Методическая статья

Сосредоточенная литография Ионного Луча для наноархитектур etch в микроэлектроды

6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60004

⸱

19 января 2020 г.

 ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 2Veteran Affairs Ann Arbor Healthcare System, 3Department of Neurology, School of Medicine, University of Michigan, 4Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 5Michigan Center for Materials Characterization, University of Michigan, 6Carl Zeiss SMT, Inc.

В этой статье

Краткое содержание

Мы показали, что травление наноархитектуры в внутрикортикальные микроэлектродные устройства могут уменьшить воспалительные реакции и имеет потенциал для улучшения электрофизиологических записей. Описанные в нем методы намечают подход к наноархитектуре на поверхности нефункциональных и функциональных однохвостового кремния интракортикальных микроэлектродов.

Аннотация

Благодаря достижениям в области электроники и технологии изготовления интракортикальные микроэлектроды претерпели значительные улучшения, позволяющие производство сложных микроэлектродов с большим разрешением и расширенными возможностями. Прогресс в технологии изготовления поддерживает развитие биомиметических электродов, которые направлены на бесшовную интеграцию в мозг паренхимы, уменьшить нейровоспалительный ответ наблюдается после вставки электрода и улучшить качество и долговечность электрофизиологических записей. Здесь мы описываем протокол использования биомиметического подхода, недавно классифицированного как нано-архитектура. Использование сфокусированной литографии ионного луча (FIB) было использовано в этом протоколе для вытравливать специфические особенности наноархитектуры на поверхности нефункциональных и функциональных однохвостовных интракортикальных микроэлектродов. Выгравирование наноархитектур в поверхность электрода указывает на возможные улучшения биосовместимости и функциональности имплантированного устройства. Одним из преимуществ использования FIB является возможность травления на изготовленных устройствах, в отличие от во время изготовления устройства, облегчая безграничные возможности для изменения многочисленных медицинских устройств после производства. Представленный в настоящем году протокол может быть оптимизирован для различных типов материалов, функций наноархитектуры и типов устройств. Увеличение поверхности имплантированных медицинских устройств может улучшить производительность устройства и интеграцию в ткани.

Введение

Интракортикальные микроэлектроды (IME) являются инвазивными электродами, которые обеспечивают средство прямого столкновения между внешними устройствами и нейронными популяциями внутри коры головного мозга1,2. Эта технология является бесценным инструментом для записи нейронных потенциалов действия для улучшения способности ученых исследовать функции нейронов, заранее понимание неврологических заболеваний и развивать потенциальные методы лечения. Интракортикальный микроэлектрод, используемый как часть систем Brain Machine Interface (ИМТ), позволяет записывать потенциалы действия от отдельных или небольших групп нейронов для обнаружения моторных намерений, которые могут быть использованы для производства функциональных выходов3. В самом деле, ИМТ системы успешно используются для протезирования и терапевтических целей, таких как приобретенные сенсорного управления ритмом для работы компьютерного курсора у пациентов с амиотрофическим боковой склероз (ALS)4 и спинного мозгатравмы 5 и восстановления движения у людей, страдающих от хронической тетраплегии6.

К сожалению, IMEs часто не в состоянии записывать последовательно с течением времени из-за нескольких режимов отказа, которые включают механические, биологические и материальные факторы7,8. Нейровоспалительный ответ, происходящий после имплантации электрода, считается значительной проблемой, способствующей отказу электрода9,10,11,12,13,14. Нейровоспалительный ответ инициируется во время первоначальной вставки IME, который отделяет гематоэнцефалический барьер, повреждает местный мозг паренхимы и нарушает глиальные и нейронные сети15,16. Эта острая реакция характеризуется активацией глиальных клеток (микроглии/макрофагов и астроцитов), которые высвобождают провоспалительные и нейротоксические молекулы вокруг имплантата17,18,19,20. Хроническая активация глиальных клеток приводит к реакции инородного тела, характеризующейся образованием глиального шрама, изолируя электрод из здоровой ткани мозга7,9,12,13,17,21,22. В конечном счете, препятствуя способности электрода записывать нейронные потенциалы действия, из-за физического барьера между электродом и нейронами и дегенерации и смерти нейронов23,24,25.

Ранний отказ интракортикальных микроэлектродов привел к значительным исследованиям в области разработки электродов следующего поколения, с акцентом на биомиметические стратегии26,27,28,29,30. Особый интерес представляет описанный здесь протокол, который является использование наноархитектуры как класса биомиметических изменений поверхности для IMEs31. Установлено, что поверхности, имитирующие архитектуру естественной среды in vivo, имеют улучшенную биосовместимую реакцию32,33,34,35,36. Таким образом, гипотеза убедительных этот протокол является то, что разрыв между грубой архитектуры ткани мозга и гладкой архитектуры интракортикальных микроэлектродов может способствовать нейровоспалительных и хронических инородных реакции организма на имплантированные IMEs (для полного обзора относятся к Ким и др.31). Мы уже показали, что использование нано-архитектуры функции похожи на внеклеточной архитектуры матрицы мозга уменьшает астроцитов воспалительных маркеров из клеток, культивированных на нано-архитектурной субстраты, по сравнению с плоскими поверхностями управления в обоих в пробирке и ex vivo модели нейровоспаления37,38. Кроме того, мы показали применение сфокусированной ионной луча (FIB) литографии для вытравливания наноархитектур непосредственно на кремниевых зондов привело к значительному увеличению жизнеспособности нейронов и более низкой экспрессии провоспалительных генов у животных, имплантированных с нано-архитектурными зондами по сравнению с гладкой контрольной группой26. Таким образом, цель протокола, представленного здесь, заключается в описании использования литографии FIB для вытравливать наноархитектуры на изготовленных внутрикортикальных микроэлектродных устройствах. Этот протокол был разработан для вытравливание нано-архитектуры размера функций в кремниевых поверхностей внутрикортикальных микроэлектродов хвостовики с использованием автоматизированных и ручных процессов. Эти методы являются несложными, воспроизводимыми и, безусловно, могут быть оптимизированы для различных материалов устройства и желаемых размеров функций.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Сделайте следующие шаги во время ношения надлежащего личного защитного оборудования, таких как лабораторное пальто и перчатки.

