Summary
Her beskriver vi fabrikasjonsmetodikk for tilpassbare karbonfiberelektrodekjeder for registrering av in vivo i nerve og hjerne.
Abstract
Konvensjonelle perifere nervesonder er hovedsakelig fremstilt i et rent rom, som krever bruk av flere dyre og høyt spesialiserte verktøy. Dette papiret presenterer en renrom "lys" fabrikasjonsprosess av karbonfiber nevrale elektrode arrays som kan læres raskt av en uerfaren renromsbruker. Denne karbonfiberelektrodematriseproduksjonsprosessen krever bare ett renromsverktøy, en Parylene C-avsetningsmaskin, som kan læres raskt eller outsources til et kommersielt prosessanlegg til marginal kostnad. Denne fabrikasjonsprosessen inkluderer også håndfyllende kretskort, isolasjon og spissoptimalisering.
De tre forskjellige tipsoptimaliseringene som utforskes her (Nd:YAG-laser, blowtorch og UV-laser) resulterer i en rekke spissgeometrier og 1 kHz impedanser, med blåsefibre som resulterer i lavest impedans. Mens tidligere eksperimenter har bevist laser- og blowtorch-elektrodeeffekt, viser dette papiret også at UV-laserkuttede fibre kan registrere nevrale signaler in vivo. Eksisterende karbonfiberkjeder har enten ikke individuerte elektroder til fordel for bunter eller krever renromsfabrikkerte guider for befolkning og isolasjon. De foreslåtte matrisene bruker bare verktøy som kan brukes på en benkeplate for fiberpopulasjon. Denne karbonfiberelektrodematriseproduksjonsprosessen muliggjør rask tilpasning av bulk array fabrikasjon til en redusert pris sammenlignet med kommersielt tilgjengelige sonder.
Introduction
Mye av nevrovitenskapelig forskning er avhengig av å registrere nevrale signaler ved hjelp av elektrofysiologi (ePhys). Disse nevrale signalene er avgjørende for å forstå funksjonene til nevrale nettverk og nye medisinske behandlinger som hjernemaskin og perifere nervegrensesnitt1,2,3,4,5,6. Forskning rundt perifere nerver krever skreddersydde eller kommersielt tilgjengelige nevrale registreringselektroder. Nevrale registreringselektroder-unike verktøy med mikronskala dimensjoner og skjøre materialer - krever et spesialisert sett med ferdigheter og utstyr for å fremstille. En rekke spesialiserte sonder er utviklet for spesifikke sluttbruk; Dette innebærer imidlertid at eksperimenter må utformes rundt tilgjengelige kommersielle sonder, eller et laboratorium må investere i utviklingen av en spesialisert sonde, noe som er en langvarig prosess. På grunn av det store utvalget av nevral forskning innen perifer nerve, er det stor etterspørsel etter en allsidig ePhys-sonde4,7,8. En ideell ePhys-sonde vil ha et lite opptakssted, lav impedans9 og et økonomisk realistisk prispunkt for implementering i et system3.
Nåværende kommersielle elektroder har en tendens til å enten være ekstraneurale eller mansjettelektroder (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), som sitter utenfor nerven, eller intrafascicular, som trenger inn i nerven og sitter innenfor fascicle av interesse. Men når mansjettelektroder sitter lenger unna fibrene, plukker de opp mer støy fra nærliggende muskler og andre fascicles som kanskje ikke er målet. Disse sondene har også en tendens til å begrense nerven, noe som kan føre til biofouling-en oppbygging av glialceller og arrvev ved elektrodegrensesnittet mens vevet helbreder. Intrafasikulære elektroder (som LIFE12, TIME13 og Utah Arrays14) gir fordelen av fascicle selectivity og har gode signal-til-støy-forhold, noe som er viktig for å diskriminere signaler for maskininterfacing. Imidlertid har disse sondene problemer med biokompatibilitet, med nerver som blir deformert over tid3,15,16. Når de kjøpes kommersielt, har begge disse sondene statiske design uten mulighet for eksperimentspesifikk tilpasning og er kostbare for nyere laboratorier.
Som svar på de høye kostnadene og biokompatibilitetsproblemene som presenteres av andre sonder, kan karbonfiberelektroder tilby en mulighet for nevrovitenskapelige laboratorier til å bygge sine egne sonder uten behov for spesialisert utstyr. Karbonfibre er et alternativt registreringsmateriale med en liten formfaktor som gir mulighet for innsetting av lav skade. Karbonfibre gir bedre biokompatibilitet og betydelig lavere arrrespons enn silisium17,18,19 uten intensiv renromsbehandling5,13,14. Karbonfibre er fleksible, holdbare, lett integrert med andre biomaterialer19, og kan trenge inn og registrere fra nerve7,20. Til tross for de mange fordelene med karbonfibre, finner mange laboratorier den manuelle fabrikasjonen av disse matrisene vanskelig. Noen grupper21 kombinerer karbonfibre i bunter som samlet resulterer i en større (~ 200 μm) diameter; Men så vidt vi vet, har disse buntene ikke blitt verifisert i nerve. Andre har fabrikkert individuated karbonfiber elektrode arrays, selv om deres metoder krever renrom-fabrikkert karbonfiber guider22,23,24 og utstyr for å fylle sine arrays17,23,24. For å løse dette foreslår vi en metode for å fremstille en karbonfibermatrise som kan utføres på laboratoriets benkeplate som muliggjør improviserte modifikasjoner. Den resulterende matrisen opprettholder individuerte elektrodespisser uten spesialiserte fiberfyllingsverktøy. I tillegg presenteres flere geometrier for å matche behovene til forskningseksperimentet. Dette dokumentet bygger fra tidligere arbeid8,17,22,25, og gir detaljerte metoder for å bygge og modifisere flere stiler av matriser manuelt med minimal behandlingstid for renrom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle dyreprosedyrer ble godkjent av University of Michigan Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Velge en karbonfibermatrise
- Velg et kretskort (PCB) fra en av de tre designene som vises i figur 1.
MERK: For denne protokollen vil Flex Arrays være i fokus.- Se PCB-design på Chestek Lab-nettstedet (https://chestekresearch.engin.umich.edu), gratis og klar til å sendes til og bestilles for utskrift gjennom et PCB-trykkeri.
