta aan te brengen op elk van de contactpads op het PCB, de onderdelen op de juiste plaatsen te plaatsen en op een hete plaat te verwarmen totdat het soldeer opnieuw stroomt om verbindingen te vormen (figuur 4B).
    LET OP: Reflow solderen kan heel gemakkelijk worden gedaan op een hete plaat of in een broodrooster oven en vereist niet het gebruik van een dure reflow oven.
  2. Breng twee lagen polyimidetape(Tabel met materialen) aan op de achterkant van het Au-bindingspadgebied van de MXene-micro-elektrodearray om het apparaat voldoende dikte te geven om in de ZIF-connector te worden vastgezet. Na het aanbrengen van de tape, trim je overtollige buiten de randen van het paryleen-C-apparaat met behulp van een scheermesje of precisieschaar(figuur 4C).
  3. Ofwel onder een inspectiebereik of met behulp van een vergrootglas, lijn de MXene micro-elektrode array in de ZIF-connector, zodat de Au bonding pads uitlijnen met de pinnen in de ZIF-connector, sluit dan de ZIF om een veilige verbinding te vormen (Figuur 4D,E).
    OPMERKING: De ZIF-connector die hier wordt gebruikt is een 18-kanaals connector, terwijl het apparaat dat hier wordt gebruikt 16 kanalen heeft. De extra contactloze kanalen zijn eenvoudig te herkennen als een open circuit door middel van impedantietesten tijdens opnamesessies.
  4. Test de elektrochemische impedantie van de MXeenelektroden met behulp van een potentiostat om een succesvolle fabricage en aansluiting op de PCB-adapter te garanderen.
    OPMERKING: In de discussiesectie worden redelijke impedantiewaarden gegeven om te helpen bij het oplossen van problemen.

4. Acute implantatie en neurale opname

OPMERKING: Operaties op volwassen mannelijke Sprague Dawley ratten worden uitgevoerd met behulp van steriele instrumenten en met aseptische techniek. Ademhalingsfrequentie, palpebral reflex, en pedaal pinch reflex worden gecontroleerd om de 10 min om de diepte van anesthesie te controleren. De lichaamstemperatuur wordt gehandhaafd met een verwarmingskussen.

  1. Toedienen preventieve analgesie (onderhuidse injectie van buprenorfine aanhoudende afgifte [SR], 1,2 mg/kg).
  2. Toedienen anesthesie (intraperitoneale injectie van een mengsel van 60 mg/kg ketamine en 0,25 mg/kg dexmedetomidine).
  3. Bevestig het juiste niveau van anesthesie om de 10 min gedurende het experiment door te controleren op afwezigheid van palpebral en pedaal knijpreflexen.
  4. Veilige rat in stereotaxic frame, breng oculaire smeermiddel op de ogen, en schoon geschoren hoofdhuid met 10% povidone-jodium.
  5. Stel de calvaria bloot met een enkele middellijnhoofdhuidincisie en botte dissectie van onderliggend weefsel.
  6. Plaats een 00-90 schroef in de schedel om te dienen als de grond voor opnames.
  7. Met behulp van een tandheelkundige boor met een kleine braam, maak een craniotomie op de gewenste corticale opname site.
  8. Beveilig de arrayconnector op een stereotaxic manipulator en plaats het apparaat boven de craniotomie. Voorzichtig lager totdat de hele array in contact is met de blootgestelde cortex.
  9. Wikkel de gronddraad rond de schedelschroef.
  10. Sluit de headstage van het opnamesysteem aan op de array en begin met het opnemen van spontane activiteit.

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

Resultaten

Voorbeeld van micro-ECoG-gegevens die zijn geregistreerd op een MXene-micro-elektrodearray, wordt weergegeven in figuur 5. Na toepassing van de elektrodearray op de cortex, werden duidelijke fysiologische signalen onmiddellijk zichtbaar op de opname-elektroden, met ongeveer 1 mV amplitude ECoG-signalen die op alle MXene-elektroden verschenen. Krachtspectra van deze signalen bevestigden de aanwezigheid van twee hersenritmes die vaak werden waargenomen bij ratten onder ketamine-dexmedetomidine...

