Methodenartikel

Hulpmiddelen voor oppervlaktebehandeling van siliciumplanaire intracorticale micro-elektroden

1.7K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63500

⸱

8 juni 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University, 2Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Bioengineering, The University of Texas at Dallas

In dit artikel

Samenvatting

Het huidige protocol beschrijft hulpmiddelen voor het omgaan met siliciumplanaire intracortische micro-elektroden tijdens behandelingen voor oppervlaktemodificatie via gasafzetting en waterige oplossingsreacties. De assemblage van de componenten die worden gebruikt om de apparaten tijdens de procedure te hanteren, wordt in detail uitgelegd.

Samenvatting

Intracorticale micro-elektroden hebben een groot therapeutisch potentieel. Maar ze worden uitgedaagd met een aanzienlijke prestatievermindering na een bescheiden implantatieduur. Een substantiële bijdrage aan de waargenomen achteruitgang is de schade aan het neurale weefsel proximaal aan het implantaat en de daaropvolgende neuro-inflammatoire respons. Inspanningen om de levensduur van het apparaat te verbeteren, omvatten chemische modificaties of coatingtoepassingen op het oppervlak van het apparaat om de weefselrespons te verbeteren. De ontwikkeling van dergelijke oppervlaktebehandelingen wordt meestal voltooid met behulp van niet-functionele "dummy" -sondes die de elektrische componenten missen die nodig zijn voor de beoogde toepassing. Vertaling naar functionele apparaten vereist extra aandacht gezien de kwetsbaarheid van intracorticale micro-elektrode arrays. Handlingtools vergemakkelijken oppervlaktebehandelingen aan geassembleerde apparaten aanzienlijk, met name voor modificaties die lange procedurele tijden vereisen. De hier beschreven handlingtools worden gebruikt voor oppervlaktebehandelingen die worden toegepast via gasfasedepositie en blootstelling aan waterige oplossingen. Karakterisering van de coating wordt uitgevoerd met behulp van ellipsometrie en röntgenfoto-elektronspectroscopie. Een vergelijking van opnames van elektrische impedantiemissiespectroscopie voor en na de coatingprocedure op functionele apparaten bevestigde de integriteit van het apparaat na wijziging. De beschreven hulpmiddelen kunnen gemakkelijk worden aangepast voor alternatieve elektrode-apparaten en behandelingsmethoden die de chemische compatibiliteit behouden.

Inleiding

Neuroprothesen zijn gericht op het herstellen van verminderde of afwezige sensorische en motorische vaardigheden in een breed scala van patiëntenpopulaties, waaronder die met een dwarslaesie, Amyotrofische Laterale Sclerose (ALS), hersenverlamming en amputaties 1,2,3. Intracorticale micro-elektroden (IME's) kunnen een communicatieroute tot stand brengen tussen corticale neuronen en de apparaten die worden gebruikt om neuroprothesen te controleren. Een duidelijk voordeel van intracorticale micro-elektroden is hun vermogen om neurale signalen op te nemen met de hoge ruimtelijke en temporele resolutie, wat de voorkeur heeft voor de daaropvolgende signaalverwerking en controle van hersen-computerinterfaces 4,5. Helaas neemt de prestatie van intracorticale micro-elektroden binnen enkele maanden tot een jaar na implantatie drastisch af 2,6,7,8. Het verlies van signaalkwaliteit en stabiliteit heeft een negatieve invloed op de toepassing van de technologie.

Een belangrijke bijdrage aan de waargenomen prestatiedaling is de biotische respons op implantatie-geassocieerde weefselschade en chronische neuro-inflammatie 9,10,11. Implantatie van IME's brengt schade toe aan hersenweefsel, wat resulteert in het vrijkomen van signaalmoleculen die cascades van reactionaire cellulaire verdedigingsprocessen initiëren. Chronische interfacing verergert de reactie van het vreemde lichaam, wat leidt tot aanhoudende neuro-inflammatie die weefsel proximaal aan het apparaat beschadigt; vaak herkend als symptomen van neuro-inflammatie, littekens en lokale neurodegeneratie die bijdragen aan de afname van de opname van de signaalkwaliteit 12,13,14,15. Bestaande uit een dicht conglomeraat van astrocyten met meegevoerde geactiveerde microglia en macrofagen, creëert het litteken dat de elektrode inkapselt een ongunstige lokale omgeving met verminderd materiaaltransport en lokale accumulatie van ontstekingsfactoren 16,15,16,17,18.