- Se tabell 1 hvis du vil ha et sammendrag av koblinger for hvert kort og deres spesifikasjoner for å velge kontakten som skal fungere for det bestemte eksperimentelle oppsettet.
2. Lodde kontakten til kretskortet
- Sett loddejernet til 315 °C.
- Påfør flux på alle loddeputer på PCB.
MERK: Flux i et rør kan klemmes over putene, mens flux i en gryte kan påføres med treenden av en bomullsspisset applikator ved å smøre fluxen over alle padsene liberalt. - Form små hauger av lodd på bakputene på Flex Array (figur 2A).
- Lodd den nederste raden med koblingspinner til bakre rad med loddeputer (figur 2B).
MERK: Alle brettdesign levert av Chestek-laboratoriet ble designet slik at kontaktene ville pares nøyaktig med deres utpekte brett.- For å gjøre dette, lodd pinnene på hver side av kontakten med enkel tilgang til loddehaugene. Når den er sikker, skyver du loddejernspissen forsiktig mellom de fremre pinnene for å lodde de resterende tilkoblingene på baksiden.
MERK: Når bakre rad med pinner er sikret, justeres resten av kontakten etter hver pinne over den tilordnede loddeputen.
- For å gjøre dette, lodd pinnene på hver side av kontakten med enkel tilgang til loddehaugene. Når den er sikker, skyver du loddejernspissen forsiktig mellom de fremre pinnene for å lodde de resterende tilkoblingene på baksiden.
- Lodd første rad med pinner på brettet ved å bruke en liten mengde lodding på hver pinne. Påfør et ekstra lag med flux hvis lodding ikke skjer raskt.
- Rengjør overflødig flux unna med 100% isopropylalkohol (IPA) og en kort børstebørste.
- Kapsler inn loddede tilkoblinger i forsinket sett epoksy (figur 2 C,D) ved hjelp av en 23 G nål og 1 ml sprøyte plassert skråstilt side ned på pinnene. Skyv epoksy gjennom sprøyten langsomt slik at den strømmer inn i og langs tilkoblingene.
- La brettet stå over natten slik at det forsinkede settet epoksy kan kurere.
MERK: Mens produktinnsatsen for det forsinkede settet epoksy sier at det kurerer i 30 min, slik at det over natten tillater en mer stabil tilkobling å danne.
- La brettet stå over natten slik at det forsinkede settet epoksy kan kurere.
- Fest baksiden av brettet til sidene av kontakten ved å legge en liten linje med forsinket sett epoksy over baksiden av brettet og trekke den inn på kantene på kontakten.
- La brettet kurere over natten igjen.
MERK: På dette tidspunktet lagrer du enten matrisene eller fortsetter byggingen. Hvis du setter den på pause i bygningen, må du oppbevare matrisene i en ren, tørr boks ved romtemperatur.
- La brettet kurere over natten igjen.
3. Fiber befolkning
- Klipp en trukket glasskapillær slik at spissen passer mellom sporene til matrisen (figur 3A).
- Bruk en glasstrekker og filament til å lage kapillærer med følgende innstillinger: Varme = 900, Trekk = 70, Hastighet = 35, Tid = 200, Trykk = 900.
MERK: Tallene er enhetsløse og spesifikke for denne enheten (se materialtabellen).
- Bruk en glasstrekker og filament til å lage kapillærer med følgende innstillinger: Varme = 900, Trekk = 70, Hastighet = 35, Tid = 200, Trykk = 900.
- Bruk treendene til to bomullsspissede applikatorer (en per hver del av sølv-epoksy) for å øse et lite, ~ 1: 1-forhold mellom sølv epoksy i en plastfat og bland med de samme pinnene som brukes til å øse. Kast applikatorene etter blanding.
- Klipp 2-4 mm av enden av karbonfiberbunten på et stykke skriverpapir ved hjelp av et barberblad. For enkelt å skille fibrene i bunten, som er vanskelige å erte fra hverandre, trekk et laminert stykke papir forsiktig over toppen av bunten.
MERK: Det laminerte papiret overføres statisk til fibrene, som vil skille seg ut av seg selv. - Påfør sølv epoksy mellom hvert annet par spor på den ene siden av brettet med glasskapillæren (figur 3B).
- Ta en liten dråpe epoksy på enden av en trukket kapillær. Bruk forsiktig mellom alle andre spor på enden av brettet, fyll gapet.
MERK: Gapet skal fylles til toppen av de to sporene uten å flyte over for å berøre nærliggende spor. Hver sporing er koblet til én kanal. Denne metoden for epoksypopulasjon betyr at hver fiber vil ha to kanaler koblet til den. Dette er fordi to spor gir bedre fiberjustering, og redundans i kanalen bidrar til å sikre elektrisk tilkobling.
- Ta en liten dråpe epoksy på enden av en trukket kapillær. Bruk forsiktig mellom alle andre spor på enden av brettet, fyll gapet.
- Bruk teflonbelagt pinsett til å plassere én karbonfiber i hvert epoksyspor (figur 3C).
- Bruk en ren trukket kapillær til å justere karbonfibrene, slik at de er vinkelrett på enden av Flex Array-brettet og begravet under epoksyet (figur 3D).
- Plasser matrisene på en treblokk med fiberede ender som ligger over kanten av blokken.
MERK: Vekten på bakenden vil holde matrisen på blokken. - Stek treblokken og rekkene ved 140 °C i 20 minutter for å kurere sølv-epoksyen og låse fibrene på plass.
- Gjenta trinn 3.4-3.8 for den andre siden av brettet.
MERK: Rekker kan lagres etter et hvilket som helst baketrinn; Statisk fra oppbevaringsboksene kan imidlertid føre til at fibrene trekker seg bort fra brettet hvis for lite sølv epoksy ble påført når du fyller brettet.- Lag en hevet limplattform i en boks slik at hoveddelen av brettet kan festes til limet slik at de fiberede endene av brettet kan suspenderes i esken for å forhindre fiberbrudd. Oppbevars ved romtemperatur.
MERK: Hvis fibrene trekker seg bort fra brettet under lagring, skrap epoksyen ut av sporene med en ren trukket glasskapillær og gjenta trinn 3.1-3.8 for å erstatte fibrene. Fra dette tidspunktet må matriser lagres med fibrene suspendert på denne måten for å forhindre fiberbrudd.