1. Монтаж нефункциональный кремний зонд для фокусированной ионной балки (FIB) Литография

ПРИМЕЧАНИЕ: Для полной процедуры, описывающей изготовление SOI с 1000 зондов, пожалуйста, обратитесь к Ereifej и др.39.

  1. Изолировать полосу из 2-3 кремниевых зондов из кремния на изоляторе (SOI) пластины, содержащие 1000 зондов. Не делайте полоски, содержащие более трех кремниевых зондов. Это может увеличить шансы на свободное монтаж и может привести к несогласованности в результате FIB etch неправильно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Полосы / зонды не твердо сидит на алюминиевой заглушки может вызвать два осложнения: 1) когда этап движется к работе на следующем разделе, не будет вибраций и фрезерования не будет точной, пока зонд оседает и 2) это может вызвать высокие изменения и быть вне фокуса плоскости.
    1. Во время ношения перчаток, используйте тонкие щипцы, чтобы оказать давление вокруг зондов, чтобы разорвать небольшой раздел, содержащий от двух до трех зондов.
  2. Тщательно очистите кремниевый зонд от всей пыли и мусора до офорта FIB. Подготовьте 6 скважинполистировочная пластина путем пайпетирования 3 мл/колодца 95% этанола в три скважины.
    1. Тщательно подобрать вырезать полосу кремниевых зондов с помощью тонкой кончик или вакуумные щипцы и поместить его в ячейку ситечко. Поместите только одну полосу кремниевых зондов на ситечко, чтобы предотвратить нарушение зондов. Поместите ситечко, содержащий кремниевые зонды полосы в первый колодец, содержащий 95% этанола для очистки. Держите ситечко в первом колодце в течение 5 минут.
    2. Переместите ситечко, содержащее кремниевые зонды из первого колодца, и поместите его во второй колодец, содержащий 95% этанола еще на 5 мин. Повторите еще раз в третьем колодце.
    3. Поместите ситечко, содержащий очищенные кремниевые зонды, на политетрафтороэтиленную пластину, чтобы высушить воздух. Сделайте этот шаг в стерильных капюшон, чтобы избежать загрязнения от пыли.
  3. Поместите высушенную на воздухе полосу кремниевых зондов в герметичный контейнер для транспортировки в SEM-FIB. Оберните ситечко, содержащее высушенные на воздухе образцы, пластиковой или алюминиевой фольгой для транспортировки и/или хранения для поддержания очистки.
  4. Используйте тонкие наконечником или вакуумные щипцы, чтобы тщательно подобрать чистую полосу кремниевых зондов и поместить их на чистую алюминиевую заглушку (используется для SEM-FIB изображения / травления), чтобы подготовиться к монтажу.
  5. Используйте зубочистку (или другой тонкий наконечником инструмент, как тонкий электрический провод), чтобы поместить крошечную каплю (10 л) серебряной краски на краю кремниевого субстрата, окружающего зонды. Закрепите полосу вниз, распространяя серебряную краску по бокам кремниевого субстрата, окружающего зонд. Разрешить серебряную краску, чтобы полностью высохнуть перед размещением алюминиевой заглушки в SEM-FIB.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте осторожны, чтобы не получить серебряную краску на хвостовик электрода, потому что это часть, которая будет травления. Если полоса зондов не надежно закреплена на алюминиевой заглушке, полоса может перемещаться во время обработки или иметь другой фокусный план, что приводит к неправильному фрезерному фрезерования СО FIB. Несколько полос кремния зонды могут быть установлены на той же алюминиевой заглушки, убедившись, что есть достаточно места между полосами, чтобы для удаления из заглушки после травления. Это позволит более эффективно офорт нескольких зондов с помощью автоматизированной функции, описанной ниже.

