Produkcja matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene do rejestracji neuronowej in vivo
February 12th, 2020
Opisujemy tutaj metodę wytwarzania matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene i wykorzystywania ich do rejestracji neuronowej in vivo.
Ten protokół syntezy wytwarza wysokiej jakości atrament MXene o przewodności metalicznej sięgającej ponad 10 000 Siemens na centymetr. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona precyzyjne mikromodelowanie folii MXene bez uszkadzania folii lub pozostawiania szkodliwych pozostałości na elektrodach. Aby przygotować atrament z węglika tytanu, powoli dodaj dwa gramy prekursora węglika tytanu i glinu do 125-mililitrowego pojemnika reakcyjnego zawierającego selektywny roztwór do trawienia i mieszaj roztwór za pomocą teflonowego pręta magnetycznego przez 24 godziny w temperaturze 35 stopni Celsjusza przy 400 obrotach na minutę.
Pod koniec inkubacji dodaj 50 mililitrów wody dejonizowanej do dwóch 175-mililitrowych probówek wirówek, podziel mieszaninę reakcji trawienia równo między probówki i napełnij do znaku 150 mililitrów. Przepłukać materiał przez wielokrotne wirowanie, dekantację kwaśnego supernatantu do pojemnika na odpady niebezpieczne z tworzywa sztucznego i dodawanie świeżej wody do probówek między etapami wirowania, aż pH roztworu supernatantu osiągnie pH powyżej sześciu. W celu interkalacji cząsteczek między wielowarstwowymi cząstkami MXene w celu osłabienia oddziaływań poza płaszczyzną, dodaj dwa gramy chlorku litu do 100 mililitrów wody dejonizowanej i mieszaj roztwór z prędkością 200 obrotów na minutę.
Gdy chlorek litu się rozpuści, wymieszaj 100 mililitrów roztworu chlorku litu z osadem węglika tytanu i węglika glinu. Przenieś roztwór z powrotem do 125-mililitrowego plastikowego pojemnika i mieszaj reakcję przez 12 godzin w temperaturze 25 stopni Celsjusza i 200 obrotów na minutę. W celu rozwarstwienia z wielowarstwowej cząstki masowej na jedno- lub kilkuwarstwowy węglik tytanu MXene, należy przemyć roztwór interkalacyjny wieloma wirówkami, dekantując klarowny supernatant do momentu zaobserwowania ciemnego supernatantu.
Następnie odwirować ciemny supernatant przez godzinę przed dekantacją rozcieńczonego zielonego supernatantu. Ponownie rozproszyć spęczniały osad za pomocą 150 mililitrów dejonizowanej wody i równomiernie rozbić roztwór na trzy 50-mililitrowe probówki wirówkowe. Odwirować próbki, aby oddzielić pozostały osad MXene od supernatantu MXene i połączyć supernatanty w jednym pojemniku.
Następnie odwiruj roztwór przez dodatkową godzinę w celu dalszego doboru wielkości i optymalizacji roztworu w celu wyizolowania pojedynczych lub kilkuwarstwowych płatków. W przypadku wytwarzania matrycy mikroelektrod z węglika tytanu należy nałożyć dolną warstwę parylenu-C o grubości czterech mikrometrów na czystą płytkę krzemową. Aby użyć fotolitografii do zdefiniowania metalowych wzorów na płytce, należy obrócić fotorezyst na płytce z prędkością 3 000 obrotów na minutę przez 40 sekund, a następnie delikatnie wypiekać wafel na gorącej płycie przez 14,5 minuty w temperaturze 95 stopni Celsjusza.
Następnie załaduj wafel i zamaskuj go do wyrównywacza maski z płytką umieszczoną tak, aby pierścień na masce fotograficznej zachodził na wszystkie krawędzie płytki. Wystaw wafel z 365 nanometrowymi długościami fal linii oczu w dawce 90 milidżuli na centymetr kwadratowy i piecz wafel na twardo na gorącej płycie przez minutę w temperaturze 115 stopni Celsjusza. Pod koniec pieczenia na twardo zanurz wafel w wywoływaczu RD6 na dwie minuty z ciągłym mieszaniem, a następnie dokładnie spłucz wodą dejonizowaną i wysusz pistoletem do azotu.
