Name: Narzędzia do obróbki powierzchniowej krzemowych płaskich mikroelektrod wewnątrzkorowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-08T12:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 39 s
Description: Poznaj metody modyfikacji powierzchni mikroelektrod wewnątrzkorowych za pomocą osadzania gazowego i reakcji w roztworze wodnym. Protokół zapewnia zachowanie integralności urządzenia podczas długotrwałych procesów chemicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było częściowo wspierane przez Merit Review Award IRX002611 (Capadona) oraz Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) od United States (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. Ponadto prace te były również częściowo wspierane przez Narodowy Instytut Zdrowia, Narodowy Instytut Zaburzeń Neurologicznych i R01NS110823 Udaru Mózgu (Capadona/Pancrazio) oraz National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (Krebs).

Wszystkie pliki kodów do druku 3D znajdują się w Uzupełniających Plikach Kodów 1-16. Analiza przedstawiona w Reprezentatywnych wynikach została opisana z użyciem komercyjnie nabytych planarnych matryc elektrod krzemowych (patrz Tabela Materiałów).
1. Przygotowanie zestawu do osadzania w fazie gazowej w deskrypcie próżniowym
UWAGA: Złożony aparat do manipulacji i mocowania urządzeń podczas osadzania w fazie gazowej przedstawiono na Rysunku 3. Kroki 1.1-1.8 opisują procedurę niezbędną do umieszczenia urządzeń w aparacie do osadzania (Rysunek 4A).
<img alt="Grzebień do elektroforezy, integralny element zestawu do elektroforezy żelowej, wspomagający proces rozdziału DNA." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Montaż wydrukowanych w technologii 3D elementów służących do obsługi urządzeń funkcjonalnych podczas osadzania w fazie gazowej. Na zdjęciu przedstawiono zestaw bez próbek przeznaczonych do powlekania. Do połączenia elementów 1A i 2B użyto śrub i nakrętek motylkowych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat zestawu do elektroforezy; tacka do odlewania żelu, rozmieszczenie grzebienia pokazujące proces rozdzielania białek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Obraz montażu i rozmieszczenia próbek do powlekania. Schemat ten opisuje postępowanie z funkcjonalnymi urządzeniami podczas osadzania w fazie gazowej zabezpieczonych w deskrykatorze próżniowym. (A) Dwustronna taśma poliimidowa umieszczona na elemencie 1A i taśma piankowa umieszczona na 1B. (B) Urządzenia przymocowane do taśmy. (C) Śruby i nakrętki motylkowe służą do mocowania elementów 1B do 1A, a cały zestaw jest przytwierdzony do tacy deskrykatora za pomocą opasek zaciskowych (czerwone strzałki). (D) Próbki w postaci kwadratów krzemowych o wymiarach 1 cm x 1 cm są umieszczane w odpowiednich uchwytach. (E) Aluminiowa tacka wagowa i manometr są umieszczone w deskrykatorze w pokazanej orientacji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol>
	<li>W celu przygotowania obróbki powierzchniowej należy przygotować próbki materiału podłoża urządzeń w kształcie kwadratów o wymiarach 1 cm x 1 cm.
	<ol>
		<li>W przypadku próbek krzemowych (wybranych dla niniejszego protokołu) należy pociąć wafelek krzemowy na kwadraty 1 cm x 1 cm za pomocą maszyny do dicingu wafli (patrz Tabela materiałów).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Należy wydrukować lub przygotować elementy 1A (Rycina 1A, Plik kodujący uzupełniający 1, Plik kodujący uzupełniający 2) oraz 1B (Rycina 1B, Plik kodujący uzupełniający 3, Plik kodujący uzupełniający 4).</li>
	<li>Do elementu 1A należy przykleić dwustronną taśmę polimidową, a do elementu 1B przymocować pasek pianki o grubości 1/8" z jednostronnym klejem.</li>
	<li>Opakowanie złącza urządzenia należy przykleić do taśmy na elemencie 1A. 
	UWAGA: Optymalna orientacja złącza na taśmie powinna sprawić, że trzon będzie zawieszony nad krawędzią, jak pokazano na Rycini 4B.</li>
	<li>Należy połączyć element 1A i element 1B (Rycina 4C). Należy wyrównać otwory i zabezpieczyć je za pomocą śrub ze stali nierdzewnej oraz nakrętek motylkowych (patrz Tabela materiałów).</li>
	<li>Za pomocą opasek zaciskowych należy przymocować cały zespół do tacy desykatora próżniowego, wykorzystując otwory w dolnej części elementu 1A, jak pokazano na Rycini 4C.</li>
	<li>Jeśli dotyczy, należy umieścić kwadratowe próbki materiału w szczelinach na dole ramy (Rycina 4D). W tym przypadku jako przykład zastosowano pocięte próbki wafla krzemowego o wymiarach 1 cm x 1 cm. 
	UWAGA: Dokładny materiał musi odpowiadać podłożu traktowanego urządzenia, co będzie zależeć od rodzaju urządzenia.</li>
	<li>Proces osadzania w fazie gazowej należy przeprowadzić, umieszczając roztwór w odpowiednim naczyniu wewnątrz desykatora próżniowego, naprzeciwko i w jednej linii z zamocowanym zespołem. 
	UWAGA: Jako przykład zastosowano tutaj aluminiowe naczynia wagowe jako naczynia do osadzania (3-aminopropyl)trietoksysilanu (APTES).
	<ol>
		<li>Wewnątrz desykatora należy umieścić manometr próżniowy (patrz Tabela materiałów), aby zapisać dokładne ciśnienie. Port pokrywy desykatora należy ustawić w pobliżu zamocowanego zespołu i w jednej linii z roztworem (Rycina 4E). 
		UWAGA: Dalsze szczegóły dotyczące tej metody osadzania w fazie gazowej opisano w wcześniej opublikowanej literaturze 49.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Zespół manipulacyjny do reakcji powierzchniowej via roztwór wodny
UWAGA: Elementy i zmontowana aparatura do manipulacji i mocowania urządzeń podczas osadzania w fazie wodnej oraz obróbki powierzchniowej przedstawione są na rysunkach 5-7. Poniższe kroki szczegółowo opisują procedurę niezbędną do umieszczenia urządzeń w aparaturze w celu osadzania i obróbki.