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

Discussie

De in dit protocol beschreven mxeensynthese- en delaminatieprocedure (HF/HCl/LiCl) is gebaseerd op de MILD etsbenadering die gebruik maakte van een LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26. De MILD-benadering zorgt ervoor dat grote Ti3C2 vlokken (meerdere μm in zijdelingse grootte) spontaan worden gedelamineerd tijdens het wassen zodra pH ~5−6 is bereikt. In vergelijking met etsen met HF alleen, resulteert dit in materiaal met een hogere kwaliteit en verbeterde materiaaleigensch...

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

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (subsidie nr. R21-NS106434), de Citizens United for Research in Epilepsie Taking Flight Award, de Mirowski Family Foundation en Neil en Barbara Smit (F.V.); de National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (verlenen nee. DGE-1845298 aan N.D. en B.M.); het Army Research Office (Cooperative Agreement Number W911NF-18-2-0026 to K.M.); en door het Amerikaanse leger via het Surface Science Initiative Program in het Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 naar Y.G. en K.M.). Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in het Singh Center for Nanotechnology, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
00-90 schroefMcMaster-Carr90910A630Schroef rond waaraan de aardedraad is gewikkeld
128ch stimulatie-/opnamecontrollerIntan TechnologiesEen onderdeel van het neurale opnamesysteem.
175 mL polypropyleen (PP) kegelvormige centrifugeerbuisjesFalconREF: 352076Gebruikt voor wassen
18-positie 0,5 mm pitch ZIF-connectorMolex505110-1892Gebruikt om de flexibele Parylene micro-elektrode array te koppelen met de PCB-adapterkaart.
18-positie dubbele rij mannelijke nano-miniatuur (.025"/.64mm) connectorOmnetics Connector CorporationA79008-001Gebruikt om de PCB-adapterkaart te koppelen met de opname-headstage.
3ML wegwerpbare plastic set afgemeten pipettenRienarRienar-3ML-20PCSGebruikt voor het overbrengen van etsmiddel of MXene-oplossingen
50 mL polypropyleen (PP) kegelvormige centrifugeerbuisFalconREF: 352070Gebruikt voor wassen en grootteselectie
Al etsmiddel Type ATransene060-0026000-QTVoor het verwijderen van de Al etsmaskerlaag na de laatste Parylene-C etch.
Aluminiumpoeder, -325 Mesh, 99,5% (op basis van metalen), deeltjesgrootte < 44 µmAlfa AesarCAS: 7429-90-5Gebruikt voor MAX-synthese
AutoCAD-softwareAutodesk Inc.Ontwerpsoftware voor het tekenen van fotomaskers. Gratis alternatieven zijn DraftSight en LayoutEditor.
Gebufferd oxide-etsmiddel 6:1JT Baker1178-03Voor het verwijderen van de SiO2-laag om MXene-elektrodecontacten aan het einde van de fabricageprocedure bloot te leggen.
Buprenorfine SRWildlife PharmaceuticalsAnalgetica voor rattenchirurgie
CentrifugeHermleBenchmark Z 446Gebruikt voor wassen en grootteselectie
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3Anesthesie voor rattenchirurgie
BoorboorFine Science Tools19007-07Boren voor boor