Veel studies hebben de reactie van de hersenen op intracorticale micro-elektroden beschreven of benaderingen om de respons te verminderen7. Onderzoek en ontwikkeling naar het verbeteren van de weefselrespons hebben een reeks strategieën omvat, waaronder wijzigingen in de algehele structuur, oppervlaktetopologie, materialen en coatingstoepassing. Deze inspanningen zijn bedoeld om de schade als gevolg van de implantatie te minimaliseren, een gunstiger interface tussen het apparaat en proximale cellen te introduceren of de weefselspanning te verminderen nadat apparaten zijn geïmplanteerd7. Methoden die specifiek gericht zijn op de chronische biologische respons hebben geleid tot verschillende bioactieve coatings die gericht zijn op het stabiliseren van de implantatieplaats en het chemisch bevorderen van de gezondheid van cellen. Voorbeelden zijn geleidende polymeren zoals poly(ethyleendioxythiofeen) (PEDOT)19,20, koolstofnanobuisjes21, hydrogels22 en de toevoeging van bioactieve moleculen en geneesmiddelen om specifieke cellulaire processen aan te pakken23,24,25. Onze onderzoeksgroep heeft in het bijzonder vele mechanismen onderzocht om een vermindering van de ontstekingsreactie op geïmplanteerde micro-elektroden te bevorderen, waaronder, maar niet beperkt tot, het minimaliseren van het trauma geassocieerd met implantatie van het apparaat26, het minimaliseren van de afwijking van de apparaat / weefselstijfheidmismatch 27,28,29,30,31,32,33, optimalisatie van sterilisatie procedures34,35, vermindering van oxidatieve stress/schade 28,36,37,38,39,40,41,42, onderzoek naar alternatieve elektrodematerialen43 en nabootsing van de nano-architectuur van de natuurlijke extracellulaire matrix 44,45,46 . Recente interesse is de ontwikkeling van biomimetische oppervlaktecoatings om de neuro-inflammatoire respons op de micro-elektrode weefselinterface directte verminderen 39.

Modificatie van de interface biedt het unieke voordeel van het direct richten op de wond en het proximale weefsel dat nodig is voor signaalopname. Een oppervlaktebehandeling die genezing bevordert zonder de immuunrespons te verergeren, kan de levensduur van kwaliteitsregistratie ten goede komen en beperkingen wegnemen bij het realiseren van het therapeutische en onderzoekspotentieel van intracorticale micro-elektroden. Het gepresenteerde werk beschrijft methoden voor het toepassen van oppervlaktebehandelingen op micro-elektrode-arrays die langere reactietijden vereisen terwijl de kwetsbaarheid van de apparaten wordt aangepast. De gepresenteerde techniek is bedoeld om methoden voor oppervlaktemodificatie te delen met functionele hulpmiddelen waarbij het apparaat niet tijdens de behandelingstoepassing kan worden gehanteerd. De tools worden gepresenteerd voor het omgaan met niet-functionele dummy-sondes en functionele siliciumplanaire micro-elektrode-arrays.

De gepresenteerde aanpak om het elektrodeoppervlak te wijzigen, maakt de veilige suspensie van niet-functionele dummy-sondes of functionele siliciumplanaire elektrode-arrays mogelijk voor gasfaseafzetting en reactie met waterige oplossingen. Verschillende 3D-geprinte stukken worden gebruikt om deze fragiele apparaten te hanteren (figuur 1 en figuur 2). Er wordt een voorbeeld gegeven van een procedure die zowel gas- als oplossingsfasestappen gebruikt voor de oppervlaktemodificatie met een antioxidatieve coating waarbij Mn (III) tetrakis (4-benzoëzuur) porfyrine (MnTBAP) wordt geïmmobiliseerd. MnTBAP is een synthetische metalloporfyrine met antioxiderende eigenschappen met aangetoonde bemiddeling van ontsteking47,48. Het gegeven voorbeeld over functionele silicium planaire elektrode arrays valideert een update van een eerder gerapporteerd protocol voor niet-functionele apparaten40. De aanpassing van een gasfasedepositietechniek van Munief et al. ondersteunt de compatibiliteit van het protocol met functionele elektroden49. De gasfasedepositie wordt gebruikt om het oppervlak te functionaliseren ter voorbereiding op de waterige reactie waarbij carbodiimide crosslinkerchemie betrokken is om de actieve MnTBAP te immobiliseren. De hier ontwikkelde handlingmethodologie wordt geleverd als een platform dat kan worden aangepast aan andere coatings en soortgelijke apparaten.