Użyj parownika wiązki elektronów, aby umieścić 10 nanometrów tytanu, a następnie 100 nanometrów złota na płytce. Następnie zanurz wafel w rozpuszczalniku do usuwania rozpuszczalnika na około 10 minut, aż fotorezystor się rozpuści, a nadmiar metalu całkowicie się uniesie. Gdy start wydaje się zakończony, poddaj wafel sonikacji przez 30 sekund, aby usunąć wszelkie pozostałe ślady niechcianego metalu i przepłucz wafel świeżym rozpuszczalnikiem i wodą dejonizowaną przed wysuszeniem pistoletem do azotu.
Pod koniec procesu startu złoto będzie widoczne w pożądanych ścieżkach interkonektorów oraz w pierścieniu wokół krawędzi płytki. W celu osadzenia protektorowej warstwy parylenu-C, najpierw wystawij płytkę na działanie plazmy tlenowej przez 30 sekund, aby warstwa parylenu-C stała się hydrofilowa, a następnie odwiruj rozcieńczony roztwór czyszczący na płytce z prędkością 1 000 obrotów na minutę przez 30 sekund. Pozostawić wafel do wyschnięcia na powietrzu przez co najmniej pięć minut przed nałożeniem trzech mikrometrów Parylene-C na wafel, jak pokazano.
Po drugiej rundzie fotolitografii przy użyciu maski drugiej, użyj wytrawiania jonami reagującymi plazmą tlenową, aby wytrawić warstwę protektorową parylenu-C w obszarach niepokrytych fotorezystem, aby zdefiniować elektrody i ślady MXene. Wytrawianie powinno częściowo zachodzić na interkonekty tytanowo-złote, a także pierścień wokół krawędzi płytki. Następnie użyj profilometru, aby zmierzyć profil między odsłoniętymi interkonektami tytanowymi i złotymi a dolną warstwą Parylenu-C, aby potwierdzić całkowite wytrawienie protektorowej warstwy Parylenu-C.
Aby obrócić roztwór MXene na płytce, najpierw dozuj roztwór na każdy z pożądanych wzorów MXene, a następnie wiruj wafel z prędkością 1 000 obrotów na minutę przez 40 sekund. Wysuszyć wafel na płycie grzejnej o temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 10 minut, aby usunąć resztki wody z folii MXene, a następnie użyj parownika wiązki elektronów, aby nałożyć na płytkę chronioną warstwę dwutlenku krzemu o grubości 50 nanometrów. Aby usunąć protektorową warstwę parylenu-C, umieść małą kroplę dejonizowanej wody na krawędzi płytki i użyj pęsety, aby oderwać protektorową warstwę parylenu-C, zaczynając od miejsca, w którym krawędzie warstwy są zdefiniowane w pierścieniu wokół zewnętrznej strony płytki.
Następnie dokładnie spłucz wafel świeżą wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie pozostałości roztworu czyszczącego i wysusz wafel pistoletem do azotu. Umieść wysuszoną wafel na płycie grzejnej o temperaturze 120 stopni Celsjusza na jedną godzinę, aby usunąć resztki wody z wzorzystych folii MXene przed nałożeniem warstwy Parylene-C o grubości czterech mikrometrów na wafel, jak pokazano. Po wykonaniu kolejnej rundy fotolitografii z maską trzecią, użyj parownika wiązki elektronów, aby nałożyć 100 nanometrowe aluminium na płytkę i zanurz płytkę w środku do usuwania rozpuszczalnika na 10 minut, aż metal całkowicie oderwie się od płytki.