Elektrische boorForedomK.1070Micromotorboor voor craniotomieën
Elektronenbundel verdamperKurt J. Lesker CompanyGebruikt om Ti, Au en SiO2 te verdampen tijdens fabricage. De meeste universiteits schone kamers hebben deze of een soortgelijk gereedschap.
AardedraadA-M Systems781500Koperen zilverdraad
Headspace-flesje, glasSupelcoREF: 27298Gebruikt voor het opslaan van MXene-oplossingen
Zoutzuur (12,1N)Fisher ScientificCAS: 7647-01-0Corrosief; etsmateriaal
Fluorwaterstoffzuur, (48-51% oplossing in H2O)AcrosCAS: 7664-39-3Etsmateriaal
Jupiter II RIE-systeemMarch Plasma Systems Inc.Planair RIE-etssysteem gebruikt om het Parylene-C te etten met behulp van O2 plasma. De meeste universiteits schone kamers hebben een vergelijkbaar planair RIE-etssysteem.
Kapton standaard polyimide tape, 1/4"DuPontGebruikt om dikte toe te voegen aan het Au-bondingpadgebied van de flexibele Parylene micro-elektrode array voor inbrenging in de ZIF-connector.
KetamineZiekenhuis van de Univ. van Penn.Anesthesie voor rattenchirurgie
KLA P-7 Stylus ProfilometerKLA CorporationGebruikt om 2D-profielen te meten om volledige ets door de opofferlaag parylene-C in stap 2.4.2 te bevestigen. De meeste universiteits schone kamers hebben deze of een vergelijkbaar stylus profilometer-gereedschap.
Lithiumboorchloride, 99% voor analyse, watervrijAcrosCAS: 7447-41-8Hygroscopisch; delaminatiemateriaal
MA6 masker alignerKarl Suss Microtec AGGebruikt om elk fotomasker uit te lijnen op het patroon op de wafer en de wafer bloot te stellen aan UV-licht. De meeste universiteits schone kamers hebben deze of een soortgelijk gereedschap.
Micro-90 reinigingsoplossingInternational Products CorporationM-9050-12Gebruikt als de anti-hechtlaag om het verwijderen van de opofferlaag Parylene-C mogelijk te maken om het MXene te patroon
NR71-3000p fotoresistFuturrex Inc.NR71-3000pNegatieve fotoresist gebruikt om Ti/Au-sporen en MXene-patronen in de apparaten te definiëren.
Oftalmisch zalfMidwest Veterinary Supply193.63200.3Om hoornvliesdroging tijdens de chirurgie te voorkomen
Parylene-depositionssysteemSpecialty Coating SystemsGebruikt om dunne conforme films van Parylene-C te verdampen
Parylene-C dimerSpecialty Coating Systems980130-c-01lbeFlexibele polymeer gebruikt als onderste en bovenste passivatielagen voor de flexibele MXene-apparaten
Fotomaskers (chroom op sodakalkglas)Universiteit van PennsylvaniaOnze fotomaskers zijn geproduceerd in de schone kamer van de universiteit met behulp van een Heidelberg DWL66+ laserwriter-systeem, maar verschillende leveranciers produceren fotomaskers op basis van geleverde ontwerpbestanden.
PovidonjooplossingMedlineMDS093901Om infectie rond de incisie van de hoofdhuid te helpen voorkomen
Gedrukte circuitbord (PCB)Advanced CircuitsGebruikt om een koppeling te maken tussen de MXene-elektrode array en de meetelektronica zoals de potentiostaat en het Intan opnamesysteem. Advanced Circuits en andere leveranciers produceren en assembleren PCB's op basis van de geleverde ontwerpbestanden.
RD6