Het protocol illustreert de aanpak met behulp van niet-functionele dummy-sondes bestaande uit een siliconen schacht en een 3D-geprint tabblad met vergelijkbare afmetingen als de functionele siliciumplanaire elektrodearrays. De connectorverpakking van het apparaat wordt beschouwd als analoog aan het 3D-geprinte tabblad van de niet-functionele dummy-sonde in de meegeleverde instructie.

figure-introduction-1
Figuur 1: 3D-geprinte stukken voor het hanteren van functionele apparaten tijdens de gasfaseafzetting in een vacuümdesiccator. (A) De basis van de structuur omvat houders voor 1 cm x 1 cm monster silicium vierkanten (bovenste pijl) en gaten voor bevestiging aan desiccatorplaat (onderste pijl). (B) De plaat wordt gebruikt om de ophanging van apparaten vast te zetten. Vanaf hier wordt elk stuk in deze figuur aangeduid als stuk 1A of 1B. Schaalbalk = 1 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-introduction-2
Figuur 2: 3D-geprinte stukken voor het hanteren van functionele voorzieningen voor de oppervlaktereactie die optreedt in de waterige oplossing. (A) Geleidingsstuk dat op het deksel van de kweekplaat moet worden gelijmd. (B) Benchtop-stukken die worden gebruikt om stukken (C) en (D) tijdens het assembleren te stabiliseren. (C) en (D) samen de ophanging van apparaten voor plaatsing in de putplaat vastzetten, en (E) bevestigt verder stukken (C) en (D) aan het deksel van de putplaat. Vanaf hier worden afzonderlijke stukken in elk paneel van deze figuur aangeduid als stuknummers die overeenkomen met het paneelnummer van deze figuur. Schaalbalk = 1 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

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

Protocol

Alle coderingsbestanden voor 3D-printen worden geleverd in Aanvullende coderingsbestanden 1-16. De analyse in de representatieve resultaten wordt beschreven met behulp van commercieel verworven functionele silicium planaire elektrode arrays (zie materiaaltabel).

1. Handling assemblage voor gasfase depositie in een vacuüm exsiccator

OPMERKING: Het geassembleerde apparaat voor het hanteren en vasthouden van inrichtingen tijdens gasfasedepositie is weergegeven in figuur 3. In de stappen 1.1-1.8 wordt de procedure beschreven die nodig is om de inrichtingen in het apparaat te plaatsen voor depositie (figuur 4A).

figure-protocol-1
Figuur 3: Assemblage van 3D-geprinte stukken voor het hanteren van functionele apparaten tijdens gasfaseafzetting. De assemblage wordt afgebeeld zonder monsters die moeten worden gecoat. Schroeven en vleugelmoeren worden gebruikt om stukken 1A en 2B aan elkaar te bevestigen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 4: Afbeelding van assemblage en plaatsing van te coaten monsters. Dit schema beschrijft de hantering van functionele apparaten tijdens gasfasedepositie die is beveiligd in een vacuümdesiccator. (A) Dubbelzijdige polyimidetape geplaatst op stuk 1A en schuimtape op 1B. (B) Apparaten bevestigd op tape. (C) Schroeven en vleugelmoeren worden gebruikt om stukken 1B aan 1A te bevestigen en de assemblage wordt met ritskabelbinders (rode pijlen) aan de snijbak bevestigd. (D) 1 cm x 1 cm silicium vierkante monsters worden in de respectieve houders geplaatst. (E) De aluminium weegschaal en manometer worden in de aangegeven richting in de exsiccator geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Voor oppervlaktebehandeling, verkrijg 1 cm x 1 cm vierkante monsters van het substraatmateriaal van de apparaten.
    1. Voor siliciummonsters (geselecteerd voor dit protocol), snijdt u de siliciumwafer in vierkanten van 1 cm x 1 cm met behulp van een waferblokjesmachine (zie Materiaaltabel).
  2. Druk stukken 1A (figuur 1A, aanvullend coderingsbestand 1, aanvullend coderingsbestand 2) en 1B (figuur 1B, aanvullend coderingsbestand 3, aanvullend coderingsbestand 4) af of verkrijg ze.
  3. Bevestig dubbelzijdige polyimidetape aan stuk 1A en bevestig 1/8 " dikke schuimstrip met éénzijdige lijm aan stuk 1B.
  4. Bevestig de connectorverpakking van het apparaat op de tape op stuk 1A.
    OPMERKING: De ideale oriëntatie van de connector op de tape laat de schacht over de rand hangen, zoals weergegeven in figuur 4B.
  5. Veilig stuk 1A en stuk 1B samen (figuur 4C). Lijn de gaten uit en zet vast met roestvrijstalen schroeven en vleugelmoeren (zie Materiaaltabel).
  6. Bevestig de montage met behulp van ritsbanden aan de vacuümsiccatorlade met behulp van de gaten in de bodem van stuk 1A, zoals weergegeven in figuur 4C.
  7. Plaats indien van toepassing vierkante materiaalmonsters in de spleten aan de onderkant van het frame (figuur 4D). Hier worden 1 cm x 1 cm vierkante silicium wafer in blokjes gesneden monsters als voorbeeld gebruikt.
    OPMERKING: Het exacte materiaal moet overeenkomen met het substraat van het behandelde apparaat, dat afhankelijk is van het apparaat.
  8. Voltooi de gasfasedepositie door de oplossing in een geschikt recipiënt in de vacuümdesiccator tegenover en in overeenstemming met de beveiligde assemblage te plaatsen.
    OPMERKING: Aluminium weegschalen werden gebruikt als recipiënten voor de (3-aminopropyl) triethoxysilaan (APTES) afzetting, als voorbeeld hier.
    1. Plaats een vacuümmeter (zie Materiaaltabel) in de exsiccator om de exacte druk te registreren. Plaats de poort van het deksel van desiccator in de buurt van de beveiligde assemblage en in overeenstemming met de oplossing (figuur 4E).
      OPMERKING: Verdere details over deze methode van gasfasedepositie worden beschreven in een eerder gepubliceerde referentie49.