2. Приведение FIB к силиконовым зондам

  1. Нажмите на кнопку вентиляции в вкладке управления лучом, чтобы выпустить камеру. Пресс Shift-F3 для выполнения домашней сцены. Подтвердите выбор, выбрав кнопку Home Stage в всплывающем окне.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Запуск домашней стадии операции является превентивным шагом для обеспечения стадии оси читаются правильно программного обеспечения и микроскоп находится в хорошем состоянии.
  2. После завершения домашней стадии переместите сцену в координаты X - 70 мм, Y - 70 мм, 0 мм, Т - 0, R - 0. После того, как камера вентилируемые, наденьте чистые нитриловые перчатки и открыть дверь камеры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от приложения предыдущего пользователя, может потребоваться изменить адаптер стадии. Стандартные адаптеры этапа (например, тип FEI) можно извлечь путем unscrewing центральный bolt против часовой стрелки и установлены путем завинчивания по часовой стрелке в пластину вращения этапа.
  3. Вставьте алюминиевую заглушку, держащую зонды в верхней части адаптера сцены. Закрепите алюминиевую заглушку, затягивая сет-винт на боковой части адаптера. Используйте 1,5-мм гекс-гаечный ключ для этой задачи.
  4. Отрегулируйте высоту адаптера этапа, повернув адаптер по часовой стрелке, чтобы снизить его или против часовой стрелки, чтобы поднять его. Закрепите адаптер стадии к пластине вращения путем поворачивать запирая гайку конуса по часовой стрелке до тех пор пока гайка не будет безопасна против плиты вращения этапа. Держите адаптер сцены с другой стороны, чтобы предотвратить вращение адаптера и образцов, затягивая замок конусгайца.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте предусмотренный датчик высоты для определения соответствующей высоты. Верхняя часть алюминиевой заглушки должна быть такой же высоты, как и максимальная линия, показанная на датчике высоты. Над затягивать гайку конуса может причинить повреждение к этапу и адаптеру. Только использовать достаточно силы для обеспечения образцов.
  5. Приобретите изображение навигационной камеры. Осторожно раскачивайте руку навигационной камеры, пока она не остановится. Стадия микроскопа автоматически переходит в положение под камерой. Смотреть живое изображение, отображаемые в квадранте 3 пользовательского интерфейса микроскопа (UI).
    1. Как только уровень яркости авто подстраивается под соответствующий уровень, приобретите изображение, нажав кнопку вниз на кронштейн камеры. Не забудьте дождаться завершения полного приобретения изображения, что указываетна символом паузы, появляющимся в квадранте 3, и освещением выключения камеры. Это занимает около 10 с. Качели руку камеры обратно в закрытое положение. Этап вернется в исходное положение.
  6. Аккуратно закройте дверь камеры микроскопа. Смотреть CCD изображение камеры в квадранте 4, закрывая дверь. Убедитесь, что образцы и этап находятся на безопасном расстоянии от любого важного компонента в камере микроскопа.
  7. Выберите стрелку вниз рядом с кнопкой насоса в вкладке управления лучом. Выберите насос с кнопкой очистки образца в программном обеспечении UI для запуска камерного вакуумного насоса и встроенного в плазменный очиститель. Убедитесь, что дверь запечатана, осторожно нажав на лицо двери в то время как насос работает. Подождите около 8 минут для накачки времени и плазменного цикла очистки для микроскопа камеры будет завершена.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Вакуумное уплотнение может быть подтверждено, аккуратно потянув на дверь камеры, которая должна оставаться закрытой, если система находится в вакууме.
  8. Как только значок в правом нижнем углу uI позеленеет, нажмите кнопку Wake-Up в вкладке управления лучом, которая включает электронные и ионные лучи. Выберите квадрант 1 и установите луч сигнала на электронный луч (если не установлен о том, что уже установлен), установите квадрант 2 на ионный луч (если уже не установлен).
    1. Установите напряжение SEM до 5 кВ, установите ток луча SEM до 0,20 nA, установите детектор SEM на ETD, установите режим детектора на вторичный электрон. Установите напряжение FIB до 30 кВ, установите пучок FIB до 24 pA, установите детектор FIB на детектор ICE, установите режим детектора на вторичный электрон.
  9. Дважды нажмите на кремниевый зонд в изображении навигационной камеры, квадрант 3, чтобы переместить сцену в приблизительное расположение зонда. Нажмите на квадрант 1, чтобы выбрать его в качестве активного квадранта и нажмите кнопку паузы, чтобы начать сканирование SEM. Установите время сканирования до 300 нс и выключите скан-переплетение, интеграцию строки усреднение кадра. Установите сканирование вращения до 0 в вкладке управления лучом и правой кнопкой мыши на пучка сдвиг 2d регулятор и выберите ноль.
  10. Отрегулируйте увеличение до минимального значения, повернув ручку увеличения против часовой стрелки на панели MUI. Отрегулируйте яркость и контрастность изображения, используя ручки на панели MUI или значок панели инструментов Auto Contrast Brightness.
  11. Переместите сцену либо двойным левым нажатием мыши на функцию, чтобы центрировать его, или нажав вниз колесо мыши и активации режима мыши джойстика. Переместите нужный кремниевый зонд для узорчатого в центр изображения SEM.
  12. Найдите край или другие объекты, такие как частица пыли или царапина. Увеличьте увеличение до 2000x, повернув ручку увеличения по часовой стрелке. Отрегулируйте фокус SEM путем поворачивать грубые и тонкие ручки фокуса на MUI до тех пор пока изображение не будет в фокусе. После того, как изображение находится в фокусе, выберите образец ссылки на кнопку рабочего расстояния в панели инструментов.
  13. Подтвердите, что операция была завершена, посмотрев на координатку оси в вкладке навигации. Значение должно быть примерно 11 мм. Введите 4,0 мм в положении оси и нажмите кнопку Go To с помощью мыши или нажмите ключ входа на клавиатуре и этап будет двигаться на 4 мм рабочего расстояния.
  14. Переместите сцену в X и Y, чтобы найти плечо кремниевого зонда. Расположите его как можно ближе к центру SEM. Измените наклон стадии до 52 ", введя в "52" в T координат и удара введите. Обратите внимание на то, будет ли плечо зонда двигаться вверх или вниз на изображении. Используйте ползунок Stage, чтобы вернуть плечо зонда к центру изображения SEM. Только отрегулируйте положение , не двигайте оси X, Y, T или R.
  15. Запустите встроенную в"xT выровнять функцию"команда, расположенная в стадии, упускайте меню. Используйте мышь, чтобы нажать на две точки параллельно краю зонда. Убедитесь, что горизонтальная кнопка радио выбрана в всплывающем окне и нажмите отделку. Этап будет вращаться, чтобы привести зонд в соответствие с оси X сцены. Отрегулируйте сцену в X, Y с помощью мыши, чтобы положить нижнее плечо зонда в центре изображения SEM снова.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Первая точка должна быть к захвату зонда, а вторая точка должна быть к точке зонда.
  16. Выберите FIB в квадранте 2 и убедитесь, что луч ток по-прежнему 24 pA. Установите увеличение до 5000x и время пребывания до 100 нс. Введите Ctrl-F на клавиатуре, чтобы установить фокус FIB до 13,0 мм. В вкладке управления лучом, правой кнопкой мыши в стигматор 2d регулятор и выбрать ноль, а также, правый клик в Beam Shift 2d регулятор и выберите ноль. Установите вращение сканирования на 0 градусов и нажмите кнопку автоматической контрастности яркости в панели инструментов.
  17. Ищите изображение зонда плечо в квадранте 2. Используйте инструмент моментального снимка для получения изображения с помощью FIB. Подтвердите, что плечо зонда находится в центре изображения FIB, если нет, дважды щелкните по плечу зонда, чтобы переместить его в центр. Переместите сцену влево, нажав левый ключ стрелки на клавиатуре примерно 10-15 раз. Сделать еще один снимок и посмотреть, находится ли сторона зонда в центре FIB.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если нет, то вращение этапа должно быть слегка скорректировано. Если зонд находится над центром изображения, этап должен вращаться в отрицательном направлении. Если зонд находится ниже центра, этап должен вращаться по часовой стрелке. Введите относительное компуцентрическое вращение от 0,01 до 0,2 градуса в зависимости от того, какой путь необходим для выравнивания зонда.
  18. Повторите шаги от 2,16 до 2,17 столько раз, сколько необходимо, пока край плеча зонда не будет идеально выровнен с осью X сцены (край остается в центре FIB при движении влево).
  19. Используя FIB, переместите сцену обратно в нижнее плечо зонда. Сохранить положение сцены в списке позиций, нажав кнопку Добавить. Измените ток луча FIB до 2,5 nA и убедитесь, что увеличение FIB по-прежнему 5000x. Запустите функцию автоматического контрастности яркости и установите время пребывания FIB до 100 нс.
  20. Нажмите кнопку паузы, чтобы начать сканирование. Отрегулируйте фокус FIB и астигматизм, как быстро и точно как по возможности, используя грубые и точные ручки фокусировки, и ручки стигмы X и Y на панели MUI. Нажмите кнопку паузы, чтобы остановить сканирование FIB.