Referenties

  1. 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).
  2. 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).
  3. Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001(2017).
  4. Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8(2014).
  5. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).
  6. Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
  7. Petrossians, A., Whalen, J. J., Weiland, J. D., Mansfeld, F. Surface modification of neural stimulating/recording electrodes with high surface area platinum-iridium alloy coatings. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 3001-3004 (2011).
  8. Meyer, R. D., Cogan, S. F., Nguyen, T. H., Rauh, R. D. Electrodeposited iridium oxide for neural stimulation and recording electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 9 (1), 2-11 (2001).
  9. Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
  10. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
  11. Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F., Gross, G. W. Carbon nanotube coating improves neuronal recordings. Nature Nanotechnology. 3 (7), 434-439 (2008).
  12. Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31 (19), 5169-5181 (2010).
  13. Green, R. A., Williams, C. M., Lovell, N. H., Poole-Warren, L. A. Novel neural interface for implant electrodes: improving electroactivity of polypyrrole through MWNT incorporation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19 (4), 1625-1629 (2008).
  14. Apollo, N. V., et al. Flexible Freestanding Neural Stimulation and Recording Electrodes Fabricated from Reduced Graphene Oxide. Advanced Functional Materials. 25 (23), 3551-3559 (2015).
  15. Lu, Y., Lyu, H., Richardson, A. G., Lucas, T. H., Kuzum, D. Flexible Neural Electrode Array Based-on Porous Graphene for Cortical Microstimulation and Sensing. Scientific Reports. 6 (1), 33526(2016).
  16. Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (48), 13357-13367 (2003).
  17. Ramesh, S., et al. Dissolution of Pristine Single Walled Carbon Nanotubes in Superacids by Direct Protonation. The Journal of Physical Chemistry B. 108 (26), 8794-8798 (2004).
  18. Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
  19. Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1700905(2017).
  20. Wang, K., Fishman, H. A., Dai, H., Harris, J. S. Neural Stimulation with a Carbon Nanotube Microelectrode Array. Nano Letters. 6 (9), 2043-2048 (2006).
  21. Ansaldo, A., Castagnola, E., Maggiolini, E., Fadiga, L., Ricci, D. Superior Electrochemical Performance of Carbon Nanotubes Directly Grown on Sharp Microelectrodes. ACS Nano. 5 (3), 2206-2214 (2011).
  22. Nimbalkar, S., et al. Ultra-Capacitive Carbon Neural Probe Allows Simultaneous Long-Term Electrical Stimulations and High-Resolution Neurotransmitter Detection. Scientific Reports. 8, 6958(2018).
  23. Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098(2017).
  24. Anasori, B., Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
  25. Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23 (37), 4248-4253 (2011).
  26. Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29 (18), 7633-7644 (2017).
  27. Ghidiu, M., Lukatskaya, M. R., Zhao, M. Q., Gogotsi, Y., Barsoum, M. W. Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance. Nature. 516 (7529), 78-81 (2014).
  28. Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105(2017).
  29. Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).
  30. Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).
  31. Yang, X., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L., Li, D. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage. Science. 341 (6145), 534-537 (2013).
  32. Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29 (36), 1702678(2017).
  33. Han, X., et al. 2D Ultrathin MXene-Based Drug-Delivery Nanoplatform for Synergistic Photothermal Ablation and Chemotherapy of Cancer. Advanced Healthcare Materials. 7 (9), 1701394(2018).
  34. Dai, C., et al. Biocompatible 2D Titanium Carbide (MXenes) Composite Nanosheets for pH-Responsive MRI-Guided Tumor Hyperthermia. Chemistry of Materials. 29 (20), 8637-8652 (2017).
  35. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
  36. Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12 (10), 10419-10429 (2018).
  37. Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25 (15), 2135-2139 (2013).
  38. Shuck, C. E., et al. Effect of Ti3AlC2 MAX Phase on Structure and Properties of Resultant Ti3C2Tx MXene. ACS Applied Nano Materials. 2 (6), 3368-3376 (2019).
  39. Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1600050(2016).
  40. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
  41. Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10 (1), 1795(2019).
  42. Quain, E., et al. Direct Writing of Additive-Free MXene-in-Water Ink for Electronics and Energy Storage. Advanced Materials Technologies. 4 (1), 1800256(2019).
  43. Salles, P., Quain, E., Kurra, N., Sarycheva, A., Gogotsi, Y. Automated Scalpel Patterning of Solution Processed Thin Films for Fabrication of Transparent MXene Microsupercapacitors. Small. 14 (44), 1802864(2018).

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

Herprints en machtigingen

Tags

In vivo-registratiefotolithografieParylene-C-substraatelektronenstraalevaporatiezuurstofplasma-etsenoplosmiddelgebaseerde inktenflexibele elektronicaneurale interfaces
Fabricage van Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays voor In Vivo Neural Recording
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.