<img alt="Schemat komponentów spektroskopowych z uchwytami na kuwety i filtrami dla zestawu do analizy optycznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Montaż elementów wydrukowanych w technologii 3D do obsługi urządzeń funkcjonalnych dla reakcji powierzchniowej zachodzącej w roztworze wodnym. (A) Element prowadzący, który należy przykleić do pokrywki płytki hodowlanej. (B) Element blatowy służący do stabilizacji elementów (C) i (D) podczas montażu. Elementy (C) i (D) wspólnie zabezpieczają zawieszenie urządzeń w celu umieszczenia ich w płytce wielodołkowej. Element (E) dodatkowo mocuje elementy (C) i (D) do pokrywki płytki wielodołkowej. Dwustronna taśma poliamidowa została umieszczona w dolnej części elementu (C), a taśma piankowa w dolnej części elementu (D) (oba zaznaczone czerwonymi ramkami). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig05large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Układ spektroskopowy na mikropłytce z uchwytami na próbki do analizy optycznej i eksperymentów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig06.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Pokrywa płytki do hodowli komórkowej wyposażona w 6 prowadnic (część 2A). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Kroki montażu urządzenia mikrofluidycznego, w tym konfiguracja komponentów do testów biologicznych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7: Kolejność mocowania i ładowania sond dla reakcji w roztworze. Kolory części zostały zmienione na tej rycinie w celu zapewnienia przejrzystości obrazu. Są to te same części, co na Rycynie 5 i Rycynie 6. (A) Element 2C zostaje umieszczony w elemencie 2B, a urządzenie zostaje przymocowane do zaklejonej taśmą części elementu 2C. (B) Element 2D pasuje do elementu 2C, tworząc zespół, który podtrzymuje trzpień urządzenia. (C) Zespół złożony z elementów 2C, 2D oraz urządzenia zostaje ostrożnie umieszczony na pokrywie płytki wielodołkowej przy użyciu prowadnika. (D) Element 2E zostaje dopasowany na górze zespołu, aby dodatkowo zabezpieczyć pokrywę. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol>
	<li>Wykonaj pokrywkę do płytki wielodobowej, aby zawiesić macierz elektrod urządzenia w roztworze (Rycina 6). Niniejszy protokół opisuje zastosowanie płytki 24-dołkowej.
	<ol>
		<li>Wytnij prostokątne otwory o wymiarach 19 mm x 10,5 mm w pokrywce płytki wielodobowej, używając wycinarki laserowej lub ręcznie za pomocą noża introligatorskiego. Liczba otworów powinna odpowiadać liczbie urządzeń przeznaczonych do obróbki. 
		UWAGA: Dla ułatwienia montażu zaleca się obróbkę sześciu urządzeń na jednej płytce lub co najmniej rozmieszczenie otworów nad dołkami, które nie sąsiadują ze sobą (Rycina 6).</li>
		<li>Wydrukuj lub zdobądź odpowiednią liczbę prowadnic (element 2A (Rycina 2A), Supplementary Coding File 5, Supplementary Coding File 6).</li>
		<li>Użyj kleju cyjanoakrylowego, aby przymocować prowadnice do pokrywki. Podczas klejenia wyrównaj prostokątne otwory w prowadnicach i pokrywkach, aby upewnić się, że otwór prostokątny w prowadnicy nie jest zablokowany, jak pokazano na Rycynie 6.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Napełnij płytkę wielodobową pożądanym roztworem w miejscach, w których będzie odbywać się obróbka. Dla celów przykładowych roztwór składa się z EDC i Sulfo-NHS (zob. Tabela materiałów) w buforze MES. 
	UWAGA: Objętość roztworu zależy od wymiarów urządzenia elektrodowego. Dla macierzy mikroelektrod typu Michigan (zob. Tabela materiałów) z niskoprofilowymi złączami 8,6 mm i długością trzpienia 3 mm, luz wynosi ~9 mm50. Użycie 2 mL roztworu pozwoli na całkowite zanurzenie trzpienia urządzenia, podczas gdy reszta urządzenia pozostanie poza roztworem reakcyjnym.
	<ol>
		<li>Jeśli do potwierdzenia obróbki powierzchni stosowane są próbki podłoża, umieść kwadratowe próbki materiału w dołku płytki i zanurz je w roztworze reakcyjnym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Bezpiecznie zawieś urządzenia (zob. Tabela materiałów) w płytce wielodobowej. Kolejność działań przedstawiono na Rycynie 7.
	<ol>
		<li>Przyklej element 2B (Rycina 2B, Supplementary Coding File 7, Supplementary Coding File 8) taśmą do blatu roboczego (Rycina 7A).</li>
		<li>Naklej dwustronną taśmę polimidową, aby pokryć podstawę elementu 2C (Rycina 2C, Supplementary Coding File 9, Supplementary Coding File 10).</li>
		<li>Naklej 1/8" taśmę piankową z jednostronnym klejem, aby pokryć podstawę elementu 2D (Rycina 2D, Supplementary Coding File 11, Supplementary Coding File 12).</li>
		<li>Wsuń element 2C w rowek elementu 2B (Rycina 7A).</li>
		<li>Przyklej opakowanie złącza urządzenia do taśmy, orientując je tak, aby długość trzpienia urządzenia była zawieszona (Rycina 7B).</li>
		<li>Zabeziecz urządzenie, wsuwając element 2D (pokazany na pomarańczowo na Rycynie 7) w element 2C. Ten zestaw skutecznie unieruchamia urządzenie między elementami narzędzia (Rycina 7B).</li>
		<li>Trzymając krawędzie zestawu, ostrożnie go podnieś, aby zdjąć z elementu 2A.</li>
		<li>Włóż zestaw do pokrywki, dopasowując półkola skierowane na zewnątrz w elementach 2C i 2D do odpowiadających im prowadnic w elemencie 2A (pokazanych na zielono na Rycynie 7C).</li>
		<li>Zabezpiecz położenie zestawu, mocując na wcisk element 2E (Rycina 2E) nad prowadnicami (pokazanymi na zielono na Rycynie 7D, Supplementary Coding File 13, Supplementary Coding File 14).</li>
		<li>W przypadku reakcji, które wymagają ciągłego mieszania roztworu, wstrząsaj płytką wielodobową. Przenieś zmontowaną płytkę na stół wstrząsowy i uruchom z prędkością poniżej 100 rpm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Jeśli wymagane są wielokrotne reakcje w roztworze lub etapy płukania, ostrożnie przenieś pokrywkę do nowej płytki wielodobowej z pożądanym roztworem (roztworami) rozdzielonymi do odpowiednich dołków. 
	UWAGA: Krok 2.4 jest opcjonalny.</li>
	<li>Wyjmij urządzenia z płytki wielodobowej.
	<ol>
		<li>Przyklej element 2B taśmą do blatu roboczego.</li>
		<li>Zdejmij element 2E z pokrywki.</li>
		<li>Ostrożnie wyjmij zestaw trzymający urządzenie z płytki wielodobowej.</li>
		<li>Zorientuj zestaw tak, aby element 2C był skierowany w stronę blatu, a element 2D był skierowany do góry. Trzpienie urządzeń muszą być równoległe do blatu. Wsuń element 2C zestawu w element 2B, tak jak zrobiono to wcześniej (krok 2.3.4) podczas montażu zestawu.</li>
		<li>Oddziel element 2D od elementu 2C, ostrożnie je rozdzielając. Wywrzyj lekki nacisk na wypustki elementu 2C w stronę blatu, aby zapewnić stabilność podczas tej czynności. 
		UWAGA: Wypustki elementu 2C są dłuższe niż wypustki elementu 2D, aby ułatwić tę operację.</li>
		<li>Użyj pęsety, aby chwycić opakowanie złącza urządzenia, zdjąć je z taśmy i przenieść urządzenie do pożądanego pojemnika do przechowywania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Treść nie reprezentuje poglądów Departamentu ds. Weteranów Stanów Zjednoczonych, Narodowych Instytutów Zdrowia ani rządu Stanów Zjednoczonych.

Opisany protokół został opracowany z myślą o obróbce powierzchniowej krzemowych płaskich układów mikroelektrod. Narzędzia drukowane w 3D są dostosowane do układów mikroelektrod w stylu Michigan z niskoprofilowymi złączami50. Niefunkcjonalne sondy zostały zmontowane poprzez przyklejenie sondy silikonowej do wydrukowanych w 3D zakładek za pomocą biokompatybilnego kleju. Wydrukowane w 3D zakładki zostały zaprojektowane z podobnymi wymiarami do złączy stosowanych w dostępnych na rynku urządzeniach. Pl...

Urządzenia neuroprotetyczne mają na celu przywrócenie upośledzonych lub utraconych zdolności sensorycznych i motorycznych u szerokiej grupy pacjentów, w tym u osób z urazami rdzenia kręgowego, stwardnieniem zanikowym bocznym (ALS), mózgowym porażeniem dzieci lub po amputacjach1,2,3. Wewnątrzkorowe mikroelektrody (IMEs) mogą ustanowić drogę komunikacji pomiędzy neuronami kory mózgowej a urządzeniami służącymi do sterowania neuroprotezami. Wyraźną zaletą mikroelektrod wewnątrzkorowych jest ich zdolność do rejestrowania sygnałów neuronalnych z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową, co jest pożądane w późniejszym przetwarzaniu sygnałów i sterowaniu interfejsami mózg-komputer4,5. Niestety wydajność mikroelektrod wewnątrzkorowych drastycznie spada w ciągu od kilku miesięcy do roku po implantacji2,6,7,8. Utrata jakości i stabilności sygnału negatywnie wpływa na zastosowanie tej technologii.
Istotnym czynnikiem przyczyniającym się do obserwowanego spadku wydajności jest odpowiedź biotyczna na uszkodzenia tkanek związane z implantacją oraz chroniczny stan zapalny układu nerwowego9,10,11. Implantacja IMEs powoduje uszkodzenie tkanki mózgowej, co prowadzi do uwalniania cząsteczek sygnałowych inicjujących kaskady reakcyjnych procesów obronnych komórek. Przewlekłe sprzężenie potęguje odpowiedź na ciało obce, prowadząc do utrzymującego się stanu zapalnego neuronów, który uszkadza tkankę w bezpośrednim sąsiedztwie urządzenia; objawia się to często poprzez bliznowacenie oraz lokalną neurodegenerację, co przyczynia się do pogorszenia jakości rejestrowanego sygnału12,13,14,15. Blizna otaczająca elektrodę, składająca się z gęstego konglomeratu astrocytów z włączonymi aktywowanymi mikroglejami i makrofagami, tworzy niekorzystne środowisko lokalne z ograniczonym transportem materiałów i lokalną akumulacją czynników zapalnych16,15,16,17,18.
Wiele badań opisało reakcję mózgu na wewnątrzkorowe mikroelektrody lub podejścia mające na celu złagodzenie tej odpowiedzi7. Badania i prace rozwojowe nad poprawą odpowiedzi tkankowej obejmowały szereg strategii, w tym modyfikacje ogólnej struktury, topologii powierzchni, materiałów oraz stosowanie powłok. Działania te mają na celu zminimalizowanie uszkodzeń powstałych podczas implantacji, wprowadzenie korzystniejszego interfejsu między urządzeniem a komórkami sąsiadującymi lub zmniejszenie naprężeń tkankowych po implantacji urządzeń7. Metody ukierunkowane specjalnie na chroniczną odpowiedź biologiczną doprowadziły do opracowania kilku powłok bioaktywnych, których celem jest stabilizacja miejsca implantacji i chemiczne wspomaganie kondycji komórek. Przykłady obejmują polimery przewodzące, takie jak poli(etylenodioksytiofen) (PEDOT)19,20, nanorurki węglowe21, hydrożele22 oraz dodawanie cząsteczek bioaktywnych i leków w celu oddziaływania na konkretne procesy komórkowe23,24,25. Nasza grupa badawcza w szczególności badała wiele mechanizmów mających na celu redukcję odpowiedzi zapalnej na implantowane mikroelektrody, w tym między innymi: minimalizację urazu związanego z implantacją urządzenia26, minimalizację niedopasowania sztywności między urządzeniem a tkanką27,28,29,30,31,32,33, optymalizację procedur sterylizacji34,35, redukcję stresu oksydacyjnego/uszkodzeń28,36,37,38,39,40,41,42, badanie alternatywnych materiałów elektrodowych43 oraz naśladowanie nanoarchitektury naturalnej macierzy zewnątrzkomórkowej44,45,46. Obecnie zainteresowaniem jest opracowanie biomimetycznych powłok powierzchniowych, aby bezpośrednio złagodzić odpowiedź neurozapalną na interfejsie mikroelektroda-tkanka39.
Modyfikacja interfejsu oferuje unikalną korzyść w postaci bezpośredniego celowania w ranę oraz w tkankę proksymalną, niezbędną do rejestracji sygnałów. Obróbka powierzchniowa, która wspomaga gojenie bez nasilania odpowiedzi immunologicznej, może przedłużyć czas wysokiej jakości rejestracji i usunąć ograniczenia w realizacji potencjału terapeutycznego i badawczego mikroelektrod wewnątrzkorowych. Przedstawiona praca szczegółowo opisuje metody nakładania powłok powierzchniowych na macierze mikroelektrod, które wymagają wydłużonego czasu reakcji, przy jednoczesnym uwzględnieniu delikatności tych urządzeń. Przedstawiona technika ma na celu udostępnienie metod modyfikacji powierzchni dla funkcjonalnych urządzeń, których nie można manipulować podczas aplikacji powłoki. Zaprezentowano narzędzia do obsługi niefunkcjonalnych sond pozornych oraz funkcjonalnych planarnych krzemowych macierzy mikroelektrod.
Przedstawione podejście do modyfikacji powierzchni elektrody umożliwia bezpieczne zawieszenie niefunkcjonalnych sond kontrolnych lub funkcjonalnych płaskich macierzy elektrod krzemowych w celu osadzania z fazy gazowej oraz reakcji z roztworami wodnymi. Do obsługi tych delikatnych urządzeń wykorzystuje się kilka elementów wydrukowanych w technologii 3D (Rysunek 1 oraz Rysunek 2). Przedstawiono przykład procedury wykorzystującej zarówno etapy w fazie gazowej, jak i w roztworze do modyfikacji powierzchni powłoką przeciwutleniającą, obejmującej immobilizację porfiryny Mn(III)tetrakis (kwasu 4-benzoesowego) (MnTBAP). MnTBAP jest syntetyczną metalloporfiryną o właściwościach przeciwutleniających z udowodnionym działaniem modulującym stany zapalne47,48. Przedstawiony przykład na funkcjonalnych płaskich macierzach elektrod krzemowych potwierdza aktualizację wcześniej opisanego protokołu dla urządzeń niefunkcjonalnych40. Adaptacja techniki osadzania z fazy gazowej od Muniefa i wsp.. potwierdza zgodność protokołu z funkcjonalnymi elektrodami49. Osadzanie z fazy gazowej jest wykorzystywane do funkcjonalizacji powierzchni grupami aminowymi w przygotowaniu do reakcji w środowisku wodnym z wykorzystaniem chemii sieciowania karbodiimidowego w celu immobilizacji aktywnego MnTBAP. Opracowana tutaj metodologia obsługi stanowi platformę, którą można modyfikować w celu zastosowania innych powłok i podobnych urządzeń.
Protokół przedstawia podejście z wykorzystaniem niefunkcjonalnych sond pozornych, składających się z krzemowego trzpienia i wydrukowanej w technologii 3D zakładki o wymiarach zbliżonych do funkcjonalnych krzemowych płaskich macierzy elektrod. Obudowa złącza urządzenia jest traktowana w niniejszej instrukcji analogicznie do wydrukowanej w technologii 3D zakładki niefunkcjonalnej sondy pozornej.
<img alt="Schemat równowagi statycznej przedstawiający komponenty mechaniczne ze strzałkami wskazującymi punkty naprężeń." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Wydrukowane w technologii 3D elementy do manipulowania urządzeniami funkcjonalnymi podczas osadzania w fazie gazowej w deskryptorze próżniowym. (A) Podstawa struktury zawiera uchwyty na kwadratowe próbki krzemu o wymiarach 1 cm x 1 cm (górna strzałka) oraz otwory do mocowania do płyty deskryptora (dolna strzałka). (B) Płyta służy do stabilizacji zawieszenia urządzeń. W dalszej części tekstu każdy element na tej rycinie będzie określany jako element 1A lub 1B. Skala = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Projekt CAD wydrukowanych w 3D niestandardowych uchwytów; schemat części oznaczonych literami A-E dla układu analitycznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Wydrukowane w 3D elementy do obsługi funkcjonalnych urządzeń w celu przeprowadzenia reakcji powierzchniowej w roztworze wodnym. (A) Element prowadzący, który należy przykleić do pokrywy płytki hodowlanej. (B) Elementy laboratoryjne służące do stabilizacji części (C) i (D) podczas montażu. Części (C) i (D) wspólnie zabezpieczają zawieszenie urządzeń w celu ich umieszczenia w płytce z dołkami, a element (E) dodatkowo mocuje części (C) i (D) do pokrywy płytki z dołkami. W dalszej części tekstu poszczególne elementy na każdym panelu tego rysunku będą określane numerami części odpowiadającymi numerowi panelu tego rysunku. Pasek skali = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Metomidek 1-[3-(dimetyloamino)propylo]-3-etylokarbodimidowy (EDC)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>165344-1G</td><td>W postaci stałej, przechowywanej w stanie wysuszonym w temperaturze -20 °; </td></tr><tr><td>Stożkowe probówki wirówkowe C 15 ml</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-959-70C</td><td></td></tr><tr><td>18-funtowy solidny nylonowy / opaski zaciskowe</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-06830-66</td><td>Długość 4 cale</td></tr><tr><td>Kwas 2-(N-Morfolino)etanosulfonowy (MES)</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td>4432-31-9</td><td>Stały</td></tr><tr><td>3-aminopropylotrietoksysilan (APTES)</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td>440140-100ML</td><td>Płyn, pojemnik z Sure/ Uszczelka</td></tr><tr><td>50 ml stożkowe probówki wirówkowe</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-959-49A Folia</td><td></td></tr><tr><td>aluminiowa</td><td>Fisher Scientific</td><td>01-213-103</td><td></td></tr><tr><td>Aluminiowe naczynia wagowe</td><td>Fisher Scientific</td><td>08-732-102</td><td>Średnica 66 mm</td></tr><tr><td>Eksykator próżniowy Bel-Art</td><td>Fisher Scientific</td><td>08-594-15B</td><td></td></tr><tr><td>Corning Costar Płytki wielodołkowe z powłoką TC</td><td>Millipore Sigma</td><td>CLS3527-100EA</td><td>Płytka 24-dołkowa, polistyrenowy</td></tr><tr><td>klej cyjanoakrylowy</td><td>LocTite</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop cyfrowy</td><td>Keyence</td><td>VHX-S750E</td><td></td></tr><tr><td>Dyskoteka DAD3350 Piła do krojenia w kostkę</td><td>Disco</td><td>DAD3350</td><td>Służy do cięcia wafla krzemowego na próbki o wymiarach 1 cm x 1 cm</td></tr><tr><td>Dwustronna taśma poliimidowa</td><td>Taśma kaptonowa</td><td>PPTDE-1/4</td><td>&frac14; &rdquo; x 36 jardów.</td></tr><tr><td>EP21LVMed &ndash; dwuskładnikowy związek epoksydowy o niskiej lepkości</td><td>Masterbond</td><td>EP21LVMed</td><td>Spełnia certyfikat USP klasy VI, spełnia normę ISO 10993-5 w zakresie cytotoksyczności</td></tr><tr><td>Maszyna laserowa Epilog Fusion Pro 48</td><td>Epilog</td><td>N/A</td><td>Laser CO2</td></tr><tr><td>Taśma piankowa</td><td>XFasten</td><td>N/A</td><td>1/8" Gruby</td></tr><tr><td>interfejs Gamry 1010E Potencjostat</td><td>Gamry</td><td>992-00129</td><td></td></tr><tr><td>Wysoka precyzja 45&deg; zakrzywiona, stożkowa, bardzo cienka pęseta/kleszczyk</td><td>Fisher Scientific</td><td>12-000-131</td><td></td></tr><tr><td>Taśma laboratoryjna</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-901-10L</td><td></td></tr><tr><td>Mn(III)tetrakis (kwas 4-benzoesowy) porfiryna (MnTBAP)</td><td>EMD Millipore</td><td>475870-25MG</td><td>Ciało stałe, przechowywane w temperaturze -20 &deg; </td></tr><tr><td>Sól sodowa CN-hydroksysulfosbursztynimidu, &ge; 98% (HPLC)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>56485-250MG</td><td>Ciało stałe, przechowywane na sucho w temperaturze 4&deg; C</td></tr><tr><td>Anoda z siatki niobowej pokryta platyną</td><td>Technic</td><td>N/A</td><td>Platerowana 125&mu; &rdquo; z jednej strony z platyny, oprawiony w tytan z (1) 1" x 6" Tytanowy pasek wyśrodkowany na jednym 6" wymiar</td></tr><tr><td>Krzemowa planarna matryca mikroelektrod, 16-kanałowy</td><td>NeuroNexus</td><td>A1x16-3mm-100-177-CM16LP</td><td>Materiał elektrody to iryd, grubość trzpienia wynosi 15 i mu; m</td></tr><tr><td>Wafel krzemowy</td><td>University Wafer</td><td>1575</td><td>Średnica 100 mm, typ p, domieszkowany borem, zorientowany 100, rezystywność 0,01-0,02 Ohm-cm, grubość 525 um, jednostronnie polerowany, najwyższej jakości</td></tr><tr><td>elektroda referencyjna srebro/srebro chlorkowe</td><td>Gamry Instruments</td><td>930-00015</td><td></td></tr><tr><td>Solidworks</td><td></td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>z płaskim Phillips ze stali nierdzewnej</td><td>McMaster Carr</td><td>96877A629</td><td>#8-32, 1 1/2", w pełni gwintowana</td></tr><tr><td>woda dejonizowana typu I</td><td>ChemWorld</td><td>CW-DI1-20</td><td></td></tr><tr><td>Drukarka 3D Ultimaker 3</td><td>Ultimaker</td><td>&nbsp; Nie dotyczy</td><td></td></tr><tr><td>Ultimaker Cura</td><td>Ultimaker</td><td>Nie dotyczy</td><td>oprogramowania do drukowania 3D</td></tr><tr><td>Ultimaker NFC ABS Filament</td><td>Dynamicism, Inc.</td><td>1621</td><td>2,85 mm</td></tr><tr><td>Ultimaker NFC PLA Filament</td><td>Dynamicism, Inc.</td><td>1609</td><td>2,85 mm</td></tr><tr><td>Wakuometr Wakuometr</td><td>Measureman Direct</td><td>N/A</td><td>wypełniony gliceryną, 2-1/2" Rozmiar tarczy, &frac14; &rdquo; NPT, -30" Hg/-100kpa-0</td></tr><tr><td>Nakrętki motylkowe</td><td>Everbilt</td><td>934917</td><td>#8-32, ocynkowane</td></tr></tbody></table>

narzędzia do obróbki powierzchniowej krzemowych płaskich mikroelektrod wewnątrzkorowych

Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

Mikroelektrody wewnątrzkorowe mają duży potencjał terapeutyczny. Stoją one jednak przed wyzwaniem znacznego obniżenia wydajności po skromnym czasie trwania implantacji. Istotnym czynnikiem przyczyniającym się do obserwowanego spadku jest uszkodzenie tkanki nerwowej proksymalnie implantu i późniejsza reakcja neurozapalna. Wysiłki mające na celu wydłużenie żywotności urządzenia obejmują modyfikacje chemiczne lub nakładanie powłok na powierzchnię urządzenia w celu poprawy odpowiedzi tkanek. Opracowywanie takich metod obróbki powierzchni jest zwykle zakończone przy użyciu niefunkcjonalnych "atrap" sond, które nie mają komponentów elektrycznych wymaganych do zamierzonego zastosowania. Translacja na funkcjonalne urządzenia wymaga dodatkowego rozważenia, biorąc pod uwagę kruchość wewnątrzkorowych układów mikroelektrod. Narzędzia manipulacyjne znacznie ułatwiają obróbkę powierzchni zmontowanych urządzeń, szczególnie w przypadku modyfikacji, które wymagają długiego czasu procedury. Opisane tutaj narzędzia manipulacyjne są używane do obróbki powierzchni poprzez osadzanie w fazie gazowej i ekspozycję na roztwór wodny. Charakterystykę powłoki wykonuje się za pomocą elipsometrii i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów. Porównanie zapisów spektroskopii impedancji elektrycznej przed i po procedurze powlekania na funkcjonalnych urządzeniach potwierdziło integralność urządzenia po modyfikacji. Opisane narzędzia można łatwo dostosować do alternatywnych urządzeń elektrodowych i metod leczenia, które zachowują kompatybilność chemiczną.

W celu zademonstrowania zastosowania komponentów manipulacyjnych, opisana metodologia została wdrożona w celu adaptacji immobilizacji mediatora utleniającego na krzemie aktywowanym. Zastosowanie tej chemii w IME w celu redukcji stresu oksydacyjnego zostało opracowane przez zespół Potter-Baker i in. oraz zaprezentowane na niefunkcjonalnych krzemowych sondach kontrolnych40. Ta obróbka powierzchni immobilizuje przeciwutleniacz, MnTBAP, na powierzchni krzemu aktywowanej UV/ozonem poprzez funk...

Obecny protokół opisuje narzędzia do obsługi mikroelektrod wewnętrznych z krzemu podczas zabiegów modyfikacji powierzchni poprzez osadzanie gazu i reakcje roztworu wodnego. Szczegółowo wyjaśniono montaż komponentów używanych do obsługi urządzeń podczas całej procedury.

Narzędzia do obróbki powierzchniowej krzemowych płaskich mikroelektrod wewnątrzkorowych

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation ...

Protokół ten zapewnia narzędzia do modyfikacji powierzchni wewnątrzkorowych urządzeń mikroelektrodowych poprzez osadzanie w fazie gazowej i reakcję roztworu wodnego. Te metody obsługi utrzymują integralność urządzenia przez wydłużony czas reakcji. Metody postępowania z mikroelektrodami wewnątrzkorowymi często nie są ujawniane.Technika ta może przynieść korzyści wysiłkom badawczym mającym na celu poprawę wydajności tych urządzeń poprzez opracowanie obróbki powierzchni i powłok. Na początek zaopatrz się w mikroelektrody wewnątrzkorowe lub niedziałające sondy do obróbki powierzchni. Aby ułatwić testowanie materiału, należy pobrać próbki materiału podłoża o powierzchni jednego centymetra kwadratowego do obróbki wraz z urządzeniami.Wydrukuj 3D lub zdobądź elementy 1A i 1B. Przymocuj dwustronną taśmę poliimidową do elementu 1A. Przymocuj również pasek pianki o grubości 3,17 milimetra z jednostronnym klejem do elementu 1B.Następnie przyklej opakowanie złącza urządzenia do taśmy na elemencie 1A. Połącz elementy 1A i 1B, wyrównując otwory i zabezpieczając za pomocą ze stali nierdzewnej i nakrętek motylkowych. Przymocuj zespół do tacki eksykatora próżniowego za pomocą opasek zaciskowych, wykorzystując otwory w dolnej części elementu 1A.Umieść kwadratowe próbki materiału w szczelinach w dolnej części ramy. Umieść roztwór w odpowiednim pojemniku w osuszaczu próżniowym naprzeciwko i w jednej linii z zabezpieczonym zespołem. Umieść wakuometr w eksykatorze, aby zarejestrować dokładne ciśnienie.Następnie umieść port wysuszonej pokrywy w pobliżu zabezpieczonego zespołu i w jednej linii z roztworem i zakończ osadzanie w fazie gazowej. Najpierw wytnij prostokątne otwory o wymiarach 19 na 10,5 milimetra w pokrywie płytki studziennej, aby zawiesić układ elektrod urządzenia w roztworze. Wydrukuj 3D lub zdobądź przewodniki.Dopasuj prostokątne otwory w prowadnicach do otworów w pokrywie, upewniając się, że otwór w prowadnicy jest drożny. Przymocuj prowadnice do pokrywy za pomocą kleju cyjanoakrylowego. Następnie napełnij żądany roztwór w studzienkach, w których nastąpi leczenie.Aby potwierdzić obróbkę powierzchniową, zanurz kwadratowe próbki substratu w roztworze reakcyjnym w studzience płytki. Aby zmontować sondę, przyklej kawałek 2B do blatu stołu. Umieść dwustronną taśmę poliimidową, aby zakryć podstawę elementu 2C.Umieść również taśmę piankową o grubości 3,17 milimetra z jednostronnym klejem, aby zakryć podstawę elementu 2D. Następnie wpasuj kawałek 2C w rowek elementu 2B. Przyklej opakowanie złącza urządzenia do taśmy, zorientowane tak, aby długość trzpienia urządzenia była zawieszona.Zabezpiecz urządzenie, wsuwając element 2D w element 2C. Przytrzymaj krawędzie zespołu i ostrożnie podnieś, aby wyjąć z elementu 2B. Wyrównaj skierowane na zewnątrz półkola na elementach 2C i 2D z odpowiednimi prowadnicami na elemencie 2A, aby dopasować zespół do pokrywy płyty studzienki.Bezpieczne miejsce montażu za pomocą elementu wciskanego 2E na prowadnicach. Po zawieszeniu urządzeń w płycie studzienki przenieś zespół do wytrząsarki i pracuj z prędkościami poniżej 100 obrotów na minutę. W przypadku reakcji wymagających wielu roztworów lub etapów płukania, ostrożnie przenieść pokrywkę do nowej płytki dołka zawierającej żądany roztwór w odpowiednim dołku.Po tym kroku przyklej kawałek 2B do blatu. Aby wyjąć urządzenia z płytki studzienki, wyjmij kawałek 2E z pokrywy. Następnie ostrożnie wyjmij zespół, trzymając urządzenie.Ustaw zespół tak, aby element 2C był skierowany w stronę blatu, a element 2D był skierowany do góry. Ustaw trzpień urządzenia równolegle do blatu. Dopasuj element 2C zespołu do elementu 2B.Lekko dociśnij wypustki elementu 2C do stołu, aby oddzielić element 2D od elementu 2C. Za pomocą kleszczyków wyjmij opakowanie złącza urządzenia z taśmy i przenieś urządzenie do pojemnika do przechowywania. Przy użyciu tego protokołu zademonstrowano obróbkę powierzchniową układów mikroelektrod w stylu Michigan w kwadratowych próbkach krzemowych.Do funkcjonalizacji amin za pomocą APTES zastosowano metodę osadzania w fazie gazowej. Następnie wykorzystano chemię sieciującą karbodimid do unieruchomienia TBAP manganu. Po osadzaniu pomiary elipsometrii próbek krzemu wykazały średnią grubość warstwy APTES wynoszącą 8,5 angstremów, w porównaniu z teoretyczną grubością warstwy pojedynczej wynoszącą 7 angstremów.Analiza rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów wykazała wzrost procentowych stężeń atomowych azotu i węgla po obróbce APTES w fazie gazowej, co wskazuje na osad chemiczny. Podobnie mangan wykryto po unieruchomieniu w fazie roztworu. Co więcej, wykres Bodego do analizy spektroskopii impedancji elektrycznej układów mikroelektrod nie wykazał statystycznej różnicy między wielkościami impedancji przed i po procesie powlekania.W ten sposób udało się pokryć matrycę elektrod przy użyciu procesów powlekania. Protokół ten ułatwia modyfikację powierzchni mikroelektrod wewnątrzkorowych, minimalizując ryzyko uszkodzenia urządzenia. Inni w tej dziedzinie mogą dostosować metodologię do swoich urządzeń i procedur chemicznych.

tools-for-surface-treatment-silicon-planar-intracortical

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Przedstawiamy procedurę tworzenia samoorganizującej się monowarstwy z poli(glikolu etylenowego) (PEG-SAM) na podłożu krzemowym z mikroelektrodami złotymi. Warstwa PEG-SAM jest tworzona w jednym kroku i zapobiega biofoulingowi na powierzchniach krzemu oraz złota. Następnie wykorzystuje się elektroforezę do rozmieszczania biomolekuł w skali nanometrycznej.

Antyfouling samoorganizujące się monowarstwy na mikroelektrodach do wzorcowania biomolekuł

Przedstawiamy przydatne informacje dla chirurgów uczących się procesu implantacji chronicznych elektrod do rejestracji sygnałów neuronalnych. Opisano techniki stosowane dla systemów elektrod penetrujących oraz powierzchniowych w modelu gryzoni.

Chirurgiczna implantacja chronicznych elektrod neuronowych do rejestracji aktywności pojedynczych jednostek i sygnałów elektrokortykograficznych

Tutaj prezentujemy histologiczną metodę przechwytywania, znakowania, optycznego oczyszczania i obrazowania nienaruszonego interfejsu tkanki mózgowej wokół przewlekle wszczepionych mikrourządzeń w tkance mózgowej gryzoni.  Wyniki technik obejmujących tę metodę są przydatne do zrozumienia wpływu różnych penetrujących implantów mózgowych na otaczające je tkanki.

Nienaruszona charakterystyka histologiczna mikrourządzeń z implantami do mózgu i otaczających tkanek

Ten protokół opisuje użycie mikroskalowych wsporników krzemowych jako giętkich powierzchni hodowlanych do pomiaru kurczliwości komórek mięśniowych in vitro. Skurcz komórkowy powoduje zginanie wspornika, które można zmierzyć, zarejestrować i przekształcić w odczyty siły, zapewniając nieinwazyjny i skalowalny system pomiaru funkcji skurczu in vitro.

Wykorzystanie mikroskalowych wsporników krzemowych do oceny funkcji kurczliwości komórkowej in vitro

Ten manuskrypt opisuje protokół do budowy in vitro modułowych sieci składających się z przestrzennie ograniczonych, funkcjonalnie połączonych obwodów neuronalnych. Maska polimerowa służy do modelowania warstwy białka w celu promowania adhezji komórkowej nad substratem hodowlanym. Platerowane neurony rosną na pokrytych obszarach, tworząc spontaniczne połączenia i wykazując aktywność elektrofizjologiczną.

Projektowanie, obróbka powierzchniowa, posiewanie komórkowe i hodowla modułowych sieci neuronowych składających się z funkcjonalnie połączonych obwodów

Zaprojektowaliśmy procedurę, w której utrwalone formaldehydem ludzkie zwłoki są używane do pomocy neurochirurgom w szkoleniu do wszczepiania układów mikroelektrod do kory nowej ludzkiego mózgu.

Szkolenie chirurgiczne w zakresie implantacji układów mikroelektrod kory nowej przy użyciu modelu zwłok ludzkich utrwalonych formaldehydem

Jony potasu przyczyniają się do spoczynkowego potencjału błonowego komórek, a zewnątrzkomórkowe stężenie K+ jest kluczowym regulatorem pobudliwości komórek. Opisujemy, jak wykonać, skalibrować i stosować monopolarne mikroelektrody selektywne K+. Zastosowanie takich elektrod umożliwia pomiar elektrycznie wywołanej dynamiki stężenia K+ w dorosłych wycinkach hipokampa.

Wytwarzanie, testowanie i stosowanie mikroelektrod selektywnych jonów potasu w wycinkach tkanek mózgu dorosłego człowieka

Wykazaliśmy, że wytrawianie nano-architektury w wewnątrzkorowych urządzeniach mikroelektrodowych może zmniejszyć reakcję zapalną i ma potencjał do poprawy zapisów elektrofizjologicznych. Opisane w niniejszym dokumencie metody nakreślają podejście do wytrawiania nanoarchitektur na powierzchni niefunkcjonalnych i funkcjonalnych mikroelektrod krzemowych z pojedynczym trzpieniem wewnątrzkorowym.

Litografia z użyciem skupionej wiązki jonów do wytrawiania nanoarchitektur w mikroelektrodach

Opisujemy tutaj metodę wytwarzania matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene i wykorzystywania ich do rejestracji neuronowej in vivo.

Produkcja matryc mikroelektrod Ti3C2 MXene do rejestracji neuronowej in vivo

Przedstawiono protokół chemicznego imprintingu 3D mikroskalowych elementów 3D z dokładnością poniżej 20 nm do stałych i porowatych płytek krzemowych.

Elektrochemiczne nanoimprinting wspomagany metalem porowatych i litych płytek krzemowych

Protokół ten przedstawia zaawansowane metody wytwarzania materiałów i ex vivo badania serca szczurów do optycznego i elektrycznego dwukierunkowego biointerfejsu, umożliwiając precyzyjną stymulację serca, rejestrację i modelowanie zawału na potrzeby badań bioelektronicznych.

Dwukierunkowe interfejsy elektryczne i optoelektroniczne w zdrowych i niedokrwionych sercach szczurów ex vivo

Poznaj metody modyfikacji powierzchni mikroelektrod wewnątrzkorowych za pomocą osadzania gazowego i reakcji w roztworze wodnym. Protokół zapewnia zachowanie integralności urządzenia podczas długotrwałych procesów chemicznych.

Narzędzia do obróbki powierzchniowej krzemowych płaskich mikroelektrod wewnątrzkorowych

Przeglądaj więcej filmów