3. Написание автоматизированного процесса для вытравления

  1. Запустите программное обеспечение, разместив его в меню запуска Windows (нат., Наисот-программы/FEI Компания-Приложения-Nanobuilder). Расположите окно программного обеспечения на боковом мониторе, чтобы uI не был прикрыт. Откройте файл для узора кремниевых зондов, нажав файл, а затем открыть. Направьте браузер Windows к расположению программного сценария(Дополнительный файл 1 - название файла "Case_Western_2000_micron_Final_11H47M_runtime.jbj").
  2. В рамках программного обеспечения выберите меню выпадения микроскопа и выберите происхождение этапа. В рамках программного обеспечения выберите меню выпадения микроскопа, а затем выберите детекторы калибровки.
  3. На микроскопе uI, нажмите в квадроцикле 1 один раз с помощью мыши, чтобы выбрать квадроцикл 1. Игнорировать другие инструкции, указанные в всплывающем окне, они не являются необходимыми для этого проекта. Нажмите OK, чтобы начать калибровку. Процесс займет около 5 минут. Убедитесь, что ETD и ICE детекторы калибруйте. Это нормально, если какие-либо другие детекторы имеют сбои калибровки.
  4. В программном обеспечении выберите меню выпадения микроскопа и выберите Выполнение, чтобы начать последовательность шаблонов. Когда шаблон будет завершен, закройте программное обеспечение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение возьмет на себя quad 3 и 4 для шаблонирования и выравнивания функций. Для запуска скрипта потребуется около 12 ч. Пока скрипт работает, не изменяйте ни одного параметра на микроскопе.
  5. Хит "Vent" в микроскоп UI луч управления вкладке, чтобы закрыть микроскоп лучей и начать цикл вентиляции. В то время как камера вентиляции, переместить сцену к координатам X - 70 мм, Y - 70 мм, 0 мм, Т 0, R . После того, как камера вентилируемые, надеть чистые нитриловые перчатки и вытащить дверь камеры.
  6. Освободите сет-винт на адаптере заглушки, используя гаечный ключ 1,5 мм. Удалите алюминиевую заглушку, содержащую узорчатый зонд, из камеры. Аккуратно закройте дверь камеры микроскопа. Смотреть CCD изображение камеры в квадранте 4, закрывая дверь. Убедитесь, что адаптер сцены находится на безопасном расстоянии от любого важного компонента в камере микроскопа.
  7. Выберите стрелку вниз рядом с кнопкой насоса в вкладке управления лучом. Выберите кнопку насоса, чтобы запустить камерный вакуумный насос. Убедитесь, что дверь запечатана, осторожно нажав на лицо двери в то время как насос работает.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Вакуумное уплотнение может быть подтверждено, аккуратно потянув на дверь камеры, которая должна оставаться закрытой, если система находится в вакууме. Время накачки составит около 5 мин. Только одна сторона зонда может быть выгравирована в течение одного запуска.
  8. Если передняя и задняя сторона зонда требует травления, то осторожно удалите выгравированную полоску кремниевых зондов после проверки окончательного etch и визуализации передней стороны (если изображения необходимы). Растворите серебряную краску с ацетоном, осторожно dabbing / щеткой ацетон на серебряной краской. Аккуратно поверните полосу вокруг на заднюю, повторно смонтировать, выровнять и etch следующие шаги, описанные выше.