Po sonikacji, płukaniu i suszeniu, jak pokazano, można zaobserwować pokrycie urządzeń aluminium otworami na elektrody i podkładki łączące. Użyj wytrawiania jonów reagujących plazmą tlenową, aby przetrawić warstwy Parylene-C otaczające urządzenia oraz przez górną warstwę Parylene-C pokrywającą zarówno styki elektrody MXene, jak i złote podkładki łączące. Gdy na płytce między urządzeniami nie pozostaną żadne pozostałości Parylene-C, użyj mokrego wytrawiania chemicznego w wytrawiaczu aluminiowym typu A w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez 10 minut lub do momentu, gdy minie minuta, kiedy wszystkie wizualne ślady aluminium znikną.
Aby wytrawić tlenek krzemu pokrywający elektrody MXene, użyj mokrego chemicznego wytrawiania w buforowanym wytrawiaczu tlenkowym sześć do jednego przez 30 sekund. Następnie umieść małą kroplę wody dejonizowanej na końcu urządzenia. Delikatnie oderwij urządzenie, ponieważ woda jest odprowadzana pod urządzeniem przez działanie kapilarne, aby uwolnić urządzenie z płytki z podłożem krzemowym.
W tym miejscu przedstawiono przykładowe dane mikroelektrokortykografii zarejestrowane na matrycy mikroelektrod MXene. Przypuszczalne korowe stany DOWN są oparte na dolinie powolnej oscylacji od jednego do dwóch herców. Po nałożeniu układu elektrod na korę mózgową, na elektrodach rejestrujących natychmiast pojawiły się wyraźne sygnały fizjologiczne, a sygnały elektrokortykografii o amplitudzie około jednego miliwolta pojawiły się na wszystkich elektrodach MXene.
Widma mocy tych sygnałów potwierdziły obecność dwóch rytmów mózgowych powszechnie obserwowanych u szczurów w znieczuleniu ketaminą deksmedetomidyną, powolnych oscylacji od jednego do dwóch herców i oscylacji gamma przy 40 do 70 hercach. Dodatkowo zaobserwowano charakterystyczne tłumienie mocy szerokopasmowej w stanie DOWN powolnej oscylacji oraz selektywne wzmocnienie mocy w paśmie beta od 15 do 30 Hz i w paśmie gamma od 40 do 120 Hz w stanie UP powolnej oscylacji. Optymalizacja metody syntezy pozwoliła na rozszerzenie zastosowania MXenes na inne zastosowania, takie jak urządzenia optoelektroniczne, inteligentne tekstylia i inne.
Procedura ta polega na użyciu niebezpiecznych chemikaliów, w tym kwasu fluorowodorowego, wytrawiacza glinu i wywoływacza fotorezystu. Pamiętaj, aby zawsze używać odpowiednich środków ochrony osobistej podczas obchodzenia się z tymi chemikaliami.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje metodę wytwarzania mikroelektrodowych tablic MXene Ti3C2 oraz ich zastosowanie w nagrywaniu neuronalnym in vivo. Technika ta pozwala na precyzyjne mikro-modelowanie warstw MXene, zachowując ich integralność.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Nauki materiałowe
- Elektrofizjologia
Tło
- MXenes to klasa dwuwymiarowych materiałów o obiecujących właściwościach elektrycznych.
- MXene Ti3C2 wykazuje wysoką przewodność metaliczną.
- Tablice mikroelektrod są niezbędne do zaawansowanych technik nagrywania neuronowego.
- Precyzyjne metody produkcji są kluczowe dla wydajności interfejsów neuronowych.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody tworzenia mikroelektrodowych tablic MXene Ti3C2.
- Wykazanie zastosowania tych tablic w nagrywaniu neuronalnym in vivo.
- Zgłębienie rozumienia właściwości MXene w zastosowaniach neuronowych.
Stosowane metody
- Przygotowanie atramentu węglika tytanu poprzez selektywne trawienie.
- Mikro-modelowanie warstw MXene bez uszkodzenia elektrod.
- Wirowanie i mycie w celu uzyskania pożądanych poziomów pH.
- Interkalacja chlorku litu w celu modyfikacji właściwości MXene.
Główne wyniki
- Syntetyzowana mieszanina MXene wykazała przewodność metaliczną powyżej 10 000 Siemens na centymetr.
- Tablice mikroelektrod zachowały integralność strukturalną podczas produkcji.
- Udało się zastosować je w nagrywaniu neuronalnym in vivo.
- Metoda ta pozwala na powtarzalną i skalowalną produkcję elektrod MXene.
Wnioski
- Ta metoda zapewnia żywotne podejście do produkcji mikroelektrodowych tablic MXene.
- Warstwy MXene mogą być efektywnie wykorzystywane w zaawansowanych zastosowaniach nagrywania neuronowego.
- Technika ta otwiera nowe szlaki badań w dziedzinie interfejsów neuronowych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This protocol enables scalable fabrication of flexible microelectrode arrays using Ti3C2 MXene, addressing key barriers in neural interface development such as high impedance and mechanical mismatch with brain tissue. By leveraging MXene’s high conductivity and processability in aqueous dispersions, the method supports reliable in vivo electrocorticography recording with clear physiological signal detection. This advances discovery-stage target validation and mechanistic de-risking in neurotechnology pipelines by providing a reproducible platform for high-fidelity neural signal acquisition.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise detection of cortical UP and DOWN states and associated brain rhythms.
- Operational Value: Provides stable, low-impedance electrodes that reduce signal noise and improve reproducibility in neural activity measurements.
- Predictive Confidence: Supports biomarker-linked functional readouts (e.g., slow oscillation modulation) for target engagement assessment in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative, amplitude-resolved electrocorticography signals (~1 mV) enabling dose-response and compound effect screening.
- Operational Value: Yields reproducible microelectrode arrays with consistent impedance and signal-to-noise ratios across fabrication batches.
- Assay Readiness: Compatible with downstream workflows requiring chronic or acute neural interface integration in freely moving or anesthetized models.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery neural recordings to preclinical validation by enabling chronic implantation feasibility studies.
- Mechanistic De-risking: Allows observation of brain state-dependent power shifts (e.g., beta/gamma amplification during UP states) linked to pharmacological interventions.
- Disease-Relevant System: Applicable to models of neurological injury or disease where cortical dynamics are altered (e.g., TBI, epilepsy).
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum, supporting early hypothesis testing via neural signal acquisition and enabling assay-ready platforms for compound screening and target validation.
- Discovery Biology: Facilitates pathway clarification and network-level dynamics monitoring through spectral analysis of slow oscillations and gamma bands.
- Screening: Produces standardized electrode arrays suitable for high-throughput evaluation of neuromodulatory compounds.
- Analytics: Generates quantifiable outputs including amplitude, power spectra, and band-specific modulation (1–30 Hz, 40–120 Hz) for comparative condition analysis.
- Translational Research: Supports continuity from acute recording to chronic implant evaluation via flexible, biocompatible MXene-Parylene-C architecture.
- Enterprise Reuse: Adaptable to other conductive inks and geometries, enabling platform reuse across multiple neurotechnology projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in neural circuit function through high-fidelity, low-noise recording.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability via solution-based processing and photolithographic patterning.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of target-mediated neural effects, reducing late-stage failure risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of neurotherapeutics based on objective electrophysiological biomarkers.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, photolithography, and nanomaterial handling.
- Depends on access to electron beam evaporators, centrifuges, profilometers, and wet etching stations.
- Necessitates cross-team standardization between materials science, neuroscience, and engineering groups.
- Involves adaptation considerations when extending to other conductive inks or substrate materials.
- Involves practical limitations including use of hazardous chemicals (e.g., HF-derived etchants, photoresist strippers) requiring strict PPE and waste protocols.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:27
Titanium Carbide (Ti3C2) MXene Synthesis
2:59
Ti3C2 MXene Microelectrode Array Fabrication
4:50
Sacrificial Parylene-C Layer Deposition
5:54
MXene Solution Spin Coating and Parylene-C Removal
8:22
Results: Representative Neural Recording Results
9:24
Conclusion