2. Handling assemblage voor oppervlaktereactie via waterige oplossing

OPMERKING: De onderdelen en geassembleerde apparaten voor het hanteren en vasthouden van inrichtingen tijdens de afzetting in waterige fasen en oppervlaktebehandeling zijn geïllustreerd in de figuren 5-7. In de volgende stappen wordt de procedure beschreven die nodig is om de apparaten in het apparaat te plaatsen voor afzetting en behandeling.

figure-protocol-3
Figuur 5: Assemblage van 3D-geprinte stukken voor het hanteren van functionele voorzieningen voor de oppervlaktereactie die optreedt in waterige oplossing. (A) Geleidingsstuk dat op het deksel van de kweekplaat moet worden gelijmd. (B) Het stuk tafelblad werd gebruikt om stukken (C) en (D) te stabiliseren tijdens het monteren. C) en (D) samen de ophanging van inrichtingen voor plaatsing in de putplaat beveiligen. (E) bevestigt verder stukken (C) en (D) aan het deksel van de putplaat. Dubbelzijdige polyimidetape werd op het onderste deel van (C) geplaatst en schuimtape werd op het onderste deel van (D) geplaatst (beide rood verpakt). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-4
Figuur 6: Celkweekplaatdeksel geconstrueerd met 6 geleiders (stuk 2A). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-5
Figuur 7: Volgorde voor het vastzetten en laden van sondes voor oplossingsreactie. De kleur van de onderdelen is in deze figuur gewijzigd voor duidelijkheid in de afbeelding. Dit zijn dezelfde onderdelen als figuur 5 en figuur 6. (A) Stuk 2C wordt in stuk 2B geplaatst en het apparaat wordt bevestigd aan het afgeplakte deel van 2C. (B) Stuk 2D past in stuk 2C om een assemblage te maken die de schacht van het apparaat ophangt. (C) De assemblage van 2C, 2D en het apparaat wordt zorgvuldig op het deksel van de putplaat geplaatst met behulp van de geleider. (D) Stuk 2E past bovenop het samenstel om het deksel verder vast te zetten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Maak een deksel voor de putplaat om de elektrode-array van het apparaat in oplossing op te hangen (figuur 6). Dit protocol beschrijft het gebruik van een 24-well plaat.
    1. Snijd rechthoekige gaten 19 mm x 10,5 mm in het deksel van de putplaat met behulp van een lasersnijder of handmatig met een stanleymes. Stem het aantal gaten af op het aantal apparaten dat gewenst is voor de behandeling.
      OPMERKING: Voor het gemak van montage wordt aanbevolen om zes apparaten per putplaat te behandelen, of op zijn minst gaten over niet-aangrenzende putten te plaatsen (figuur 6).
    2. Druk of verkrijg het juiste aantal gidsen (stuk 2A (figuur 2A), aanvullend coderingsbestand 5, aanvullend coderingsbestand 6).
    3. Gebruik cyanoacrylaatlijm om geleiders naar het deksel te bevestigen. Lijn de rechthoekige gaten in de geleiders en deksels uit tijdens het lijmen om ervoor te zorgen dat het rechthoekige gat van de geleider vrij is, zoals weergegeven in figuur 6.
  2. Vul de putplaat met de gewenste oplossing op locaties waar de behandeling zal plaatsvinden. De oplossing bestaat bijvoorbeeld uit EDC en Sulfo-NHS (zie Tabel van materialen) in MES-buffer.
    OPMERKING: Het volume van de oplossing is afhankelijk van de afmetingen van het elektrodeapparaat. Voor micro-elektrode arrays in Michigan-stijl (zie Materiaaltabel) met low-profile connectoren van 8,6 mm en een schachtlengte van 3 mm, is er ~9 mm speling50. Het gebruik van 2 ml oplossing zorgt ervoor dat de schacht van het apparaat volledig wordt ondergedompeld terwijl de rest van het apparaat uit de reactieoplossing wordt gehouden.
    1. Als substraatmonsters worden gebruikt om de oppervlaktebehandeling te bevestigen, plaatst u vierkante materiaalmonsters in een put van de plaat en dompelt u ze onder in de reactieoplossing.
  3. Hang de apparaten (zie Materiaaltabel) veilig op in een putplaat. De volgorde is weergegeven in figuur 7.
    1. Bandstuk 2B (figuur 2B, aanvullend coderingsbestand 7, aanvullend coderingsbestand 8) naar een werkblad (figuur 7A).
    2. Plaats dubbelzijdige polyimidetape om de basis van stuk 2C te bedekken (figuur 2C, aanvullend coderingsbestand 9, aanvullend coderingsbestand 10).
    3. Plaats 1/8" schuimtape met enkelzijdige lijm om de basis van stuk 2D te bedekken (figuur 2D, aanvullend coderingsbestand 11, aanvullend coderingsbestand 12).
    4. Plaats stuk 2C in de groef van stuk 2B (figuur 7A).
    5. Plak de connectorverpakking van het apparaat georiënteerd op de tape, zodat de lengte van de apparaatschacht wordt opgehangen (figuur 7B).
    6. Zet het apparaat vast door stuk 2D (oranje weergegeven in figuur 7) in stuk 2C te schuiven. Deze assemblage beveiligt het apparaat effectief tussen de gereedschapsstukken (figuur 7B).
    7. Houd de randen van de assemblage vast en til voorzichtig op om uit stuk 2A te verwijderen.
    8. Plaats het samenstel in het deksel door de naar buiten gerichte halve cirkels op de stukken 2C en 2D uit te lijnen met de overeenkomstige geleiders op stuk 2A (groen weergegeven in figuur 7C).
    9. Veilige montageplaatsing door op stuk 2E (figuur 2E) over de geleiders te drukken (groen weergegeven in figuur 7D, aanvullend coderingsbestand 13, aanvullend coderingsbestand 14).
    10. Voor reacties die baat hebben bij continue menging van de oplossing, roert u de putplaat. Breng de gemonteerde putplaat over naar een schudtafel en draai met snelheden onder de 100 tpm.
  4. Als meerdere oplossingsgerichte reacties of wasstappen gewenst zijn, breng het deksel dan voorzichtig over naar een nieuwe putplaat met de gewenste oplossing (en) verdeeld over de juiste putten.
    OPMERKING: Stap 2.4 is optioneel.
  5. Verwijder apparaten van de putplaat.
    1. Tapestuk 2B naar een benchtop.
    2. Haal stuk 2E uit het deksel.
    3. Verwijder voorzichtig de assemblage die het apparaat vasthoudt van de putplaat.
    4. Oriënteer de montage, zodat stuk 2C naar het tafelblad is gericht en stuk 2D naar boven is gericht. De schacht van het apparaat moet evenwijdig zijn aan het tafelblad. Monteer stuk 2C van de assemblage in stuk 2B zoals eerder is voltooid (stap 2.3.4) bij het in elkaar passen van de assemblage.
    5. Scheid stuk 2D van stuk 2C door ze voorzichtig uit elkaar te trekken. Oefen lichte druk uit op de lipjes van stuk 2C in de bank om stabiliteit voor deze taak te bieden.
      OPMERKING: De tabbladen van 2C zijn langer dan die van 2D om deze verwerking te vergemakkelijken.
    6. Gebruik een tang om de connectorverpakking van het apparaat vast te houden om van de tape te verwijderen en het apparaat over te brengen naar de gewenste opslagcontainer.