4. Проверка окончательного Etch и изображений

  1. После того, как фрезерование завершено проверить единообразие различных разделов с помощью SEM изображений при более высоком увеличении.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изображение под наклонным углом позволяет лучше оценить изменение глубины фрезерования. Особое внимание следует уть регионам перехода между мукомольной локациями.
  2. Изображение образцов снова после фрезерования с оптическим микроскопом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Периодические фрезерованные линии приводят к эффекту преломления, порождающим различные цвета в зависимости от угла изображения. Если цвет не является непрерывным вместе с зондом, что является четким указанием на нарушение в фрезерованных линий.

5. Монтаж функционального кремниевого зонда для офорта FIB

  1. Аккуратно удалите функциональный кремниевый электрод из упаковки. Используйте щипцдляние тщательно поднять пластиковую защитную вкладку, закрывающую главную сцену. Начните поднимать один угол вкладки вверх от липкого клея, удерживая его на месте, и продолжайте поднимать, пока весь электрод не будет удален.
  2. Тщательно зажимая электрод гемостатами, чтобы подготовиться к монтажу в стереотаксической раме. Удерживая покрытую вкладку щипками, аккуратно поместите изогнутые гемостаты вокруг зеленого вала над силиконовым хвостовиком, с изогнутой частью гемостатов, обращенных вверх к вкладке. гемостаты.
  3. Аккуратно снимите пластиковую защитную вкладку, закрывающую главную сцену. Удерживая электрод с гемосатами, тщательно закрепите электрод в стереотаксической раме для очистки.
  4. Заполните 3 блюда Петри с 95% этанола (10 мл на чашку Петри). Поместите чашку Петри под электрод, который крепится в стереотаксической раме для очистки. Медленно опустите электрод, повернув микроманипулятор вниз (100 мкм/с), чтобы хвостовик погружался в 95% этанола.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте осторожны, чтобы не превратить микроманипулятор слишком быстро или слишком глубоко, это может привести к электроду сломаться (т.е. электрод не должен касаться чашки Петри).
  5. Оставьте хвостовик электрода в 95% этанола в течение 5 минут, а затем медленно поднять электрод из 95% этанола, повернув микроманипулятор вверх (100 мкм /с). Повторите этот шаг еще два раза, в общей сложности три стирания. Дайте электроду высохнуть в течение пяти минут.
  6. Используйте ту же технику для установки электрода в стереотаксической раме, чтобы удалить электрод из стереотаксической рамы. Аккуратно поместите гемостаты вокруг вала электрода. После того, как гемостаты сжаты плотно, отпустите электрод из стереотаксической рамы, верните пластиковую защитную вкладку, закрывающую главную сцену, и положите очищенный электрод обратно в упаковку.

6. Офорт функциональный кремний зонд с использованием FIB

  1. Установите очищенный функциональный электрод кремния на алюминиевый стенд. Аккуратно подберите очищенный функциональный кремний электрод с помощью щипц и снимите защитную вкладку со сцены головы. Поместите хвостовик электрода на алюминиевую заглушку, чтобы он не висел над любым краем, затем с помощью небольшого куска Cu или углеродной проводящих ленты, приколоть хедстейш надежно алюминиевой заглушки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, низкопрофильный держатель клипа может быть использован для удержания электрода вниз. Будьте осторожны, чтобы не коснуться электрода хвостовик.
  2. Следуя описанным выше шагам (раздел 2), поставьте электрод на эвцентрическую высоту и убедитесь, что электрод находится в точке совпадения лучей SEM и FIB. Выровнять хвостовик с "X" направление сцены.
  3. Установите FIB на оптимальный ток для фрезерования требуемой наноархитектуры и убедитесь, что фокус и стигматизация должным образом исправлены. Подготовьте массив линий с желаемым интервалом и длиной, чтобы покрыть поле зрения хвостовика (500 мкм секций). Отрегулируйте длину линии по мере того как травление получает вниз хвостовик к более тонким разделам.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При траве функционального электрода, это не возможно добавить фидуциальные знаки для автоматизации процесса. Таким образом, перемещение между подразделами (500 мкм) осуществляется вручную.
  4. После того, как фрезерование первой секции завершено, убедитесь, что проверить качество фрезерования, прежде чем перейти к следующему разделу. Повторите шаг 6.3, чтобы вытравить следующую секцию хвостовика. Выровнять измельченные линии из предыдущего раздела с шаблонами, используемыми для следующего раздела, чтобы предотвратить большие зазоры между пробегами.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