- Lag en hevet limplattform i en boks slik at hoveddelen av brettet kan festes til limet slik at de fiberede endene av brettet kan suspenderes i esken for å forhindre fiberbrudd. Oppbevars ved romtemperatur.
4. Påføring av ultrafiolett (UV) epoksy for å isolere karbonfibrene
- Bruk en ren kapillær og påfør en liten dråpe (~0,5 mm i diameter av UV-epoksy på de eksponerte sporene på den ene siden av brettet (figur 4A). Fortsett å legge til UV epoksydråper til sporene er helt dekket.
MERK: Ikke la UV-epoksyet komme på karbonfibrene forbi enden av PCB for å sikre en jevn innsetting senere. - Herd UV-epoksyen under uv-pennelyset i 2 min (figur 4B).
- Gjenta trinn 4.1-4.2 for den andre siden av brettet.
- Klipp fibrene til 1 mm ved hjelp av et stereoskop retitel og kirurgisk saks.
MERK: Matriser kan lagres på dette tidspunktet til de er klare til å gå videre til de neste trinnene. De skal lagres i en boks som vil heve karbonfibrene bort fra selve esken. Arrays kan lagres ved romtemperatur på ubestemt tid.
5. Kontrollere elektriske tilkoblinger med 1 kHz impedansskanninger (figur 5)
- Senk karbonfibrene 1 mm ned i 1x fosfatbufret saltvann (PBS).
- For å fullføre kretsen, bruk et sølv-sølv klorid (Ag| AgCl) referanseelektrode og en stang i rustfritt stål (motelektrode).
- Bruk en begerklemme til å suspendere Ag| AgCl-elektroden i 1x PBS og koble den til referansen til impedanssystemet som brukes.
- Bruk en begerklemme til å suspendere staven i rustfritt stål i 1x PBS og koble til motelektrodeinngangen til impedanssystemet som brukes.
- Kjør en 1 kHz impedansskanning for hver fiber ved hjelp av en potentiostat satt til en 1 kHz skannefrekvens ved 0,01 Vrms i en enkelt sinusbølgeform. Sett potentiostat til 0 V i begynnelsen av hver skanning i 5 s for å stabilisere det registrerte signalet. Registrer målingene via den potentiostat-tilknyttede programvaren.
MERK: Målinger kan tas når som helst i bygget; Imidlertid er de bare nødvendige før isolasjon og under spissforberedelse. Tabell 2 viser typiske områder med impedanser etter hvert byggetrinn på 1 kHz som brukerens referanse. - Skyll fibrene i deionisert (DI) vann ved å dyppe dem i et lite beger tre ganger og la dem tørke ved romtemperatur.
MERK: Rekker kan lagres til brukeren kan fortsette til neste trinn.
6. Parylen C-isolasjon
MERK: Parylen C ble valgt som isolasjonsmateriale for karbonfibrene, da det kan deponeres ved romtemperatur over grupper av matriser og gir et svært konformt belegg.
- Masker Flex Array-kontakten ved hjelp av paringskontakten.
- Plasser en bunke med 8-12 arrays i en oppbevaringsboks med en hevet limplattform slik at de kan isoleres i ett løp. Plasser matrisene slik at koblingsenden av matrisen er på klebeplattformen med den fiberede enden av matriseoverhenget (figur 6) for å forhindre at fibrene fester seg til limet og trekker av og for å sikre et jevnt Parylenbelegg på fibrene.
- Belegge matrisene i et Parylene C-avsetningssystem til en tykkelse på 800 nm i et rent rom, iført passende personlig verneutstyr (PVU) som definert av det enkelte renrom som brukes.
MERK: Her ble verneutstyr definert som renromssko, dress, hodeplagg, vernebriller, maske og latekshansker. Det skal bemerkes at dette er standard personlig verneutstyr for å komme inn i et rent rom. Dette trinnet kan outsources til et Parylene-beleggfirma mot et gebyr; En kommersiell tjeneste kan imidlertid være i stand til å belegge flere arrays samtidig. Hvert parylen C-avsetningssystem kan ha forskjellige sikkerhetsforanstaltninger. Kontakt teknikeren før bruk for å sikre brukersikkerhet. - Fjern paringskontakten som brukes som maske, fra Flex Array.
- Plasser matrisene i en ny boks for lagring til de er klare til bruk.
7. Tips forberedelsesmetoder
MERK: To tipspreparater i denne delen bruker lasere til å kutte fibre. Riktig verneutstyr, for eksempel vernebriller som er motstandsdyktige mot bølgelengdene som brukes, bør alltid brukes når de bruker laseren, og andre laboratoriebrukere i nærheten av laseren bør også være i personlig verneutstyr. Selv om fiberlengder som er oppført i disse trinnene, anbefales lengder, kan brukere prøve hvilken som helst lengde som passer deres behov. Brukeren må velge en av følgende tipsforberedelsesmetoder, da sakseskjæring alene ikke er tilstrekkelig til å eksponere elektroden25 på nytt.
- Neodymium-doped yttrium aluminium granat (Nd: YAG) laser kutt
- Klipp fibrene til 550 μm med kirurgisk saks.
- Bruk en 532nm Nd:YAG pulserende laser (5 mJ/puls, 5 ns varighet, 900 mW) for å kutte 50 μm av tuppen av fibrene for å re-eksponere karbonet under Parylen C (tar vanligvis 2-3 pulser).
- Juster fiberspissene ved hjelp av det innebygde stereoskopet som følger med dette lasersystemet.
MERK: Dette systemet lar brukeren justere et vindu (her ble 50 μm x 20 μm (høyde x bredde)) brukt til å omfatte enden av fiberen. - Fokuser stereoskopet på enden av fiberen ved 500x forstørrelse for et nøyaktig og presist kutt.
MERK: Parylen C vil lyse litt (<10 μm) fra spissen og etterlate en stump, sylindrisk spiss.
- Juster fiberspissene ved hjelp av det innebygde stereoskopet som følger med dette lasersystemet.
- Blowtorch Skarphet25,26,27
- Klipp fibrene til 300 μm med kirurgisk saks.
- Senk matrisen ned i en tallerken med deionisert vann, kontaktsiden ned og festet til bunnen av parabolen med en liten mengde kitt.
- Bruk et pennekamera til å justere fibrene etter overflaten av vannet slik at fibrene bare knapt berører overflaten av vannet.
- Juster en butanblåserflamme til 3-5 mm og kjør den over toppen av fibrene i en frem og tilbake bevegelse for å skjerpe fibrene.
MERK: Fiberspissene lyser oransje når flammen passerer over dem. - Fjern matrisen fra kittet og inspiser den under et stereoskop for spisse spisser under 50x forstørrelse.
MERK: Hvis spisse spisser blir observert, er det ikke nødvendig med ytterligere blowtorching. Hvis tipsene ser stumpe ut, gjentar du trinn 7.2.2-7.2.5.
- UV-laser kuttet28
MERK: UV-laseren kan bare brukes på null innsettingskraft (ZIF) og wideboard-design for tiden på grunn av at det store fokuspunktet til UV-laseren som brukes er større enn tonehøyden til Flex Array karbonfibre.- Klipp karbonfibrene til 1 mm med kirurgisk saks.
- Fest en UV-laser til tre ortogonalt konfigurerte motoriserte stadier.
MERK: UV-laseren er en multimodus Indium Gallium Nitride (InGaN) halvleder med 1,5 W utgangseffekt og 405 nm bølgelengde.- Sørg for at laseren har en kontinuerlig stråle for rask og effektiv justering og kutting.
- Sikre matrisen på plass for å holde et stille, jevnt plan av elektroder for laseren å passere over. Kontroller at matrisen holdes i riktig avstand fra laseren, slik at fibrene lyser med laserens fokuspunkt. For å gjøre dette, gi en lavere strøm til laseren og juster avstanden for best å fokusere på fiber28.
- Flytt UV-laserens fokuspunkt over fiberplanet med en hastighet på 25 μm / s for å kutte fibrene til ønsket lengde (her blir alle fibre kuttet til 500 μm).
MERK: Fibre vil avgi et sterkt lys før de kuttes. Oppbevar fibrene etter behandling til de er klare til å bli belagt med en ledende polymer.
8. Poly(3,4-etylendioksythiophene):p-toluensulfonat (PEDOT:pTS) ledende belegg for senket impedans
- Bland løsninger på 0,01 M 3,4-etylendioksythiophene og 0,1 M natriump-toluensulfonat i 50 ml DI-vann og rør over natten på en røreplate (~ 450 rpm) eller til ingen partikler kan observeres i løsningen.
MERK: Oppbevar oppløsningen i en lysbestandig beholder. Sett sammen oppløsningen etter blanding for å holde løsningen brukbar i opptil 30 dager. - Kjør en impedansskanning på 1 kHz med de samme parameterne som før (trinn 5.2-5.3) i 1x PBS. Legg merke til hvilke fibre som har en god tilkobling (<1 MΩ, vanligvis 14-16 av 16 fibre).
- Elektroplate med PEDOT:pTS for å redusere impedansen til elektrodene.
- Senk fiberspissene ned i PEDOT:pTS-oppløsningen.
- Følg trinnene som er lagt ut i trinn 5.2, og slå ut 1x PBS-løsningen for PEDOT:pTS og kortslutt alle tilkoblinger til kortet til den påførte strømkanalen.
- Påfør 600 pA per god fiber i 600 s ved hjelp av en potentiostat.
- Slå av cellen og la den hvile i 5 s på slutten av løpeturen.
- Fjern fibrene fra løsningen og skyll dem i DI-vann.
- Ta tilbake 1 kHz impedanser for å kontrollere at fibrene var belagt (bruk de samme parametrene som er oppført i trinn 5.2-5.3).
MERK: Gode fibre er utpekt som enhver fiber som har en impedans på mindre enn 110 kΩ.
9. Tilkobling av jordings- og referanseledninger
- Skrap forsiktig bort Parylen C fra bakken og referer via brettet ved hjelp av pinsett. Kort bakken og referere vias sammen i par på dette brettet design.
MERK: Jording og referanse vias finnes i nærheten av kontakten på Flex-rekken og er de fire små gullsirklene i nærheten av kontaktene. Brukere trenger bare å fjerne Parylene C fra vias nærmest karbonfibrene for målinger. - Klipp to 5 cm lengder av isolert sølvtråd med barberblad. Avkalk endene av ledningene 2-3 mm fra den ene enden som skal festes til Flex Array og ~10 mm fra motsatt ende for å muliggjøre enklere jording og referanse under operasjonen.
- Varm loddejernet tilbake til 600 °F. Påfør en liten mengde flux på vias.
- Sett en ledning (2-3 mm eksponert ende) inn i hver av ePhys vias på brettet. Påfør loddet på toppen av vias (figur 7A). La sonden avkjøles, og snu den deretter for å påføre en liten mengde lodding på baksiden av via (figur 7A).
- Bruk kirurgisk saks, klipp av enhver eksponert ledning som stikker ut av bak loddhaugen, da dette bidrar til å redusere støy sett i opptak (figur 7B).
- Plasser matrisene tilbake i oppbevaringsboksen, bøy ledningene tilbake og bort fra fiberen. Fest ledningene på klebebåndet for å forhindre potensielle fibertrådinteraksjoner (figur 7C).
10. Kirurgisk prosedyre
MERK: Rotte cortex ble brukt til å teste effekten av UV Laser-forberedte fibre som dette har blitt beskrevet tidligere7,20. Disse sondene vil fungere i nerve på grunn av deres lignende geometri og impedansnivåer til blowtorch forberedte fibre. Denne operasjonen ble utført med en overflod av forsiktighet for å validere at UV-laseren ikke endret responsen til elektrodene.
- Bedøv en voksen mann Long Evans rotte ved hjelp av en kombinasjon av ketamin (90 mg/kg) og xylazin (10 mg/kg). Bekreft anestesi med en tåklemmetest. Påfør salve på øynene for å forhindre at rottens øyne tørker ut under operasjonen.
- Lag en 2 mm x 2 mm kraniotomi over høyre halvkules motor cortex. Identifiser nedre venstre hjørne av kraniotomien ved å måle 1 mm fremre bregma og 1 mm lateral av midtlinjen.
- Monter matrisen i et stereotaxisk instrument, og null stereotaxic instrumentet på dura ved å senke fibrene forsiktig til de berører duraens overflate. Løft matrisen bort fra operasjonsstedet og flytt den til siden til den er klar til innsetting.
- Resect dura ved forsiktig å trekke en nål med en piggete ende over overflaten av vevet. Når en del av dura åpner seg for hjernen, bruk et par fine tang for å ytterligere hjelpe til med å trekke bort dura.
- Sett fibrene inn i kraniotomien og 1,2 mm inn i hjernen ved hjelp av et stereotaxisk instrument, og senk sakte for hånd.
- Registrer ePhys-data i 10 minutter med et ePhys-spesifikt hodesett og en forforsterker.
- Still inn preamplifier high-pass-filteret til å behandle signalet på 2,2 Hz, antialias ved 7,5 kHz og prøve ved 25 kHz.
MERK: For disse målingene registreres bare spontan aktivitet. Ingen stimulans påføres.
- Still inn preamplifier high-pass-filteret til å behandle signalet på 2,2 Hz, antialias ved 7,5 kHz og prøve ved 25 kHz.
- Eutanasi
- Plasser rotten under isofluran ved 5% under 1 l / min oksygen til tegn på liv har opphørt (20-30 min). Bekreft eutanasi med halshugging.
11. Spike sortering
- Bruk spike-sortering programvare for å sortere og analysere dataene ved hjelp av tidligere rapporterte metoder8.
- Bruk et høypassfilter på alle kanaler (250 Hz hjørne, fjerde orden Butterworth), og sett bølgeformdeteksjonsnivået til -3,5 × RMS-terskel.
- Bruk en gaussisk modell til å klynge og pigger med lignende egenskaper. Kombiner og gjennomsnittlige klynger på minst 10 bølgeformer som skal inkluderes i videre analyse.
- Fjern eller slett alle bølgeformer som ikke er topper fra datasettet.
- Eksporter data når alle kanaler er sortert og bruk analyseprogramvare for å plotte og analysere bølgeformene ytterligere.
12. Skanning elektron mikroskopisk (SEM) avbildning
MERK: Dette trinnet vil gjøre matriser ubrukelige og bør bare brukes til å inspisere tipsbehandlingsresultater for å kontrollere at matrisene behandles riktig. Dette trinnet trenger ikke å gjøres for å bygge en vellykket matrise. Oppsummert nedenfor er en generell oversikt over SEM-prosessen; Brukere som ikke tidligere har brukt SEM, bør imidlertid få hjelp av en opplært bruker.
- Klipp av den fiberede enden av PCB og monter den på en karbonbåndmaskert SEM-stubbe. Plasser matrisene på en liten plattform med stablet karbonbånd (4-5 lag) for å forhindre at karbonfibrene fester seg til SEM-stubben.
- Sputter-coat rekkene med gull (100-300 Å) etter prosedyrer skissert av produsenten av gull sputter coater.
- For å inspisere tipsbehandlingseffektene, bilde matrisene i en SEM i en arbeidsavstand på 15 mm og 20 kV strålestyrke.
MERK: Rekker kan avbildes uten sputterbelegg under lavt vakuum, som vist i figur 8D for UV-laserskårne fibre. For dette oppsettet anbefales det å ha en arbeidsavstand på 11-12 mm og en 4 kV strålestyrke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tipsvalidering: SEM-bilder
Tidligere arbeid20 viste at sakseskjæring resulterte i upålitelige impedanser da Parylene C brettet seg over innspillingsstedet. Sakseskjæring brukes her bare til å kutte fibre til ønsket lengde før behandling med en ekstra ferdig skjæremetode. SEM-bilder av spissene ble brukt til å bestemme eksponert karbonlengde og spissgeometri (figur 8).
Saks og Nd:YAG laserkuttede fibre ble tidligere gjennomgått17,20. Saksekuttede fibre (figur 8A) har inkonsekvente spissgeometrier, med Parylen C som brettes over enden når den kuttes20. Nd:YAG laserkuttede fibre forblir konsistente i innspillingsområdeområdet, formen og impedansen (figur 8B). Blowtorched fibre20 fører til den største elektrodestørrelsen og formvariabiliteten og en skjerpet spiss, noe som gjør det mulig å sette inn i tøft vev. I gjennomsnitt ble 140 μm karbon eksponert på nytt, med et jevnt overgangsområde mellom karbon- og parylen C-isolasjonen (figur 8C). UV-laserkuttede fibre lignet på blåsefibre, som viste 120 μm karbon eksponert fra spissen (figur 8D). Impedanser indikerte at enten UV-laseren eller blowtorch-spissskjæringsmetodene er egnet for ePhys og er levedyktige løsninger for laboratorier uten tilgang til en Nd: YAG-laser.
Tipsvalidering: elektrisk opptak
Figur 9 viser de resulterende impedansene fra hver tilberedningsmetode ved hjelp av Flex Arrays. De resulterende verdiene er innenfor et passende område for ePhys-opptak. Nd:YAG laserkuttede fibre resulterte i det minste overflatearealet, men de høyeste impedansene, selv med PEDOT:pTS-belegget (bart karbon: 4138 ± 110 kΩ; med PEDOT:pTS: 27 ± 1,15 kΩ; n = 262). Dette etterfølges av det omvendte forholdet i blowtorched (bare karbon: 308 ± 7 kΩ; med PEDOT:pTS: 16 ± 0,81 kΩ; n = 262) og UV-laserkutt (bar karbon: 468 ± 85,7 kΩ; med PEDOT:pTS: 27 ± 2,83 kΩ; n = 7) fibre som har et stort overflateareal og lave impedanser. Men i alle tilfeller faller PEDOT: pTS-belagte fibre under 110 kΩ-terskelen som tidligere er satt for å indikere en god, lav impedanselektrode.
Akutte ePhys-opptak ble tatt fra en Long Evans-rotte som er akutt implantert med et ZIF-array med UV-laserkuttede og PEDOT:pTS-behandlede fibre for å demonstrere levedyktigheten til denne metoden. ePhys har tidligere blitt testet og bevist med saksekuttet20 og Nd:YAG-17 og blowtorchbehandlede fibre7,8 og ble derfor ikke revalidert i denne teksten. Akutte opptak fra fire UV-laserbehandlingsfibre (2 mm lange) som samtidig ble implantert i rottemotor cortex (n = 1) presenteres i figur 10. Tre enheter ble funnet på tvers av alle fibre, noe som tyder på at behandlingen av fibrene med den billige UV-laseren ligner på andre skjæremetoder som gjør det mulig for karbonfiberen å registrere nevrale enheter, som forventet av SEMs og impedanser. Mens karbonfiberkjeder enkelt bygges og modifiseres etter brukerens behov, bør det bemerkes at ytterligere validering er nødvendig for noen bygg (tabell 3), mens andre er mindre egnet for visse sluttoppgaver.
Kommersiell parylen C
Kommersielt belagte arrays ble fastslått å ha en Parylene C-tykkelse på 710 nm av leverandøren, godt innenfor målområdet for isolasjon. Arrayene ble forberedt for ePhys-opptak ved hjelp av blowtorch-spissforberedelsene. Impedanser ble tatt etter utarbeidelsen av tipsene og sammenlignet med eksisterende data. En blowtorched og PEDOT: pTS-belagt sonde hadde i gjennomsnitt 14,5 ± 1,3 kΩ impedans over 16 fibre. SEM-bilder ble tatt av spissen og skaftet for å sammenligne Parylene C-avsetning (henholdsvis figur 11 A,B). Disse resultatene viser at bruken av en kommersiell leverandør ikke endret de forventede impedansverdiene, noe som tyder på at dette vil være en like levedyktig erstatning til avsetning i universitetets renrom.
Kostnadsanalyse for enhet
Forutsatt at alle verktøy og bulkmaterialer (f.eks. epoksier, loddemidler) er tilgjengelige for forskeren, en Parylene C-egenandel på $ 41 og en batch på 8 sonder, er den totale materialkostnaden $ 1168 ($ 146 per sonde). Personellinnsats (tabell 4) er ~25 timer for partiet. Hvis du bruker et erstattet fabrikasjonstrinn, vil kostnaden for sondene variere basert på kommersiell Parylene C-beleggkostnad ($ 500-800 sitert). Tiden for byggetrinnene (tabell 4) er gruppert for alle forekomster av en gjentatt oppgave for enkelhets skyld. Byggetidene for design med større tonehøyde (Wide Board og ZIF) reduseres dramatisk ettersom de manuelt intensive trinnene (f.eks. plassering av karbonfiber) er enklere og raskere å fullføre.
Figur 1: Kontakter og tilhørende kretskort. (A) Bredt bord med en av seksten nødvendige kontakter i innfelt (innfelt skalastang = 5 mm). (B) ZIF og en av to kontakter og ett likkled. (C) Flex Array med en 36-pinners kontakt; skala bar = 1 cm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Loddings- og isolasjonstrinn for Flex Array. (A) Legge loddet for de nederste kontaktpinnene. (B) Bakre pinner festet med de fremre pinnene klare for lodding. (C) Forsinket sett epoksy isolert Flex Array; Vær oppmerksom på at den forsinkede epoksyen ikke dekker referansen og bakken via på hver side. (D) Baksiden av Flex Array med et bånd med forsinket sett epoksy over puten vias (ikke bakken og referansen vias) og viklet rundt siden av brettet mot kanten av kontakten. Skalastang = 0,5 cm (B) og 1 cm (A, C, D). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Påføring av sølv-epoksy og justering av karbonfibre mellom sporene til Flex Array. Kapillærer har blitt fremhevet med et hvitt overlegg. (A) Enden av kapillæren passer mellom sporene for å få (B) ren sølv epoksy (betegnet med piler på slutten av kapillæren og innenfor sporene) avsetning uten utslipp utenfor sporparene. (C) Karbonfibre plasseres i epoksyet og deretter (D) rettes med en ren kapillær. Skalastenger = 500 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Isolasjon med UV Epoxy Application (A) UV-epoksy påføres med en ren kapillær og to dråper UV-epoksy (merket med hvite overlegg). UV-epoksy påføres i dråper med en diameter på 0,25-0,75 mm til UV-epoksyet danner en jevn boble over toppen av sporene. (B) UV-epoksy herdes under UV-lys. Flex Array er plassert i kitt på en treblokk for enkel bevegelse og justering under UV-lyset. UV-lyset holdes med en holder ~1 cm over enden av Flex Array. Innfelt (B) viser sideprofilen til en riktig UV epoksyisolert Flex Array. UV-epoksyboblen på hver side av brettet er omtrent 50 μm i høyden. Skalastenger = 500 μm (A og innfelt B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Oppsett for impedansmålinger. Alle deler er merket, og systemkontakter og adaptere er systemavhengige. PBS har hovedrollen ettersom løsningen byttes mot PEDOT:pTS senere i byggingen; Oppsettet er imidlertid identisk ellers. Forkortelser: PBS = fosfatbufret saltvann; PEDOT:pTS = poly(3,4-etylendioksythiophene):p-toluensulfonat. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Flex Array klargjort for Parylen C-belegg. Flex Array er festet til en hevet skumplattform med tape, klebende side opp under beleggprosessen. Skalastang =10 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Jordings- og referanseledninger festet til den ferdigstilte Flex Array. Loddet ble brukt på hver side av via på hver side av brettet (A) for å skape en sikker obligasjon. ePhys vias er merket på brettet som GND og Ref og paret på motsatte sider av brettet fra hverandre. Det er to ekstra vias også merket GND og Ref2. Begge GND vias er forkortet sammen. Ref2 er ment å brukes i elektrokjemiske eksperimenter. Overflødig ledning i (A) er betegnet med en rød boks og fjernes (B) fra baksiden av sonden (rød boks viser hvor ledningen pleide å være) for å hjelpe til med støyreduksjon og håndtering av sonden. (C) Endelig Flex Array lagret for fremtidig bruk. Vær oppmerksom på at de sammenkoblede GND - og Ref-viaene på dette kortet gjør det utpekt for ePhys-opptak. Skalastenger = 200 μm (A, B). Forkortelser: ePhys = elektrofysiologi; GND = bakken; Ref = referanse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: SEM-bilder av fibre med ulike spisse skjæreteknikker. (A) Saksekuttet fiber med svært lite eksponert karbon. (B) Nd:YAG laserskjæring. (C) Blowtorched fiber med ~140 mm karbon eksponert fra spissen. (D) UV laserkuttede fibre med ~120 mm karbon eksponert fra spissen. Røde piler angir overgangsområdet mellom Parylen C og bar karbonfiber. Skalastenger = 5 μm (A), 10 μm (B), 50 μm (C, D). Forkortelser: SEM = skanning elektron mikroskopisk; Nd:YAG = Neodymium-doped yttrium aluminium granat. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Impedansforskjeller mellom bare å påføre behandlingen (kun karbon eksponert) og ved tilsetning av PEDOT:pTS. I alle tilfeller reduserer tillegg av PEDOT:pTS impedansen med en størrelsesorden. Prøvestørrelse: Nd:YAG = 262, Blowtorch = 262, UV = 7. UV-prøvestørrelsesforskjell skyldes nyheten om forberedelsesmetoden; Det viser imidlertid et lignende område som blowtorch, som forventet. Impedansdata uttrykkes som gjennomsnittlig ± standardfeil. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-etylendioksythiophene):p-toluensulfonat; Neodymium-doped yttrium aluminium granat. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Akutte elektrofysiologiske spikingsdata fra fire UV-laserskårne elektroder. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 11: Kommersielle Parylen C-belagte rekker. (A) Den skjerpede matrisen viser jevn sliping på tvers av alle fibre som indikerer at det ikke er noen ulemper med kommersielt belegg. (B) Etter blowtorching viser overgangen (rød boks) mellom bar karbonfiber og parylen C ingen merkbar forskjell mellom matriser belagt i et renromsanlegg. Skalastenger = 200 μm (A) og 10 μm (B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| PCB-navn | Kobling | Loddepute størrelse (mm) | Eksponert sporingsstørrelse (mm) | Sporavstand (μm) | Kanaler | |
| Bredt brett | Mill-Max 9976-0-00-15-00-00-03-0 | 3,25 x 1,6 | 1,5 x 4,0 | 3000 | 8 | |
| ZIF | Hirose DF30FC-20DS-0,4V, | 0,23 x 0,7 | 0,75 x 0,07 | 152.4 | 16 | |
| Fleksi-matrise | Omnetics A79024-001 | 0,4 x 0,8 | 0,6 x 0,033 | 132 | 16 | |
Tabell 1: Hver PCB har en annen kontakt og tonehøyde knyttet til seg. Forkortelse: PCB = kretskort.
| Bygg trinn | Forventet 1 kHz impedans (kΩ) |
| Bare Fiber | 150-300 |
| Bar fiber med UV-isolasjon | 400-500 |
| Parylen C isolerte fibre | > 50 000 |
| Nd: YAG laser kutt | < 15 000 |
| Blowtorched | 300-400 |
| UV-laserskjæring* | 300-500 |
| PEDOT:pTS bestrøket | <110 |
Tabell 2: Typisk hindringsområde etter hvert byggetrinn (n = 272). *n = 16. PEDOT:pTS-behandlede sonder over 110 kΩ kan fortsatt registrere signaler; Imidlertid faller alle behandlede elektroder vanligvis under denne verdien. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-etylendioksythiophene):p-toluensulfonat; Neodymium-doped yttrium aluminium granat.
| Forberedelsesmetode | Bredt brett | ZIF | Fleksi-matrise |
| Nd:YAG | Impedans, SEM, akutte ePhys | Impedans, SEM, akutt/kronisk ePhys | Impedans, SEM, akutt/kronisk ePhys |
| Blowtorch | Impedans, SEM, akutte ePhys | Impedans, SEM, akutt/kronisk ePhys | Impedans, SEM, akutt/kronisk ePhys |
| UV-laser | Ikke validert ennå | Impedans, SEM, akutt/kronisk ePhys | Kan ikke brukes |
Tabell 3: Validert bruk av hvert kort med de beskrevne skjæremetodene. Alle skjæremetoder inkluderte elektrodeposisjon av PEDOT:pTS. "Ikke levedyktig" indikerer at en formfaktor for designet forhindrer at denne tipsbehandlingen testes på dette tidspunktet (dvs. fiberhøyde). Forkortelser: Neodymium-doped yttrium aluminium granat; SEM = skanning elektronmikroskopi; ePhys = elektrofysiologi; ZIF = null innsettingskraft.
| Aktivitet | Tid for 8 enheter (h) |
| All lodding | 5 |
| Isolerende omnetikk | 1 |
| Fylle karbonfibre | 10 |
| Isolerende spor med UV-epoksy | 0.5 |
| Parylen C-avsetning | 1.5 |
| Nd: YAG laserskjæring | 1 |
| Blowtorching | 1 |
| UV-laserskjæring | 1.5 |
| All impedanstesting | 4.5 |
| PEDOT:pTS-avsetning | 1.5 |
| Oppskrift brukt | Totalt antall timer |
| Nd: YAG laser kutt | 25 |
| Blowtorch | 25 |
| UV-laserskjæring | 25.5 |
Tabell 4: Tid som kreves for hvert trinn i en fabrikasjonsprosess. Lodding av kontakten og jordings- og referanseledninger er kombinert her for å forenkle aktivitetslisten. Forkortelser: PEDOT:pTS = poly(3,4-etylendioksythiophene):p-toluensulfonat; Neodymium-doped yttrium aluminium granat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Materialerstatninger
Selv om alle materialene som brukes er oppsummert i materialfortegnelsen, kreves svært få av materialene for å komme fra bestemte leverandører. Flex Array-kortet må komme fra den børsnoterte leverandøren, da de er det eneste selskapet som kan skrive ut det fleksible kortet. Flex Array-kontakten må også bestilles fra leverandøren som er oppført, da det er en proprietær kontakt. Parylen C anbefales på det sterkeste som isolasjonsmateriale for fibrene, da det gir et konformt belegg ved romtemperatur på en pålitelig måte som deretter tåler in vivo-miljøet . Polyimidplaten og epoksyene på brettet tåler ikke de høye temperaturene som kreves for andre isolasjonsteknikker. Alt annet materiale kan kjøpes fra andre leverandører eller byttes ut for alternativer etter brukernes skjønn. Denne builden er ment å være fleksibel og tilpassbar for å passe til sluttbrukerens eksperiment. Det skal imidlertid bemerkes at eventuelle endringer fra materialene eller leverandørene som er oppført, må valideres av sluttbrukeren.
Feilsøke byggeproblemer
Sølv epoksyavsetning har en tendens til å mislykkes av flere grunner: bredden på kapillæren er for bred til å passe mellom spor, bredden på kapillæren er for tynn til å plukke opp og avsette epoksy, eller et overskudd av epoksy er på kapillæren. De to første problemene kan løses ved å kutte en ny kapillær av en mer passende størrelse; sistnevnte ved å dyppe kapillæren i epoksyet med en lettere hånd eller fjerne en del av epoksybloben ved å forsiktig dabbe kapillæren på en ekstra nitrilhanske.
Å bestemme hvordan du skal forberede elektroden er ofte en vanskelig beslutning for mange brukere. Å bestemme hva som trengs for eksperimentet vil imidlertid bidra til å belyse beslutningen. For akutte operasjoner kan stumpe spisser brukes hvis stedets størrelse på elektroden er viktig; Imidlertid vil de bare sette inn i mykere vev (hjerne) og bare ved sub-500 μm måldybder.
Å gå inn i dypere hjernestrukturer er mulig ved hjelp av en glasskanyle22; Dette kan imidlertid føre til arrdannelse og tilhørende upålitelighet i ePhys-opptak. Fibrene må være mindre enn 300 μm når de slipes for å kunne trenge inn i hardere vev (nerve) da den kortere lengden gir en stivere ryggrad for innsetting7,8. Skjerpede fibre har også nylig blitt observert for å trenge inn i 1 mm dybder i hjernen8.
Mens matrisene som er diskutert i denne artikkelen er et utmerket utgangspunkt for mange laboratorier, er nyere sonder ved hjelp av karbonfibre også utviklet for å kronisk målrette dypere områder i hjernen21,22,29. I nerve er elektroder med lav invasivitet og høy selektivitet et pågående forskningstema5,8,30. Jiman et al.7 var i stand til å oppdage flerenhetsaktivitet i nerven med minimal invasivitet og økt selektivitet ved hjelp av et karbonfiber silikon array8, som speiler utformingen av Flex Array presentert her.
Tilgjengelighet i Parylen C
Parylen C er en metode for konformt belegg ved romtemperatur som har blitt brukt som en biokompatibel isolator i mange implanterte enheter. Teknikken krever et spesialisert verktøy i et rent rom og tar omtrent en time å lære. En kortfattet undersøkelse av institusjoner som tidligere har bedt om karbonfiberkjeder fra gruppen vår, ble gjennomført for å fastslå Tilgjengelighet av parylen C-avsetning. Vi fant ut at av 17 institutter hadde 41% tilgang til Parylene C-beleggsystemer på deres campus. For universiteter uten tilgang til et Parylene C-beleggsystem er kommersielle beleggtjenester et levedyktig alternativ, som vist her. Alternativt kan outsourcing til et nærliggende universitetsrengjøringsrom også være av interesse for laboratorier uten direkte tilgang til et Parylene C-avsetningssystem. For å redusere kostnadene per enhet, anbefaler vi at du sender ut større grupper med matriser, da kommersielle systemer ofte kan imøtekomme større prøver.
Optimalisere tipsforberedelser
Ytterligere tipspreparater må undersøkes for disse fibrene, da de nåværende tipspreparatene krever at sluttbrukeren velger mellom gjennomtrengende evne og et lite opptakssted. Mens Nd:YAG laserkuttede fibre gir et lite sted størrelse20, er evnen til å trenge inn i stivere vev (muskel, nerve) nesten ikke-eksisterende, og tilgang til et laseroppsett som er i stand til denne skjæreteknikken kan være vanskelig og dyrt. Mens blowtorching gir en rask og økonomisk måte å få skjerpede tips som kan trenge inn i mange vev7, er spissgeometrien stor og kan være inkonsekvent fra fiber til fiber20. UV-laserskjæring gir også lave impedanser og store overflateområder, men med den ekstra fordelen av mer konsistent eksponering. UV-laseren er mer tilgjengelig enn Nd:YAG-laseren; Laboratorier må imidlertid konstruere en måte å justere laseren med fibre og ikke kunne bruke Flex Array på grunn av at fiberhøyden er mindre enn laserens fokuspunktdiameter. Tidligere arbeid viste fabrikasjon av små, skjerpede fibre via etsning31,32. Denne tilnærmingen kan resultere i en liten, pålitelig elektrodegeometri og bevare den skjerpede spissen som er nødvendig for å trenge inn i nerve og muskler.
Vårt nåværende spissbelegg, PEDOT:pTS, må kanskje også byttes ut, da det har en tendens til å forringes over tid, noe som er et uønsket trekk for en kronisk sonde17,25,33. Mangel på PEDOT:pTS-levetid fører til høyere impedanser og dermed lavere signalkvalitet, delvis på grunn av økt bakgrunnsstøy. For å øke levetiden i disse fiberspissene, utføres undersøkelse av muligheten for platina-iridiumbelegg. Platinum-iridium ville tillate et større overflateareal25,34 konsentrert på elektrodens spiss, og holde en lav impedans34,35,36 og tillate lengre, kronisk stabilitet34,36. Andre belegg, som PEDOT/grafenoksid37 og gull38, har blitt brukt til å senke karbonfiberelektrodeimpedanser, selv om disse beleggene vanligvis brukes til kjemisk sensing sonder i stedet for for ePhys-opptak. På grunn av de iboende egenskapene til karbonfibre39, kan karbonfibermatrisen som presenteres her, konverteres fra en sonde optimalisert for ePhys til en kjemisk sensorenhet med en enkel endring av spissforberedelse22,40.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansielt støttet av National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 og UF1NS115817) og National Science Foundation (1707316). Forfatterne anerkjenner økonomisk støtte fra University of Michigan College of Engineering og teknisk støtte fra Michigan Center for Materials Characterization og Van Vlack Undergraduate Laboratory. Forfatterne takker Dr. Khalil Najafi for bruken av hans Nd:YAG laser og Lurie Nanofabrication Facility for bruk av deres Parylene C avsetningsmaskin. Vi vil også takke Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) for deres hjelp i den kommersielle sammenligningsstudien for belegg.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
References
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. Horch, K., Kipke, D. , World Scientific. 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Neural cuff. Ardiem Medical. , Available from: http://www.ardiemmedical.com/neural-cuff/ (2021).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro. , Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021).
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 - Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , Woodhead Publishing. 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