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

Resultaten

Om het gebruik van de handlingcomponenten aan te tonen, werd de beschreven methodologie geïmplementeerd om de immobilisatie van een oxidant mediator aan te passen aan geactiveerd silicium. De toepassing van deze chemie op IME's om oxidatieve stress te verminderen werd bedacht door Potter-Baker et al. en gedemonstreerd op niet-functionele silicium dummy probes40. Deze oppervlaktebehandeling immobiliseert de antioxidant, MnTBAP, tot UV / ozon geactiveerd siliciumoppervlak via amine function...

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

Discussie

Het beschreven protocol is ontworpen voor de oppervlaktebehandeling van silicium planaire micro-elektrode arrays. De 3D-geprinte tools zijn aangepast aan Micro-elektrode-arrays in Michigan-stijl met low-profile connectoren50. Niet-functionele sondes werden geassembleerd door een siliciumsonde aan 3D-geprinte tabbladen te hechten met behulp van een biocompatibele lijm. De 3D-geprinte tabbladen zijn ontworpen met vergelijkbare afmetingen als de connectoren die zijn opgenomen op de in de handel verkr...

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

Openbaarmakingen

De inhoud vertegenwoordigt niet de standpunten van het Amerikaanse ministerie van Veteranenzaken, de National Institutes of Health of de regering van de Verenigde Staten.

Dankbetuigingen

Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door Merit Review Award IRX002611 (Capadona) en Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) van het United States (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. Bovendien werd dit werk ook gedeeltelijk ondersteund door het National Institute of Health, het National Institute of Neurological Disorders and Stroke R01NS110823 (Capadona / Pancrazio) en het National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (Krebs).

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC)Sigma-Aldrich165344-1GSolid, opgeslagen gedesiceerd bij -20 °C
15 mL Conische centrifugebuizenFisher Scientific14-959-70C
18 pond solide nylon kabel/zip tiesCole-ParmerEW-06830-66Lengte 4 inch
2-(N-Morpholino)ethaansulfonzuur (MES)Sigma-Aldrich4432-31-9Solid
3-aminopropyltriethoxysilaan (APTES)Sigma-Aldrich440140-100MLLiquid, container met Sure/Seal
50 mL conische centrifugebuizenFisher Scientific14-959-49A
AluminiumfolieFisher Scientific01-213-103
Aluminium weegschalenFisher Scientific08-732-102Diameter 66 mm
Bel-Art Vacuum DesiccatorFisher Scientific08-594-15B
Corning Costar TC-behandelde meervoudige putjesplatenMillipore SigmaCLS3527-100EA24-putjesplaat, polystyreen
CyanoacrylaatlijmLocTiteN/A
Digitaal microscoopKeyenceVHX-S750E
Disco DAD3350 Dicing SawDiscoDAD3350Gebruikt om siliciumwafer in 1 cm x 1 cm monsters te snijden
Dubbelzijdig polyimidetapeKapton TapePPTDE-1/4¼” x 36 yds.
EP21LVMed – laag viscositeit, twee componenten epoxy compoundMasterbondEP21LVMedVoldoet aan USP Class VI certificering, slaagt voor ISO 10993-5 voor cytotoxiciteit
Epilog Fusion Pro 48 Laser MachineEpilogN/ACO2 laser
SchuimtapeXFastenN/A1/8" Dik
Gamry Interface 1010E PotentiostaatGamry992-00129
Hoge precisie 45° gebogen taps toelopende zeer fijne punt pincetten/forcepsFisher Scientific12-000-131
Lab tapeFisher Scientific15-901-10L
Mn(III)tetrakis (4-benzoëzuur) porfyrine (MnTBAP)EMD Millipore475870-25MGSolid, opgeslagen bij -20 °C
N-Hydroxysulfosuccinimide natriumzout, ≥98% (HPLC)Sigma-Aldrich56485-250MGSolid, opgeslagen gedesiceerd bij 4°C
Platinum geklauwde niobium gaasmanodeTechnicN/ABekleed met 125μ” van platina aan één zijde, ingelijst in titanium met (1) 1” x 6” titanium band gecentreerd op één 6” dimensie
SiliciuM Planar Microelektrode Array, 16 kanaalNeuroNexusA1x16-3mm-100-177-CM16LPElektrode site materiaal is irridium, schacht dikte is 15 μm
SiliciumwaferUniversity Wafer1575Diameter 100 mm, p-type, boor-gedoteerd, 100 georiënteerd, resistiviteit 0.01-0.02 Ohm-cm, dikte 525 um, éénzijdig gepolijst, prime grade
Zilver/zilverchloride referentie-elektrodeGamry Instruments930-00015
SolidworksN/A
Roestvrijstalen Phillips kruiskopschroevenMcMaster Carr96877A629#8-32, 1 1/2", volledig getrapt
Type I gedeïoniseerd waterChemWorldCW-DI1-20
Ultimaker 3 3D printerUltimaker N/A
Ultimaker CuraUltimakerN/A3D print software
Ultimaker NFC ABS FilamentDynamism, Inc.16212.85 mm
Ultimaker NFC PLA FilamentDynamism, Inc.16092.85 mm
Vacuum Gauge Vacuum GaugeMeasureman DirectN/AGevuld met glycerine, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0
VleugelmoerenEverbilt934917#8-32, verzinkt

Referenties

  1. Donoghue, J. Bridging the brain to the world: A perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  2. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. The Lancet. 398 (10081), 1821-1830 (2017).
  3. Ereifej, E. S., et al. Neural engineering: the process, applications, and its role in the future of medicine. Journal of Neural Engineering. 16 (6), 063002(2019).
  4. Nicolas-Alonso, L. F., Gomez-Gil, J. Brain computer interfaces, a review. Sensors (Basel). 12 (2), 1211-1279 (2012).
  5. Leuthardt, E. C., Schalk, G., Moran, D., Ojemann, J. G. The emerging world of motor neuroprosthetics: a neurosurgical perspective. Neurosurgery. 59 (1), 1-14 (2006).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Prasad, A., et al. Comprehensive characterization and failure modes of tungsten microwire arrays in chronic neural implants. Journal of Neural Engineering. 9 (5), 056015(2012).
  9. Hermann, J. K., Capadona, J. R. Understanding the role of innate immunity in the response to intracortical microelectrodes. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 46 (4), 341-367 (2018).
  10. Ravikumar, M., et al. The roles of blood-derived macrophages and resident microglia in the neuroinflammatory response to implanted intracortical microelectrodes. Biomaterials. 35 (28), 8049-8064 (2014).
  11. Sawyer, A. J., et al. The effect of inflammatory cell-derived MCP-1 loss on neuronal survival during chronic neuroinflammation. Biomaterials. 35 (25), 6698-6706 (2014).
  12. Prasad, A., Sanchez, J. C. Quantifying long-term microelectrode array functionality using chronic in vivo impedance testing. Journal of Neural Engineering. 9 (2), 026028(2012).
  13. Salatino, J. W., Ludwig, K. A., Kozai, T. D. Y., Purcell, E. K. Glial responses to implanted electrodes in the brain. Nature Biomedical Engineering. 1 (11), 862-877 (2017).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Carnicer-Lombarte, A., Chen, S. T., Malliaras, G. G., Barone, D. G. Foreign body reaction to implanted biomaterials and its impact in nerve neuroprosthetics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9, 622524(2021).
  17. Roitbak, T., Sykova, E. Diffusion barriers evoked in the rat cortex by reactive astrogliosis. Glia. 28 (1), 40-48 (1999).
  18. 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).
  19. Cui, X., Martin, D. C. Electrochemical deposition and characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on neural microelectrode arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 89 (1), 92-102 (2003).
  20. Ludwig, K. A., Uram, J. D., Yang, J., Martin, D. C., Kipke, D. R. Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film. Journal of Neural Engineering. 3 (1), 59-70 (2006).
  21. 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).
  22. Kim, D. -H., Wiler, J. A., Anderson, D. J., Kipke, D. R., Martin, D. C. Conducting polymers on hydrogel-coated neural electrode provide sensitive neural recordings in auditory cortex. Acta Biomaterialia. 6 (1), 57-62 (2010).
  23. He, W., McConnell, G. C., Bellamkonda, R. V. Nanoscale laminin coating modulates cortical scarring response around implanted silicon microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 3 (4), 316-326 (2006).
  24. Azemi, E., Lagenaur, C. F., Cui, X. T. The surface immobilization of the neural adhesion molecule L1 on neural probes and its effect on neuronal density and gliosis at the probe/tissue interface. Biomaterials. 32 (3), 681-692 (2011).
  25. Zhong, Y., Bellamkonda, R. V. Controlled release of anti-inflammatory agent alpha-MSH from neural implants. Journal of Controlled Release. 106 (3), 309-318 (2005).
  26. Shoffstall, A. J., et al. Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy: implications for intracortical recording microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 034001(2018).
  27. Bedell, H. W., et al. Understanding the effects of both CD14-meditated innate immunity and device/tissue mechanical mismatch in the neuroinflammatory response to intracortical microelectrodes. Frontiers in Neuroscience. 12, 772(2018).
  28. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  29. Sridharan, A., Nguyen, J. K., Capadona, J. R., Muthuswamy, J. Compliant intracortical implants reduce strains and strain rates in brain tissue in vivo. Journal of Neural Engineering. 12 (3), 036002(2015).
  30. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, 056014(2014).
  31. Harris, J. P., et al. In vivo deployment of mechanically adaptive nanocomposites for intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (4), 046010(2011).
  32. Shoffstall, A. J., et al. Characterization of the neuroinflammatory response to Thiol-ene/Acrylate shape memory polymer coated intracortical microelectrodes. Micromachines. 10, 486(2018).
  33. Simon, D. M., et al. Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 105 (1), 159-168 (2017).
  34. Ravikumar, M., et al. The effect of residual endotoxin contamination on the neuroinflammatory response to sterilized intracortical microelectrodes. Journal of Materials Chemistry. B. 2 (17), 2517-2529 (2014).
  35. Ecker, M., et al. Sterilization of thiol-ene/acrylate based shape memory polymers for biomedical applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 160331(2017).
  36. Ereifej, E. S., et al. Implantation of neural probes in the brain elicits oxidative stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 6 (9), 1-12 (2018).
  37. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34 (29), 7001-7015 (2013).
  38. Potter, K. A., et al. Curcumin-releasing mechanically adaptive intracortical implants improve the proximal neuronal density and blood-brain barrier stability. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2209-2222 (2014).
  39. Potter-Baker, K. A., Capadona, J. R. Reducing the "stress": Antioxidative therapeutic and material approaches may prevent intracortical microelectrode failure. ACS Macro Letters. 4 (3), 275-279 (2015).
  40. Potter-Baker, K. A., et al. Development of superoxide dismutase mimetic surfaces to reduce accumulation of reactive oxygen species for neural interfacing applications. Journal of Materials Chemistry B. 2 (16), 2248-2258 (2014).
  41. Potter-Baker, K. A., et al. Implications of chronic daily antioxidant administration on the inflammatory response to intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 12 (4), 046002(2015).
  42. Kim, Y., et al. Ventricular delivery of resveratrol improves microelectrode recording performance and reduces oxidative stress. Micromachines. 12, 1446(2021).
  43. Deku, F., et al. Amorphous silicon carbide ultramicroelectrode arrays for neural stimulation and recording. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016007(2018).
  44. 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).
  45. Kim, Y., et al. Nano-architectural approaches for improved intracortical interface technologies. Frontiers in Neuroscience. 12, 456(2018).
  46. Mahajan, S., et al. Towards standardization of electrophysiology and computational tissue strain in rodent intracortical microelectrode models. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 416(2020).
  47. Suresh, M. V., et al. The protective role of MnTBAP in oxidant-mediated injury and inflammation in a rat model of lung contusion. Surgery. 154 (5), 980-990 (2013).
  48. Liu, D., Shan, Y., Valluru, L., Bao, F. Mn (III) tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin scavenges reactive species, reduces oxidative stress, and improves functional recovery after experimental spinal cord injury in rats: comparison with methylprednisolone. BMC Neuroscience. 14 (1), 23(2013).
  49. Munief, W. M., et al. Silane deposition via gas-phase evaporation and high-resolution surface characterization of the ultrathin siloxane coatings. Langmuir. 34 (35), 10217-10229 (2018).
  50. Hoogerwerf, A. C., Wise, K. D. A three-dimensional microelectrode array for chronic neural recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 41 (12), 1136-1146 (1994).
  51. Staros, J. V., Wright, R. W., Swingle, D. M. Enhancement by N-hydroxysulfosuccinimide of water-soluble carbodiimide-mediated coupling reactions. Analalytical Biochemistry. 156 (1), 220-222 (1986).
  52. Yuan, X., Wolf, N., Mayer, D., Offenhausser, A., Wordenweber, R. Vapor-phase deposition and electronic characterization of 3-Aminopropyltriethoxysilane self-assembled monolayers on silicon dioxide. Langmuir. 35 (25), 8183-8190 (2019).
  53. Montgomery, D. C. Design and Analysis of Experiments. Eighth edition. , John Wiley & Sons, Inc. (2013).
  54. Shoffstall, A. J., Capadona, J. R. Bio-inspired materials and systems for neural interfacing. Current Opinions in Biomedical Engineering. 6, 110-119 (2018).
  55. Skousen, J. L., Tresco, P. A. Neuroprosthetics. Theory and Practice 2nd Edition. , 259-299 (2017).
  56. Michelson, N. J., et al. 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).
  57. Hofmann, U. G., Capadona, J. R. Editorial: Bridging the gap in neuroelectronic interfaces. Frontiers in Neuroscience. 14, 457(2020).
  58. Usoro, J., Sturgill, B., Musselman, K., Capadona, J. R., Pancrazio, J. J. On the definition of 'chronic' for intracortical microelectrode array applications. Micromachines. 12 (8), 972(2021).
  59. Thompson, C. H., Saxena, A., Heelan, N., Salatino, J., Purcell, E. K. Spatiotemporal patterns of gene expression around implanted silicon electrode arrays. Journal of Neural Engineering. 18 (4), 1741(2021).
  60. Golabchi, A., Woeppel, K. M., Li, X., Lagenaur, C. F., Cui, X. T. Neuroadhesive protein coating improves the chronic performance of neuroelectronics in mouse brain. Biosensors and Bioelectronics. 155, 112096(2020).
  61. Zheng, X. S., et al. A superoxide scavenging coating for improving tissue response to neural implants. Acta Biomaterialia. 99, 72-83 (2019).
  62. Lee, H. C., et al. Foreign body response to intracortical microelectrodes is not altered with dip-coating of Polyethylene Glycol (PEG). Frontiers in Neuroscience. 11, 513(2017).
  63. Boehler, C., et al. Actively controlled release of Dexamethasone from neural microelectrodes in a chronic in vivo study. Biomaterials. 129, 176-187 (2017).
  64. Hess, A. E., et al. Development of a stimuli-responsive polymer nanocomposite toward biologically optimized, MEMS-based neural probes. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (5), 054009(2011).

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

GasfasendepositieBlootstelling aan Waterige OplossingGereedschappen voor ApparatuurbehandelingElektrische ImpedantiespectroscopieR ntgenfotoelektronspectroscopieEllipsometrieanalyseAminefunctionaliseringCarbodiimide crosslinking

Gerelateerde artikelen