FIB выгравированная наноархитектура на поверхностях однострочных интракортикальных зондов
Используя описанные здесь методы, интракортикальные зонды были выгравированы с конкретными нано-архитектурами после установленных протоколов39. Размеры и форма нано-архитектуры дизайн, описанный в этих методах были реализованы из предыдущих результатов in vitro, изображающих снижение активности глиальных клеток, когда культивируется с нано-архитектуры дизайн описан здесь3...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В описанном здесь протоколе изготовления используется сфокусированная литография ионного луча для эффективного и воспроизводимого наноархитектуры на поверхности нефункциональных и функциональных микроэлектродов кремния хвостовика. Сфокусированная ионная лучевая (FIB) литография позволяет селективной абляции поверхности субстрата с помощью мелко сфокусированного ионного луча50,51. FIB является прямой записи техники, которые могут производить различные функции с ра...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Это исследование было поддержано Департаментом США по делам ветеранов реабилитации исследований и развития Службы наград: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) и #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Содержание не отражает мнения Министерства США по делам ветеранов или правительства Соединенных Штатов. Авторы хотели бы поблагодарить FEI Co. (теперь часть Thermofisher Scientific) за помощь персонала и использование приборов, которые помогли в разработке сценариев, используемых в этом исследовании.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
16-канальный ZIF-Clip HeadstageTucker Davis TechnologiesZC16Возможно, потребуется заменить голову и держатель для сцены, в зависимости от используемого электрода. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
>1 метр кабель, ВСЕ подпружиненные ThomasScientific1213F04Любой необработанной чашки Петри будет достаточно. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture
32-канальный держатель ZIF-Clip HeadstageTucker Davis TechnologiesZ-ROD32В зависимости от используемого электрода может потребоваться замена подножки и держателя подножки. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html
Ацетон, разбавитель/очиститель, 30млTed Pella16023https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
Baby-Mixter HemostatFine Science Tools13013-14Достаточно любого изогнутого гемостата. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat
Углеродная проводящая лента, двойное покрытиеTed Pella16084-7В протоколе предлагалось три варианта крепления функционального электрода к алюминиевой заглушке (медная или углеродная проводящая лента или низкопрофильный зажим). В нашем исследовании мы использовали углеродную проводящую ленту. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htmCorning
Costar Not Treatment Multiple Well Plates - 6 SigmaAldrichCLS3736-100EAЛюбая необработанная 6-луночная пластина будет достаточно. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/
Dumont #5 Тонкие щипцыFine Science Tools11251-30Достаточно либо этого тонкого щипца, либо вакуумного насоса. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/ Dumont-5-Щипцы/11251-30
Этанол, 190 proof (95%), USP, Decon LabsFisher Scientific22-032-600Достаточно любого 95% этанола. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600
Falcon Cell StrainerFisher Scientific08-771-1https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711
FEI, Tescan, Zeiss (также для Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), алюминий, рифленая кромка, и Oslash; 32 ммTed Pella16148В зависимости от используемого станка SEM, вам может понадобиться заглушка другого размера. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180
Fisherbrand Алюминиевая фольга, стандартный рулонFisher Scientific01-213-101Достаточно будет любой алюминиевой фольги. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250
Fisherbrand Низко- и высокая форма для испарения ПТФЭFisher Scientific02-617-149Достаточно любой тефлоновой пластины, которая используется для сушки щупов после мытья на поверхности, к которой они не прилипнут. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552
Кремниевый функциональный электрод в мичиганском стилеNeuroNexusA1x16-3mm-100-177http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/
Модель 1772 Универсальный держательKOPFМодель 1772Других стереотаксических рамок и аксессуаров будет достаточно. http://kopfinstruments.com/ product/model-1772-universal-holder/
Модель 900-U Стереотаксический инструмент для мелких животныхKOPFМодель 900-UДругих стереотаксических рамок и аксессуаров будет достаточно. http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/
Модель 960 Электродный манипулятор с AP Slide AssemblyKOPFModel 960Другие стереотаксические рамки и аксессуары будут достаточными. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/
Парапленка M 10см x 76,2м (4" x 250')Тед Пелла807-5https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htmPELCO
Vacuum Pick-Up System, 220VTed Pella520-1-220Достаточно либо этого вакуумного насоса, либо тонких щипцов. http:// www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520
PELCO Проводящая серебряная краскаTed Pella16062https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062
SEM FIB FEI Helios 650 NanolabThermo Fisher ScientificHelios G2 650Это специфический сфокусированный ионный пучок и сканирующий электронный микроскоп, используемый в протоколе. Программное обеспечение Nanobuilder — это то, с чем оно поставляется. Если используется другой FIB-инструмент, он может быть не полностью совместим с протоколом, особенно с этапами, требующими программного обеспечения Nanobuilder. https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/

