Open-source Toolkit: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array voor zenuwopname
29 oktober 2021
Hier beschrijven we de fabricagemethodologie voor aanpasbare koolstofvezelelektrode-arrays voor het opnemen in vivo in zenuwen en hersenen.
Koolstofvezelelektroden, zijn kleiner dan neuronen en doen minimale schade. Bovendien kunnen ze worden vervaardigd met minimale gespecialiseerde apparatuur op het bankblad. Het belangrijkste voordeel van deze techniek zit in de eenvoud.
Hiermee kunnen gebruikers neurale arrays bouwen en aanpassen, zonder cleanroom-ervaring. Het manipuleren van de koolstofvezels en het plaatsen van de zilveren epoxy is lastig en kritisch. Deze twee delen vergen veel oefening en fijne motoriek.
De eerste dag is altijd de ergste, maar met oefening bouw je na ongeveer een week een functionele neurale array. Stel om te beginnen een soldeerbout in op 315 graden Celsius. Breng flux aan op alle soldeerpads.
Vorm kleine hoopjes soldeer op de achterste pads van de flex array en soldeer vervolgens de pinnen aan weerszijden van de connector. Eenmaal veilig, duwt u voorzichtig de soldeerboutpunt, tussen de voorste pinnen, om de resterende verbindingen aan de achterkant te solderen. Breng een extra fluxlaag aan, als het solderen lang duurt, soldeer vervolgens de voorste rij pinnen op het bord.
Reinig overtollige flux met 100% isopropylalcohol en een korte borstel. Duw vervolgens langzaam op de gelegde epoxy met een spuit, schuine kant naar beneden geplaatst op de pinnen, om de gesoldeerde verbinding in te kapselen. Leg een kleine lijn van de epoxy over de achterkant van het bord en trek deze aan de randen van de connector om deze vast te zetten.
Maak haarvaten met een glazen trekker en filament. Knip een getrokken glazen capillair, zodat de punt tussen de sporen van de array past. Schep vervolgens ongeveer een één op één verhouding zilver epoxy in een plastic schaal, met de houten uiteinden van twee katoenen applicators en meng het.
Gooi de applicators na het mengen weg. Snijd twee tot vier millimeter, vanaf het uiteinde van een koolstofvezelbundel, op een printerpapier met een scheermesje. Trek een gelamineerd papier voorzichtig over de bovenkant van de bundel om de vezels en de bundel te scheiden.
Neem vervolgens een beetje epoxy op het uiteinde van het getrokken capillair. En breng het voorzichtig aan tussen elk ander spoor, aan het uiteinde van het bord, en vul de opening. Plaats één koolstofvezel in elk epoxyspoor, met een teflon gecoat pincet.
Pas vervolgens de koolstofvezels aan met een schoon getrokken capillair, om loodrecht op het uiteinde van het flex array-bord te maken en begraaf ze onder de epoxy. Plaats de arrays op een houten blok, met vezelige uiteinden die over de rand van het blok hangen. Bak het houten blok en de arrays gedurende 20 minuten op 140 graden Celsius om de zilveren epoxy uit te harden en de vezels op hun plaats te houden.
Als zilver epoxy twee of meer van de vezels samenbrengt, kan het worden verwijderd met behulp van een schoon glazen capillair en het voorzichtig van het bord schrapen. Bewaar de afgewerkte planken in een doos met een verhoogd platform, om de vezelige uiteinden van het bord op te hangen, om vezelbreuk te voorkomen. Breng een klein druppeltje UV-epoxy aan op de blootgestelde sporen met een schoon capillair en blijf druppeltjes toevoegen totdat de sporen volledig bedekt zijn.
Laat de UV-epoxy onder een UV-pen twee minuten uitharden en herhaal dit voor de andere kant van het bord. Knip de vezels tot één millimeter met een stereoscoop dradenkruis en chirurgische schaar. Om elektrische aansluitingen te controleren, stelt u de potentiostaat gedurende vijf seconden in op nul volt en stabiliseert u het opgenomen signaal.
Voer een impedantiescan van één kilohertz uit voor elke vezel met een potentiostaat. Leg de metingen vast via de bijbehorende potentiostat software. Dompel de vezels vervolgens drie keer in gedeïoniseerd water in een bekerglas om ze af te spoelen.
Schraap Parylene C voorzichtig van de grond en verwijs met een pincet naar draden op het bord. Knip vervolgens twee lengtes van vijf centimeter geïsoleerd zilverdraad met een scheermesje. De-isoleer twee tot drie millimeter draad, van het ene uiteinde en ongeveer 10 millimeter van het andere uiteinde.
Verwarm vervolgens de soldeerbout tot 315 graden Celsius en breng een kleine flux aan op de draden. Steek twee tot drie millimeter van één draad in elke elektrofysiologische draad op het bord en breng soldeer aan op de bovenkant van de draden. Nadat u de sonde hebt laten afkoelen, draait u deze om om een beetje soldeer aan te brengen op de achterkant van de draad.
Knip alle blootliggende draad af die uit de achterste soldeerheuvel steekt. Plaats de arrays in de opbergdoos, buig de draden terug, weg van de vezel en bevestig de draden op de plakband om mogelijke vezeldraadinteracties te voorkomen. SEM-afbeeldingen van de tips werden gebruikt om de blootgestelde koolstoflengte en tipgeometrie te bepalen.
Schaarknipvezels hebben inconsistente tipgeometrieën, waarbij Parylene C over het uiteinde vouwt. De NDYAG lasergesneden vezels blijven consistent, in het opnamegebied, vorm en impedantie. Blaasbrandvezels leiden tot de grootste elektrodegrootte en vormvariabiliteit en een geslepen punt.
Gemiddeld werd 140 micrometer koolstof opnieuw blootgesteld. UV-lasergesneden vezels waren vergelijkbaar met blaasbrandvezels, met 120 micrometer koolstof, blootgesteld vanaf de punt. De resulterende impedanties lagen binnen bereik, voor elektrofysiologische registratie.
NDYAG lasergesneden vezels hadden het kleinste oppervlak maar de hoogste impedanties. Gevolgd door blaasbrand- en UV-lasergesneden vezels. In alle gevallen vielen de PEDOT:pTS gecoate vezels echter onder de drempel van 110 kilo ohm.
Acute opnames van vier UV-laserbehandelingsvezels, van twee millimeter lengte, tegelijkertijd geïmplanteerd in de motorische cortex van ratten, toonden drie eenheden over alle vezels, wat suggereert dat de behandeling van de vezels met de goedkope UV-laser vergelijkbaar is met andere snijmethoden. Wanneer je dit protocol probeert, geef jezelf dan een grote, schone ruimte bij het vullen van koolstofvezels. Het is gemakkelijk om per ongeluk al je vezels van de tafel te vegen, omdat er niet genoeg manoeuvreerruimte is.
Deze arrays zijn nu geschikt voor signaaleenheidopnamen uit de hersenen. Deze bouwtechnieken stelden Dr.Barnes'groep, aan de Universiteit van Michigan, in staat om te rapporteren en Dr.Chiel's groep aan de Case Western Reserve University, om intracellulair te rapporteren
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft de fabricagemethodiek voor aanpasbare koolstofvezel-elektrodenarrays die worden gebruikt voor in vivo opnames in zenuwen en de hersenen. De eenvoud van het productieproces stelt onderzoekers in staat om neurale arrays te maken zonder dat hiervoor ervaring met cleanrooms vereist is.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Koolstofvezelelektroden zijn kleiner dan neuronen.
- Ze veroorzaken minimale schade aan weefsels.
- De fabricage kan worden uitgevoerd met minimale gespecialiseerde apparatuur.
- De techniek is toegankelijk voor onderzoekers zonder ervaring met cleanrooms.
Doel van de studie
- Om een methodologie te bieden voor het creëren van aanpasbare neurale elektrode-arrays.
- Om het proces van elektrodefabricage voor onderzoekers te vereenvoudigen.
- Om de toegankelijkheid van in vivo registratietechnieken te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van koolstofvezelelektrode-arrays.
- Gebruik van zilver-epoxy voor de montage van elektroden.
- Handmatige manipulatie van koolstofvezels.
- Oefening in fijne motorische beheersing voor nauwkeurige plaatsing.
Belangrijkste resultaten
- De beschreven methodologie maakt de aanpassing van neurale arrays mogelijk.
- Gebruikers kunnen met oefening succesvol elektroden vervaardigen.
- De techniek minimaliseert weefselbeschadiging tijdens opnames.
- De toegankelijkheid is verbeterd voor onderzoekers in verschillende omgevingen.
Conclusies
- Aanpasbare koolstofvezelelektrode-arrays kunnen effectief worden gefabriceerd.
- De eenvoud van het proces stimuleert een breder gebruik in neurowetenschappelijk onderzoek.
- Verdere oefening kan de precisie van de elektrodeplaatsing verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Deze methode voor de fabricage van koolstofvezel microelektrodearrays op het laboratoriumblad maakt snelle, goedkope prototyping van neurale registratietools mogelijk zonder afhankelijkheid van een cleanroom, wat vroege validatie van targets in de drug discovery voor neurowetenschappen ondersteunt. Door fabricagebeperkingen te verminderen, worden iteratieve ontwerpcycli voor de optimalisatie van de elektrodegometrie versneld, wat direct invloed heeft op de getrouwheid van preklinische modellen en het mechanistisch minimaliseren van risico's bij therapeutica gericht op het centraal zenuwstelsel. De aanpak verbetert de translationele continuïteit door in vivo signaalacquisitie uit het perifere en centrale zenuwstelsel mogelijk te maken met toegankelijke, aanpasbare hardware.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van hypothesen over neurale circuits mogelijk via nauwkeurige, minimaal invasieve extracellulaire registratie in ziekterelevante systemen.
- Operationele waarde: Ondersteunt snelle iteratie van het elektrode-ontwerp om de signaal-ruisverhouding voor assays van target-engagement te optimaliseren.
- Translationele waarde: Faciliteert de functionele validatie van neuromodulatoire targets in vivo, waardoor het voorspellende vertrouwen voor geneesmiddelkandidaten voor het CZS wordt verbeterd.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve elektrofysiologische read-outs (bijv. 1 kHz impedantie, detectie van eenheden) die geschikt zijn voor high-content screening van de effecten van verbindingen op neurale activiteit.
- Operationele waarde: Maakt standaardisatie van opname-arrays tussen laboratoria mogelijk via een gedocumenteerd benchtop-protocol, wat de reproduceerbaarheid in fenotypische screeningcampagnes verbetert.
- Translationele waarde: Ondersteunt de ontwikkeling van assay-ready neurale interfaces voor het evalueren van door geneesmiddelen geïnduceerde veranderingen in vuurpatronen of netwerksynchronisatie.
Translationeel en preklinisch onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Met een UV-laser gesneden vezels demonstreerden in vivo neurale signaalregistratie in de motorische cortex van ratten, wat de toepasbaarheid van het systeem voor ziekte-relevante studies valideert.
- Operationele waarde: Arrays kunnen geïndividualiseerde elektroden accommoderen, wat chronische implantatiestudies en longitudinale tracking van biomarkers in preklinische modellen mogelijk maakt.
- Translationele waarde: Slaat een brug tussen discovery- en preklinische workflows door een schaalbaar pad te bieden van fabricage op de laboratoriumbank naar in vivo effectiviteitstesten.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van vroege toetsing van doelwithypothesen tot lead-optimalisatie, waarbij elektrofysiologische read-outs de selectie van verbindingen en beslissingen over preklinische verdere ontwikkeling informeren.
- Discovery Biology: Ondersteunt het mechanisch minimaliseren van risico's door directe meting van neurale activiteit mogelijk te maken als functionele biomarker voor targetmodulatie.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve outputs (impedantie, single-unit resolutie) die vergelijking mogelijk maken van de effecten van testverbindingen op de neurale exciteerbaarheid.
- Analytics: Potentiostaat-gebaseerde impedantiescans en signaalstabilisatie leveren objectieve, analyseerbare gegevens voor modellering van structuur-activiteitsrelaties.
- Translationeel Onderzoek: De aangetoonde in vivo registratiecapaciteit ondersteunt de continuïteit naar preklinische effectiviteits- en veiligheidsstudies.
- Enterprise Reuse: Het protocol maakt gebruik van breed beschikbare hulpmiddelen (soldeerbout, UV-pen, glaspuller), wat standaardisatie tussen locaties en technologietransfer mogelijk maakt.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit bij targetvalidatie door directe metingen van neurale activiteit in intact weefsel te bieden.
- Operationele waarde: Elimineert de bottleneck van de cleanroom, waardoor de kosten en doorlooptijd voor de fabricage van op maat gemaakte neurale probes worden verlaagd.
- Strategische waarde: Verbetert het vertrouwen in go/no-go-beslissingen door vroege acquisitie van functionele data die relevant zijn voor de mens.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-kandidaten mogelijk op basis van elektrofysiologische target-engagementprofielen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist een fijne motoriek en oefening voor een betrouwbare plaatsing van de vezel en inkapseling met epoxy.
- Is afhankelijk van de toegang tot een Parylene C-depositieapparaat voor isolatie, wat uitbesteard kan worden.
- Maakt standaardisatie van de methode voor tipoptimalisatie (bijv. UV-laser) noodzakelijk om een consistente impedantie en registratieprestatie te garanderen.
- Omvat handmatige stappen die de doorvoer kunnen beperken zonder automatisering van de vezeluitlijning en het dispenseren van epoxy.
- De prestaties zijn afhankelijk van de juiste uitharding van zilver- en UV-epoxies om signaaldrift of het loslaten van de vezel te voorkomen.
Veelgestelde vragen over Biofarmacie
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:49
Soldering the Connector to the Circuit Board
1:50
Fiber Population
3:34
Insulating the Carbon Fibers and Checking Electrical Connections
4:27
Connecting Ground and Reference Wires
5:35
Results: Validation of Carbon Fiber Microelectrode Array
7:06
Conclusion