Ссылки

  1. Salcman, M., Bak, M. J. A new chronic recording intracortical microelectrode. Medical and Biological Engineering. 14 (1), 42-50 (1976).
  2. Im, C., Seo, J. -M. A review of electrodes for the electrical brain signal recording. Biomedical Engineering Letters. 6 (3), 104-112 (2016).
  3. Donoghue, J. Bridging the Brain to the World: A Perspective on Neural Interface Systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  4. Gilja, V., et al. Clinical translation of a high-performance neural prosthesis. Nature medicine. 21 (10), 1142-1145 (2015).
  5. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (51), 17849-17854 (2004).
  6. Ajiboye, A. B., et al. Restoration of reaching and grasping in a person with tetraplegia through brain-controlled muscle stimulation: a proof-of-concept demonstration. Lancet. 389 (10081), 1821-1830 (2017).
  7. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
  8. Barrese, J. C., et al. Failure mode analysis of silicon-based intracortical microelectrode arrays in non-human primates. Journal of Neural Engineering. 10 (6), 066014(2013).
  9. McConnell, G. C., et al. Implanted neural electrodes cause chronic, local inflammation that is correlated with local neurodegeneration. Journal of Neural Engineering. 6 (5), 056003(2009).
  10. Potter, K. A., Buck, A. C., Self, W. K., Capadona, J. R. Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses. Journal of Neural Engineering. 9 (4), 046020(2012).
  11. Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  12. Kozai, T. D., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies. ACS Chemical Neurosciences. 6 (1), 48-67 (2015).
  13. Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications. Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001(2015).
  14. Michelson, N. J., et al. Multi-scale, multi-modal analysis uncovers complex relationship at the brain tissue-implant neural interface: new emphasis on the biological interface. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 033001(2018).
  15. Saxena, T., et al. The impact of chronic blood-brain barrier breach on intracortical electrode function. Biomaterials. 34 (20), 4703-4713 (2013).
  16. Potter, K. A., et al. The effect of resveratrol on neurodegeneration and blood brain barrier stability surrounding intracortical microelectrodes. Biomaterials. 34, 7001-7015 (2013).
  17. Ravikumar, M., et al. The Roles of Blood-derived Macrophages and Resident Microglia in the Neuroinflammatory Response to Implanted Intracortical Microelectrodes. Biomaterials. 0142 (35), 8049-8064 (2014).
  18. Hermann, J., Capadona, J. Understanding the Role of Innate Immunity in the Response to Intracortical Microelectrodes. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 46 (4), 341-367 (2018).
  19. Ereifej, E. S., et al. Implantation of Intracortical Microelectrodes Elicits Oxidative Stress. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. , https://doi.org/10.3389/fbioe.2018.00009 (2018).
  20. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  21. Nguyen, J. K., et al. Influence of resveratrol release on the tissue response to mechanically adaptive cortical implants. Acta Biomaterialia. 29, 81-93 (2016).
  22. Salatino, J. W., Ludwig, K. A., Kozai, T. D., Purcell, E. K. Glial responses to implanted electrodes in the brain. Nature Biomedical Engineering. 1 (11), 862(2017).
  23. Block, M. L., Zecca, L., Hong, J. -S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms. Nature Reviews Neuroscience. 8 (1), 57-69 (2007).
  24. Biran, R., Martin, D., Tresco, P. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
  25. Liu, X., et al. Stability of the interface between neural tissue and chronically implanted intracortical microelectrodes. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 7 (3), 315-326 (1999).
  26. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. , (2017).
  27. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).
  28. Wei, X., et al. Nanofabricated Ultraflexible Electrode Arrays for High-Density Intracortical Recording. Advanced Science. , 1700625(2018).
  29. Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002(2016).
  30. Chen, R., Canales, A., Anikeeva, P. Neural recording and modulation technologies. Nature Reviews Materials. 2 (2), 16093(2017).
  31. Kim, Y., et al. Nano-Architectural Approaches for Improved Intracortical Interface Technologies. Frontiers in Neuroscience. 12, (2018).
  32. Millet, L. J., Bora, A., Sweedler, J. V., Gillette, M. U. Direct cellular peptidomics of supraoptic magnocellular and hippocampal neurons in low-density co-cultures. ACS Chemical Neurosciences. 1 (1), 36-48 (2010).
  33. Ding, H., Millet, L. J., Gillette, M. U., Popescu, G. Actin-driven cell dynamics probed by Fourier transform light scattering. Biomedical Optical Express. 1 (1), 260-267 (2010).
  34. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
  35. Curtis, A. S., et al. Cells react to nanoscale order and symmetry in their surroundings. IEEE Trans Nanobioscience. 3 (1), 61-65 (2004).
  36. Zervantonakis, I. K., Kothapalli, C. R., Chung, S., Sudo, R., Kamm, R. D. Microfluidic devices for studying heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments. Biomicrofluidics. 5 (1), 13406(2011).
  37. Ereifej, E. S., et al. Nanopatterning effects on astrocyte reactivity. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 101 (6), 1743-1757 (2013).
  38. Ereifej, E. S., Cheng, M. M. -C., Mao, G., VandeVord, P. J. Examining the inflammatory response to nanopatterned polydimethylsiloxane using organotypic brain slice methods. Journal of Neuroscience Methods. 217 (1-2), 17-25 (2013).
  39. Ereifej, E. S., et al. The Neuroinflammatory Response to Nanopatterning Parallel Grooves into the Surface Structure of Intracortical Microelectrodes. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1704420(2018).
  40. Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature Neuroscience. 7 (5), 446-451 (2004).
  41. Mullen, R. J., Buck, C. R., Smith, A. M. NeuN, a neuronal specific nuclear protein in vertebrates. Development. 116 (1), 201-211 (1992).
  42. Rennaker, R. L., Miller, J., Tang, H., Wilson, D. A. Minocycline increases quality and longevity of chronic neural recordings. Journal of Neural Engineering. 4 (2), 1-5 (2007).
  43. Sladek, Z., Rysanek, D. Expression of macrophage CD14 receptor in the course of experimental inflammatory responses induced by lipopolysaccharide and muramyl dipeptide. Veterinarni Medicina. 53 (7), 347-357 (2008).
  44. Janova, H., et al. CD14 is a key organizer of microglial responses to CNS infection and injury. Glia. , (2015).
  45. Ziegler-Heitbrock, H. W. L., Ulevitch, R. J. CD14: Cell surface receptor and differentiation marker. Immunology Today. 14 (3), 121-125 (1993).
  46. Lowenstein, C. J., Padalko, E. iNOS (NOS2) at a glance. Journal of Cell Science. 117 (14), 2865-2867 (2004).
  47. Aktan, F. iNOS-mediated nitric oxide production and its regulation. Life Sciences. 75 (6), 639-653 (2004).
  48. Kozai, T. D., et al. Comprehensive chronic laminar single-unit, multi-unit, and local field potential recording performance with planar single shank electrode arrays. Journal of Neurosciences Methods. 242, 15-40 (2015).
  49. Kozai, T. D., et al. Mechanical failure modes of chronically implanted planar silicon-based neural probes for laminar recording. Biomaterials. 37, 25-39 (2015).
  50. Raffa, V., Vittorio, O., Pensabene, V., Menciassi, A., Dario, P. FIB-nanostructured surfaces and investigation of bio/nonbio interactions at the nanoscale. IEEE Transactions on Nanobioscience. 7 (1), 1-10 (2008).
  51. Lehrer, C., Frey, L., Petersen, S., Ryssel, H. Limitations of focused ion beam nanomachining. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 19 (6), 2533-2538 (2001).
  52. Watkins, R., Rockett, P., Thoms, S., Clampitt, R., Syms, R. Focused ion beam milling. Vacuum. 36 (11-12), 961-967 (1986).
  53. Veerman, J., Otter, A., Kuipers, L., Van Hulst, N. High definition aperture probes for near-field optical microscopy fabricated by focused ion beam milling. Applied Physics Letters. 72 (24), 3115-3117 (1998).
  54. Lanyon, Y. H., Arrigan, D. W. Recessed nanoband electrodes fabricated by focused ion beam milling. Sensors and Actuators B: Chemical. 121 (1), 341-347 (2007).
  55. Menard, L. D., Ramsey, J. M. Fabrication of sub-5 nm nanochannels in insulating substrates using focused ion beam milling. Nano Letters. 11 (2), 512-517 (2010).
  56. Ziberi, B., Cornejo, M., Frost, F., Rauschenbach, B. Highly ordered nanopatterns on Ge and Si surfaces by ion beam sputtering. Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (22), 224003(2009).
  57. Reyntjens, S., Puers, R. A review of focused ion beam applications in microsystem technology. Journal of Micromechanics and Microengineering. 11 (4), 287(2001).
  58. Heyderman, L., David, C., Kläui, M., Vaz, C., Bland, J. Nanoscale ferromagnetic rings fabricated by electron-beam lithography. Journal of Applied Physics. 93 (12), 10011-10013 (2003).
  59. Baquedano, E., Martinez, R. V., Llorens, J. M., Postigo, P. A. Fabrication of Silicon Nanobelts and Nanopillars by Soft Lithography for Hydrophobic and Hydrophilic Photonic Surfaces. Nanomaterials. 7 (5), 109(2017).
  60. Eom, H., et al. Nanotextured polymer substrate for flexible and mechanically robust metal electrodes by nanoimprint lithography. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (45), 25171-25179 (2015).
  61. Li, K., Morton, K., Veres, T., Cui, B. 5.11 Nanoimprint Lithography and Its Application in Tissue Engineering and Biosensing. Comprehensive Biotechnology. , 125-139 (2011).
  62. Dong, B., Zhong, D., Chi, L., Fuchs, H. Patterning of conducting polymers based on a random copolymer strategy: Toward the facile fabrication of nanosensors exclusively based on polymers. Advanced Materials. 17 (22), 2736-2741 (2005).
  63. Dalby, M. J., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. The response of fibroblasts to hexagonal nanotopography fabricated by electron beam lithography. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 84 (4), 973-979 (2008).
  64. Tseng, A. A., Chen, K., Chen, C. D., Ma, K. J. Electron beam lithography in nanoscale fabrication: recent development. IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing. 26 (2), 141-149 (2003).
  65. Yang, Y., Leong, K. W. Nanoscale surfacing for regenerative medicine. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (5), 478-495 (2010).
  66. Vermeij, T., Plancher, E., Tasan, C. Preventing damage and redeposition during focused ion beam milling: The "umbrella" method. Ultramicroscopy. 186, 35-41 (2018).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи