Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление Ti3C2 MXene микроэлектродных массивов для In Vivo нейронной записи

13.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60741

⸱

12 февраля 2020 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Bioengineering, University of Pennsylvania, 2Center for Neuroengineering and Therapeutics, University of Pennsylvania, 3Corporal Michael J. Crescenz Veterans Affairs Medical Center, 4Department of Materials Science and Engineering, Drexel University, 5A.J. Drexel Nanomaterials Institute, Drexel University, 6Department of Neurosurgery, University of Pennsylvania, 7Department of Neurology, University of Pennsylvania, 8Department of Physical Medicine and Rehabilitation

В этой статье

Краткое содержание

Мы описываем здесь метод изготовления микроэлектродных массивов Ti3C2 MXene и их использование для нейронной записи in vivo.

Аннотация

Имплантируемые микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики в микромасштабе, чтобы получить более глубокое понимание нейронных основ болезней и травм головного мозга. Поскольку электроды миниатюризированы до масштаба отдельных ячеек, соответствующее повышение интерфейса препятствует качеству записанных сигналов. Кроме того, обычные электродные материалы являются жесткими, что приводит к значительному механическому несоответствию между электродом и окружающими тканями мозга, что вызывает воспалительный ответ, который в конечном итоге приводит к ухудшению производительности устройства. Для решения этих проблем мы разработали процесс изготовления гибких микроэлектродов на основе Ti3C2 MXene, недавно обнаруженного наноматериала, обладающий удивительно высокой объемной емкой, электрической проводимостью, функциональностью поверхности и обрабатываемостью в водных дисперсиях. Гибкие массивы микроэлектродов Ti3C2 MXene имеют удивительно низкий уровень импедеданности из-за высокой проводимости и высокой специфической площади поверхности пленок Ti3C2 MXene, и они оказались изысканно чувствительными для записи нейронной активности. В этом протоколе мы описываем новый метод микропаттернирования Ti3C2 MXene в микроэлектродные массивы на гибких полимерных субстратах и описываем их использование для микроэлектрокортической записи in vivo. Этот метод может быть легко расширен для создания электродных массивов MXene произвольного размера или геометрии для целого ряда других применений в биоэлектронике, и он также может быть адаптирован для использования с другими проводящими чернилами, кроме Ti3C2 MXene. Этот протокол позволяет простои и масштабируемое изготовление микроэлектродов из раствора на основе проводящих чернил, и, в частности, позволяет использовать уникальные свойства гидрофильных Ti3C2 MXene для преодоления многих барьеров, которые уже давно препятствуют широкому внедрению углеродных наноматериалов для высокоточных нейронных микроэлектродов.

Введение

Понимание фундаментальных механизмов, лежащих в основе нейронных цепей, и как их динамика изменяется в болезни или травмы, является критической целью для разработки эффективных терапевтических препаратов для широкого спектра неврологических и нервно-мышечных расстройств. Микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики на тонких пространственных и временных масштабах. Однако получение стабильных записей с высоким соотношением сигнала к шуму (SNR) от микромасштабных электродов оказалось особенно сложным. По мере уменьшения размеров электродов для приближения к клеточной шкале, соответствующее повышение электродного импеданса ухудшает качество сигнала1. Кроме того, многочисленные исследования показали, что жесткие электроды, состоящие из обычных кремния и металлических электронных материалов, производят значительные повреждения и воспаление в нервной ткани, что ограничивает их полезность длядолгосрочной записи2,3,4. Учитывая эти факты, наблюдается значительный интерес к разработке микроэлектродов с новыми материалами, которые могут уменьшить электрод-ткани интерфейса импеданса и могут быть включены в мягкие и гибкие форм-факторы.

Один из широко используемых методов для уменьшения электронно-ткани интерфейса импеданса увеличивает область, над которой ионные виды в внеклеточной жидкости могут взаимодействовать с электродом, или "эффективной поверхности" электрода. Это может быть достигнуто путем нанопаттернирования6,поверхности roughening7, или электроплиты с пористыми добавками8,9. Наноматериалы получили значительное внимание в этой области, потому что они предлагают внутренне высокие конкретные области поверхности и уникальные комбинации благоприятных электрических и механических свойств10. Например, углеродные нанотрубки были использованы в качестве покрытия, чтобы значительно уменьшить электрод impedance11,12,13, оксид графена был обработан в мягкий, гибкий автономный зонд электродов14, и лазерно-пиролиозный порной графен был использован для гибкой, низкой безупречности микро-электрокортики (микро-ECoG) электродов15. Несмотря на их обещание, отсутствие масштабируемых методов сборки ограничило широкое внедрение наноматериалов для нейронных комплаенов. Углеродные наноматериалы, в частности, как правило, гидрофобные, и, таким образом, требуют использования сурфактантов16, суперкислот17,или поверхности функционализации18 для формирования водных дисперций для обработки растворов методы изготовления, в то время как альтернативные методы изготовления, такие как химическое осаждение пара (ССЗ), как правило, требуют высоких температур, которые несовместимы со многими полимерными субстратами19,21 ,21 ,21 ,22.

Недавно был описан класс двухмерных (2D) наноматериалов, известный как MXenes, который предлагает исключительное сочетание высокой проводимости, гибкости, объемной емости и присущей гидрофилии, что делает их перспективным классом наноматериалов для нейронных межэлектрических электродов23. MXenes - это семейство 2D-переходных металлических карбидов и нитридов, которые чаще всего производятся путем выборочного травления элемента из многослойных прекурсоров. Это, как правило, фазы MAX с общей формулой Mn'1AXn, где M является ранним переходным металлом, A представляет собой элемент группы 12–16 периодической таблицы, X — углерод и/или азот, и n No 1, 2 или 324. Двухмерные хлопья MXene имеют поверхностно-прекращающиефункциональные группы, которые могут включать гидроксил (ЗОХ), кислород (ЗО) или фтор (КФ). Эти функциональные группы делают MXenes по своей сути гидрофильной и позволяют гибкой модификации поверхности или функционализации. Из большого класса MXenes, Ti3C2 был наиболее широко изучен и характеризуется25,26,27. Ti3C2 показывает удивительно более высокий объемем емкостя (1500 F/cm3)28, чем активированный графен (No 60-100 F/cm3)29, карбид-производные углерода (180 F/cm3)30, и графеновые геляные пленки (260 F/cm3)31. Кроме того, Ti3C2 показывает чрезвычайно высокую электронную проводимость (10 000 S/cm)32, и ее биосовместимость была продемонстрирована в нескольких исследованиях33,34,35,36. Высокая объемная емость ti3C2 пленок является выгодным для биологического зондирования и стимуляции приложений, потому что электроды, которые демонстрируют емкостный перенос заряда может избежать потенциально вредных реакций гидролиза.

Наша группа недавно продемонстрировала гибкие, тонкопленочные микроэлектродные массивы Ti3C2, подготовленные с использованием методов обработки растворов, которые способны фиксировать как микроэлектрокортику (микро-ЭкоГ), так и интракортикальную нейрональную активность в vivo с высоким SNR36. Эти электроды MXene показали значительно уменьшенную импедас по сравнению с размером подобранных золотых (Au) электродов, которые могут быть отнесены к высокой проводимости MXene и высокой площади поверхности электродов. В этом протоколе мы описываем ключевые шаги для изготовления планарных микроэлектродных массивов Ti3C2 MXene на гибких подстратах парилена-С и использования их in vivo для внутриоперационной записи микро-ECoG. Этот метод использует гидрофильный характер MXene, что делает возможным использование методов обработки решений, которые являются простыми и масштабируемыми, не требуя использования сурфактантов или суперкислот для достижения стабильной ваковой суспензии. Такая простота процессуальности может позволить экономически эффективное производство биосенсоров MXene в промышленных масштабах, что является одним из основных ограничений для широкого внедрения устройств на основе других углеродных наноматериалов. Ключевое новшество в изготовлении электрода заключается в использовании жертвенного полимерного слоя для микропатнелата MXene после спин-покрытия, метода, адаптированного из литературы по обработанным раствором поли (3,4-этиленедиокситофен) :poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) микроэлектродов37, но которые ранее не были описаны для M. Исключительные электрические свойства Ti3C2, в сочетании с его обрабатываемостью и 2D морфология делают его очень перспективным материалом для нейронных интерфейсов. В частности, Ti3C2 предлагает путь к преодолению фундаментального компромисса между геометрической областью электрода и электронно-химическим интерфейсом импеданса, основным ограничивающим фактором для микро-масштабной работы электрода. Кроме того, процедура изготовления, описанная в этом протоколе, может быть адаптирована для производства электродных массивов MXene различных размеров и геометрий для различных парадигм записи, а также может быть легко адаптирована для включения других проводящих чернил, кроме MXene.

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

Протокол

Все процедуры in vivo соответствовали Руководству Национальных институтов здравоохранения (NIH) по уходу и использованию лабораторных животных и были одобрены Институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC) Пенсильванского университета.

1. Синтез Ti3C2 MXene

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедуры реакции, описанные в этом разделе, предназначены для использования внутри химического дыма капот. Стиральные шаги, включенные в эту процедуру, предназначены для использования со сбалансированными центрифугами труб. Все производимые отходы считаются опасными отходами и должны быть выброшены надлежащим образом в соответствии с руководящими принципами университета.

ВНИМАНИЕ: Гидрофторная кислота (HF) является чрезвычайно опасной, высоко коррозионной кислотой. Проконсультируйтесь с листами данных о безопасности материалов (MSDS) для химических веществ, используемых для синтеза MXenes перед использованием и реализации и соблюдайте соответствующие меры безопасности. Соответствующее индивидуальное защитное оборудование (PPE) для обработки HF включает в себя лабораторное пальто, кислотостойкий фартук, обувь с близкопри тяжкой, длинные брюки, очки, полный щит лица, нитриловые перчатки и устойчивые перчатки HF из бутиловой резины или неопреновой резины.

  1. Синтез фазы MAX
    1. Синтезировать Ti3AlC2 шаром фрезерования TiC (2 мкм), Ti (44 мкм) порошков на молярное соотношение (TiC: Ti:Al) 2:1:1 для 18 ч с использованием шаров zirconia. Поместите порошки в глиноземный тигель, нагрейте до 1380 градусов по Цельсию (скорость нагрева 5 градусов по Цельсию) и удерживайте 2 ч под аргоном. После того, как порошки были охлаждены, мельница блока MAX и сито через 200 сетсовый сито (злт;74 мкм размер частицы).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предшественник фазы Ti3AlC2 MAX, используемый для синтеза MXenes, оказывает прямое влияние на полученные свойства Ti3C2 MXene38. Ti3C2, используемый для изготовления нейронных электродов, был выборочно выгравирован из MAX, подготовленного после предыдущей процедуры26.
  2. Офорт: Удаление слоя Al в Ti3AlC2 в кислой etchant раствор(рисунок 1A)
    1. Подготовьте селективный раствор травления в пластиковом контейнере объемом 125 мл, предварительно добавив 12 мл деионизированной воды (DI H2O), а затем подополните 24 мл соляной кислоты (HCl). Носящ все соотвествующее HF травление PPE, добавьте 4 mL HF к контейнеру etchant. Выполните селективное травление, медленно добавляя 2 г Ti3AlC2 MAX фазы в контейнер реакции и перемешивания с тефлоновой магнитной планкой для 24 ч при 35 градусах По Цельсию при 400 об/мин.
  3. Стиральная: Доведение материала до нейтрального рН.
    1. Заполните две 175 мл центрифуговых труб октябры с 100 мл DI H2O. Разделите травления реакции смеси в 175 мл центрифуговых труб и мыть материал путем повторного центрифугирования при 3500 об/мин (2550 х г) в течение 5 мин. Декантированный кислый супернатан токсиканет в пластиковый контейнер для опасных отходов. Повторяйте до тех пор, пока рН не достигнет 6.
  4. Интеркалация: Вставка молекул между многослойной частицей MXene для пробуждения вне плоскостных взаимодействий(рисунок 1B)
    1. Добавьте 2 г хлорида лития (LiCl) до 100 мл DI H2O и перемешайте при 200 об/мин до растворения. Смешайте 100 мл LiCl/H2O с Ti3C2/Ti3AlC2 отложения и перемешать реакцию на 12 ч при 25 градусов по Цельсию.
  5. Delamination: Отшелушивание от объемных многослойных частиц в одно-несколько слой Ti3C2 MXene (Рисунок 1C)
    1. Вымойте реакцию интеркалации в 175 мл центрифуговых труб при центругировании при 2550 х г в течение 5 мин. Декант ясно супернатант. Повторяйте, пока не будет найден темный супернатант.
    2. Продолжайте центрифугу на 1 ч при 2550 х г. Декант разбавленно-зеленый супернатант.
    3. Повторно рассеять опухшие осадки с 150 мл DI H2O. Передача супернатанта на 50 мл центрифуговых труб и центрифуги на 2550 х г в течение 10 минут, чтобы отделить оставшиеся MAX (осадок) от MXene (супернатант).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Повторное рассеивание отложений станет трудным и потребует агитации или ручной встряхивания.
    4. Соберите супернатант как Ti3C2 MXene. Выполните дальнейший выбор размера и оптимизацию раствора для изоляции одно-малослойных хлопьев, собирая супернатант после шага центрифугации при 2550 х г на 1 ч.
  6. Хранение растворов: Упаковка чернил MXene для длительного хранения(рисунок 1D)
    1. Аргон пузырь растворы в течение 30 минут до упаковки в Аргоне запечатанный флакон headspace (передача через шприц). Храните растворы в высоких концентрациях (5 мг/мл), вдали от солнечного света и при низких температурах (5 градусов по Цельсию), чтобы обеспечить долговечность.

2. Изготовление Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура, описанная в этом разделе предназначена для использования в стандартном университете чистой комнате объекта, таких, как Сингх Центр нанотехнологий в Университете Пенсильвании. Этот объект, а также аналогичные объекты, доступны для внешних пользователей в рамках Национальной сети инфраструктуры нанотехнологий (NNIN) при поддержке Национального научного фонда (NSF). В этих помещениях многие инструменты, оборудование и материалы, описанные в этом разделе, предоставляются наряду с доступом к чистокомнатному помещению и не требуют отдельной покупки.

ВНИМАНИЕ: Многие из химических веществ, используемых в изготовлении электродов MXene являются опасными, в том числе photoresists, RD6 разработчик, удаление PG, алюминиевый раствор травления, и буферизированных оксида etchant. Проконсультируйтесь с MSDS для этих химических веществ перед использованием и реализации и следовать соответствующим мерам безопасности в любое время. Все химические вещества должны быть обработаны в дым капота.

  1. Депозит 4 мкм толщиной нижнего слоя парилен-C на чистую Si (см. Рисунок 2A).
  2. Используйте первую фотомаску (маску-1) для определения металлических взаимосвязей устройств, а также металлическое кольцо по краю, чтобы помочь в более поздних шагах подъема(рисунок 2B).
    1. Спин пальто NR71-3000p на на 3000 об/ ч на 40 с. Мягкий испечь вафу на горячей пластине в течение 14,5 мин при температуре 95 градусов по Цельсию.
    2. Загрузите вафельку и маску-1 в выровню маски. Расположите вафельку так, чтобы кольцо на фотомаске перекрывалось всеми краями.
    3. Экспозиция с i-линией (365 нм длина волны) в дозе 90 мДж/см2. Твердые испечь на горячей тарелке в течение 1 мин при температуре 115 градусов по Цельсию.
    4. Погрузите вафельку в разработчика RD6 на 2 мин, непрерывно агитируя решение. Тщательно промыть с DI H2O и высушить с n2 пистолет.
    5. Используйте электронный луч испаритель для депозита 10 нм Ti, а затем 100 нм Au на вафельку.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10-7 Торр и скорость 2 к/с.
    6. Погрузите вафельку в удаляющий PG в течение 10 минут до тех пор, пока фотоустойчивость не растворится и избыток металла полностью не рассачивается, оставляя Ti/Au только в желаемых следах взаимосвязей и кольце вокруг края. Как только старт кажется полным, sonicate за 30 с, чтобы удалить все оставшиеся следы нежелательного металла. Промыть сначала в чистом растворе PG, затем тщательно промыть в DI H2O и высушить вафу с n2 пистолет.
  3. Депозит жертвенного слоя парилен-C(рисунок 2C).
    1. Выставить вафельу на плазму O2 на 30 с, чтобы сделать основной слой парилен-С гидрофифилическим. Спиновое покрытие 2% чистящего раствора (например, Micro-90) в DI H2O на вафельку при 1000 об/мин при 30 с. Разрешить вафельу высушить не менее 5 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разбавленный раствор мыла действует как антиклея, позволяя жертвенный слой парилена-C быть очищенным вверх более поздно в процессе.
    2. Депозит 3 мкм парилен-C на вафельу.
  4. Используйте вторую фотомаску (маска-2) для определения моделей MXene и кольца по краю(рисунок 2D).
    1. Повторите шаги 2.2.1-2.2.4, на этот раз используя маску-2 и тщательно выравнивая знаки выравнивания между вафельной и фотомаской перед экспозицией.
    2. Используйте O2 плазменного реактивного ионного травления (RIE) для вытравливания через жертвенный слой парилена-C в областях, не покрытых фотоустойчивостью, чтобы определить электроды и следы MXene, которые должны частично перекрываться с взаимосвязаны Ti/Au, а также кольцо майнами. Подтвердите полное офорт жертвенного слоя парилен-С с помощью пропилометра для измерения профиля между открытыми соединёнствами Ti/Au и нижним слоем парилен-С.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда травление завершено, профиль по всей открытой металлической поверхности будет гладким, в то время как нижний слой парилен-C будет грубым и частично травления. Этот шаг etch должен быть завершен в planar etch RIE системы, а не баррель ашер, и etch раз и параметры будут сильно зависеть от системы RIE.
  5. Спин-слой MXene раствор на(Рисунок 2E).
    1. Pipette MXene решение на каждый из желаемых моделей MXene, а затем спина пластины на 1000 об/мин в течение 40 с. Сухой пластины на 120 градусов по Цельсию горячей пластины в течение 10 минут, чтобы удалить любую остаточную воду из пленки MXene.
  6. Используйте электронный испаритель пучка, чтобы депонировать 50 нм SiO2 на вафельку, чтобы выступать в качестве защитного слоя над шаблонами MXene для последующих этапов обработки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10-7 Торр и скорость 2 к/с.
  7. Удалите жертвенный слой парилена-C, чтобы узор MXene и SiO2 слоев(рисунок 2F).
    1. Нанесите небольшую каплю DI H2O на край и используйте пинцет, чтобы очистить жертвенный слой парилена-C, начиная с того места, где его края определяются в кольце вокруг внешней.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вода будет сочетаться с остатками мыла под жертвенным слоем парилен-С, чтобы этот подъем.
    2. Тщательно промыть вафельку в DI H2O, чтобы удалить оставшиеся остатки чистящего раствора. Высушите вафельу с пушкой N2, затем поместите на горячую тарелку 120 градусов по Цельсию в течение 1 ч, чтобы удалить любую остаточную воду из узорчатых пленок MXene.
  8. Депозит 4 мкм толщиной верхний слой парилен-С(Рисунок 2G).
  9. Используйте третью фотомаску (маска-3) для определения контура устройства и отверстий над электродами и Au склеивания колодки (VIAs) (Рисунок 2H).
    1. Повторите шаги 2.2.1-2.2.4, на этот раз используя маску-3 и тщательно выравнивая знаки выравнивания между вафельной и фотомаской перед экспозицией.
    2. Используйте электронный луч испаритель, чтобы отложить 100 нм Аль на вафельу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10-7 Торр и скорость 2 к/с.
    3. Погрузите вафельку в удаляющий PG в течение 10 минут до тех пор, пока металл полностью не взлетел, оставив Al покрытие устройств с отверстиями для электродов и склеивания колодки. Когда старт завершен, снотись в течение 30 с, чтобы удалить все оставшиеся следы нежелательного металла. Промыть сначала в чистом растворе PG, затем тщательно промыть в DI H2O и высушить вафу с n2 пистолет.
  10. Etch parylene-C для шаблона устройства контура и отверстия над электродами и Au связи колодки (VIAs) (Рисунок 2I). Используйте O2 плазмы RIE, чтобы вытравить через слои парилен-C, окружающие устройства, и через верхний слой парилен-C, охватывающих как контакты электрода MXene и Au склеивания колодки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Офорт завершен, когда на вафельке между устройствами не остается остатков парилена-C. Слой SiO2, покрывающий MXene, будет выступать в качестве слоя etch-stop, предотвращая травление плазмы O2 или повреждение контактов электрода MXene.
  11. Etch слой Al, охватывающих устройства с помощью мокрой химической etch в Al etchant типа А на 50 градусов по Цельсию либо в течение 10 минут, или в течение 1 минуты прошлого, когда все визуальные следы Al исчезли, в зависимости от того, приходит первым. Etch SiO2, покрывающий электроды MXene с помощью влажного химического etch в 6:1 буферизированных оксида etchant (BOE) для 30 s(Рисунок 2J).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Микроэлектродные массивы MXene завершены.
  12. Отпустите устройства из Si субстрат пластины, поместив небольшую каплю DI H2O на краю устройства, и осторожно пилинг вверх устройства, как вода злой под ним капиллярного действия (Рисунок 2K и Рисунок 3).

3. Строительство адаптеров и взаимодействие

ПРИМЕЧАНИЕ: На данный момент, тонкопленочные микроэлектродные массивы должны быть связаны с адаптером для подключения к системе электрофизиологии записи. 128ch стимуляции / записи контроллер с RHS2000 16-ch stim/record headstage (Таблица материалов), используемый в этом протоколе требует ввода через разъем совместимы с 18-контактный разъем A79039-001. В этом разделе используется печатная печатная плата (PCB, Рисунок 4A) с разъемом с нулевым вставкой (ЗИФ) для переплетения с колодками Au bonding на микроэлектродном массиве и разъеме A79040-001 для переплетения с головной фазой системы записи. В зависимости от системы сбора данных, различные разъемы могут быть использованы на PCB, чтобы позволить перемежаться с электрофизиологии головной убор.

  1. Приспойк Omnetics и qIF разъемы к PCB, применяя тонкую пленку припой пасты для каждого из контактных колодок на ПХБ, размещение частей в их соответствующих местах, и нагрева на горячей пластине, пока припой перетекает в форму соединений (Рисунок 4B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Припаивание потока может быть сделано очень легко на горячей тарелке или в тостерной печи и не требует использования дорогостоящей печи reflow.
  2. Нанесите два слоя полиимидной ленты(Таблица материалов)на заднюю сторону области связывающей площадки Au микроэлектродного массива MXene, чтобы придать устройству достаточную толщину для крепления в разъеме ЗИФ. После нанесения ленты, обрезать любые излишки за краями устройства parylene-C с помощью лезвия бритвы или точность ножницы(рисунок 4C).
  3. Либо под областью инспекции или с помощью увеличительных очков, выровнять MXene микроэлектродного массива в разъеме QIF так, что Au связывания колодки выровнять с контактами внутри разъема ЗИФ, а затем закрыть ЗИФ сформировать безопасное соединение (Рисунок 4D, E).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разъем, используемый здесь, представляет собой 18-канальный разъем, в то время как используемое здесь устройство имеет 16 каналов. Дополнительные бесконтактные каналы легко идентифицируются как открытая схема с помощью импеданса тестирования во время записи сессий.
  4. Проверьте электрохимический импеданс электродов MXene с помощью потентиостата для обеспечения успешного изготовления и подключения к адаптеру ПХД.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разумные значения impedance приведены в разделе обсуждения для того чтобы помочь в утесить неполадок.

4. Острая имплантация и нейронная запись

ПРИМЕЧАНИЕ: Операции на взрослых самцах крыс Sprague Dawley выполняются с использованием стерильных инструментов и с асептической техникой. Дыхательный уровень, пальпебральный рефлекс и педали щепотку рефлекс проверяются каждые 10 минут для мониторинга глубины анестезии. Температура тела поддерживается с помощью грелки.

  1. Администрирование упрефлируемой анальгезии (подкожная инъекция бупренорфина устойчивого высвобождения ,SR, 1,2 мг/кг).
  2. Администрирование анестезии (интраперитонеальная инъекция смеси 60 мг/кг кетамина и 0,25 мг/кг дексмедетомидин).
  3. Подтверждайте надлежащий уровень анестезии каждые 10 минут на протяжении всего эксперимента, проверяя на отсутствие палпебральных и педалей щепотку рефлексов.
  4. Безопасная крыса в стереотаксической раме, нанесите глазную смазку на глаза и очистите бритую кожу головы 10% повидон-йодом.
  5. Разоблачить кальварию с одним разрезом кожи головы средней линии и тупым вскрытием основной ткани.
  6. Поместите винт 00-90 в череп, чтобы служить основанием для записей.
  7. Используя стоматологическую дрель с небольшой заусенцой, сделайте краниотомию в нужном корковом месте записи.
  8. Закрепите разъем массива к стереотаксическому манипулятору и расположите устройство над краниотомией. Аккуратно опустите, пока весь массив не соприкасается с открытой корой.
  9. Оберните землю провода вокруг черепа винт.
  10. Подключите хед-сцену системы записи к массиву и начните записывать спонтанную активность.

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

Результаты

Примеры данных микро-ECoG, записанных на микроэлектродном массиве MXene, показаны на рисунке 5. После нанесения электродного массива на кору, четкие физиологические сигналы были сразу же видны на записывающих электродах, с примерно 1 мВ амплитуды ECoG сигналы появляются на всех электродM MXene. Силовые спектры этих сигналов подтвердили наличие двух мозговых ритмов, обычно наблюдаемых у крыс под анестезией кетамина-дексмедетомидина: медленные колебания 1х2 Гц и колебания на уровне 40–70 Гц. К...

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

Обсуждение

MXene синтеза и delamination процедура, описанная в этом протоколе (HF / HCl / LiCl) был построен из MILD травления подход, который использовал LiF / HCl (в situ HF) etchant среды26. Подход MILD позволяет проводить сплочение больших хлопьев Ti3C2 (несколько мкм в боковом размере) при спонтанном delaminated во время стирки после достижения рН-5-6. По сравнению с травлением только с HF, это приводит к материалу с более высоким качеством и улучшенными свойствами материала, таким...

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

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (грант нет. R21-NS106434), Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, Фонд семьи Мировски и Нил и Барбара Смит (F.V.); Национальный научный фонд Аспирантуру стипендий (грант нет. DGE-1845298 в Н.Д. и Б.М.); Армейское научно-исследовательское бюро (Кооперативное соглашение Номер W911NF-18-2-0026 до К.М.); и армией США через Программу Инициативы По поверхности науки в Химическом биологическом центре Эджвуда (PE 0601102A Project VR9 до Y.G. и K.M.). Эта работа была проведена частично в Центре нанотехнологий Сингха, который поддерживается Национальным научным фондом Национальной программы нанотехнологий (NNCI-1542153).

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
00-90 винтMcMaster-Carr90910A630Винт с черепом, вокруг которого оборачивается заземляющий провод
128 канал стимуляции/записиIntan TechnologiesКомпонент нейронной системы записи.
Полипропиленовая (ПП) коническая центрифужная трубка 175 млFalconREF: 352076Используется для промывки
18-позиционного разъема ZIF с шагом 0,5 ммMolex505110-1892Используется для сопряжения гибкой париленовой микроэлектродной матрицы с платой адаптера печатной платы.
18-позиционный двухрядный наноминиатюрный (.025"/.64 мм) разъемOmnetics Connector CorporationA79008-001Используется для подключения платы адаптера печатной платы к записывающей головке.
3 мл Одноразовый пластиковый набор Трансферные градуированные пипеткиRienarRienar-3ML-20PCSИспользуется для переноса травления или растворов MXene
50 мл полипропиленовая (ПП) консиальная центрифужная трубкаFalconREF: 352070Используется для промывки и выбора размера
Алэтировка Тип АTransene060-0026000-QTДля удаления слоя маски травления Al после окончательного травления Parylene-C.
Алюминиевая пудра, -325 меш, 99,5% (на основе металлов), размер частиц < 44 &m; mAlfa AesarCAS: 7429-90-5Используется для синтеза MAX
программное обеспечение AutoCAD AutodeskInc.Программное обеспечение для проектирования фотошаблонов. Бесплатные альтернативы включают DraftSight и LayoutEditor.
Буферизованный оксидный травитель 6:1JT Baker1178-03Для удаления слоя SiO2 для обнажения контактов электродов MXene в конце производственной процедуры.
Бупренорфин SRWildlife PharmaceuticalsАнальгезия для хирургии крыс
ЦентрифугаHermleBenchmark Z 446Используется для промывки и выбора размера
DexdomitorMidwest Veterinary Supply193.13250.3Анестезия для хирургии крыс
БорновыйFine Science Tools19007-07Заусенцы для дрели
Электрическая дрельForedomK.1070Микромоторная дрель для краниотомии
Электронно-лучевой испарительKurt J. Lesker CompanyИспользуется для испарения Ti, Au и SiO2 во время изготовления. В большинстве университетских чистых комнат есть этот или подобный инструмент.
Заземляющий проводA-M Systems781500Оголенный серебряный провод
Флакон Headspace, стеклоSupelcoREF: 27298Используется для хранения растворов MXene
Соляная кислота (12.1N)Fisher ScientificCAS: 7647-01-0Коррозионный; травильный материал
Фтористоводородная кислота, (48-51% раствор в H2O)AcrosCAS: 7664-39-3Травильный материал
Юпитер II Система RIEMarch Plasma Systems Inc.Планарная система травления RIE используется для травления парилена-C с использованием O2 плазмы. В большинстве университетских чистых помещений используется аналогичная планарная система травления RIE.
Каптоновая стандартная полиимидная лента, 1/4"DuPontИспользуется для увеличения толщины области связующей прокладки Au гибкой матрицы микроэлектродов из парилена для вставки в разъем ZIF.
Кетаминоваябольница Университета Пенсильвании.Анестезия для хирургии крыс
KLA P-7 Stylus ProfilometerKLACorporation Использовалась мера 2D профилей для подтверждения полного травления через жертвенный слой парилена-C на шаге 2.4.2. В большинстве университетских чистых комнат есть этот или аналогичный инструмент для профилометрии стилусом.
Хлорид лития, 99% для анализа, безводныйAcrosCAS: 7447-41-8Гигроскопичный; материал для расслоения
маски MA6 Выравниватель маскиKarl Suss Microtec AGИспользуется для выравнивания каждой фотомаски по рисунку на пластине и воздействия на пластину ультрафиолетового света. В большинстве университетских чистых комнат есть этот или подобный инструмент.
Чистящий раствор Micro-90International Products CorporationM-9050-12Используется в качестве антиадгезионного слоя для удаления жертвенного слоя Parylene-C для создания фоторезиста MXene
NR71-3000pFuturrex Inc.NR71-3000pНегативный фоторезист используется для определения трасс Ti/Au и шаблонов MXene в устройствах.
Офтальмологическая мазьMidwest Veterinary Supply193.63200.3Для предотвращения высыхания роговицы во время операции
Система осаждения париленаСпециальные системыИспользуется для испарения тонких конформных пленок димера парилен-C Парилен-C
Специальные системы покрытий980130-c-01lbeГибкий полимер используется в качестве нижнего и верхнего пассивирующих слоев для гибких устройств
MXeneФотошаблоны (хром на натриевом известковом стеклеУниверситет ПенсильванииНаши фотошаблоны были изготовлены в университетской чистой комнате с использованием лазерной записывающей системы Heidelberg DWL66+, однако некоторые поставщики изготавливают фотошаблоны из предоставленных файлов дизайна.
Раствор повидон-йодаMedlineMDS093901Для предотвращения инфекции вокруг разреза кожи головы
Печатная плата (ПХБ)УсовершенствованныеИспользуются для взаимодействия между электродной матрицей MXene и измерительной электроникой, такой как потенциостат и регистрирующая система Интан. Advanced Circuits и другие поставщики производят и собирают печатные платы на основе предоставленных проектных файлов.
Разработчик RD6Futurrex Inc.Разработчик RD6Используется для разработки негативного фоторезиста NR71-3000p после воздействия ультрафиолета
Артикул 600 потенциостатаGamry InstrumentsИспользуется для измерения импеданса электродов для оценки качества приборов
Remover PGMicroChem Corp.G050200Используется для удаления NR71-3000p после осаждения металла для выполнения отрывного рисунка
RHS2000 интерфейсного кабеля Stim SPIIntan TechnologiesКомпонент нейронной системы записи.
RHS2116 усилительная платаIntan TechnologiesКомпонент нейронной системы записи.
Кремниевые пластиныWafer World2885Подложка для изготовления
Spin CoaterЭкономичное оборудованиеДля покрытия пластин резистами и нанесения слоев Micro-90 и MXene. В большинстве университетских чистых комнат есть прядильные машины.
Стереотаксическая рамкаKopf InstrumentsModel 902Для позиционирования крысы во время нейрохирургии
Магнитная мешалка с тефлоновым покрытиемCorningREF: 1233W95Используется для перемешивания во время травления и интеркаляции
Карбид титана, 99,5% (основа металлов), размер частиц ~2 &; mAlfa AesarCAS: 12070-08-5Используется для синтеза MAX
Титановый порошок, -325 меш, 99% (на основе металлов), размер частиц < 44&микро; mAlfa AesarCAS: 7440-32-6Используется для синтеза MAX
Ультразвуковой ультразвуковой аппарат для ванныReynolds TechДля удаления частиц металла и фоторезиста во время процессов отрыва от металлов.
УФ-видимый спектрофотометрThermoScientificEvolution 201Используется для определения концентрации и наблюдения за пиком поглощения
Zetasizer, анализ размера частицMalvern PanalyticalNano ZSИспользуется для определения распределения боковых размеров частиц
бор покрытий ) схемы

Ссылки

  1. Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001(2011).
  2. 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).
  3. Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001(2017).
  4. Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8(2014).
  5. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).
  6. Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
  7. Petrossians, A., Whalen, J. J., Weiland, J. D., Mansfeld, F. Surface modification of neural stimulating/recording electrodes with high surface area platinum-iridium alloy coatings. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 3001-3004 (2011).
  8. Meyer, R. D., Cogan, S. F., Nguyen, T. H., Rauh, R. D. Electrodeposited iridium oxide for neural stimulation and recording electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 9 (1), 2-11 (2001).
  9. Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156 (2), 388-393 (2009).
  10. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
  11. Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F., Gross, G. W. Carbon nanotube coating improves neuronal recordings. Nature Nanotechnology. 3 (7), 434-439 (2008).
  12. Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31 (19), 5169-5181 (2010).
  13. Green, R. A., Williams, C. M., Lovell, N. H., Poole-Warren, L. A. Novel neural interface for implant electrodes: improving electroactivity of polypyrrole through MWNT incorporation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19 (4), 1625-1629 (2008).
  14. Apollo, N. V., et al. Flexible Freestanding Neural Stimulation and Recording Electrodes Fabricated from Reduced Graphene Oxide. Advanced Functional Materials. 25 (23), 3551-3559 (2015).
  15. Lu, Y., Lyu, H., Richardson, A. G., Lucas, T. H., Kuzum, D. Flexible Neural Electrode Array Based-on Porous Graphene for Cortical Microstimulation and Sensing. Scientific Reports. 6 (1), 33526(2016).
  16. Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (48), 13357-13367 (2003).
  17. Ramesh, S., et al. Dissolution of Pristine Single Walled Carbon Nanotubes in Superacids by Direct Protonation. The Journal of Physical Chemistry B. 108 (26), 8794-8798 (2004).
  18. Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
  19. Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1700905(2017).
  20. Wang, K., Fishman, H. A., Dai, H., Harris, J. S. Neural Stimulation with a Carbon Nanotube Microelectrode Array. Nano Letters. 6 (9), 2043-2048 (2006).
  21. Ansaldo, A., Castagnola, E., Maggiolini, E., Fadiga, L., Ricci, D. Superior Electrochemical Performance of Carbon Nanotubes Directly Grown on Sharp Microelectrodes. ACS Nano. 5 (3), 2206-2214 (2011).
  22. Nimbalkar, S., et al. Ultra-Capacitive Carbon Neural Probe Allows Simultaneous Long-Term Electrical Stimulations and High-Resolution Neurotransmitter Detection. Scientific Reports. 8, 6958(2018).
  23. Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098(2017).
  24. Anasori, B., Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
  25. Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23 (37), 4248-4253 (2011).
  26. Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29 (18), 7633-7644 (2017).
  27. Ghidiu, M., Lukatskaya, M. R., Zhao, M. Q., Gogotsi, Y., Barsoum, M. W. Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance. Nature. 516 (7529), 78-81 (2014).
  28. Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105(2017).
  29. Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).
  30. Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).
  31. Yang, X., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L., Li, D. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage. Science. 341 (6145), 534-537 (2013).
  32. Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29 (36), 1702678(2017).
  33. Han, X., et al. 2D Ultrathin MXene-Based Drug-Delivery Nanoplatform for Synergistic Photothermal Ablation and Chemotherapy of Cancer. Advanced Healthcare Materials. 7 (9), 1701394(2018).
  34. Dai, C., et al. Biocompatible 2D Titanium Carbide (MXenes) Composite Nanosheets for pH-Responsive MRI-Guided Tumor Hyperthermia. Chemistry of Materials. 29 (20), 8637-8652 (2017).
  35. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
  36. Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12 (10), 10419-10429 (2018).
  37. Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25 (15), 2135-2139 (2013).
  38. Shuck, C. E., et al. Effect of Ti3AlC2 MAX Phase on Structure and Properties of Resultant Ti3C2Tx MXene. ACS Applied Nano Materials. 2 (6), 3368-3376 (2019).
  39. Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1600050(2016).
  40. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
  41. Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10 (1), 1795(2019).
  42. Quain, E., et al. Direct Writing of Additive-Free MXene-in-Water Ink for Electronics and Energy Storage. Advanced Materials Technologies. 4 (1), 1800256(2019).
  43. Salles, P., Quain, E., Kurra, N., Sarycheva, A., Gogotsi, Y. Automated Scalpel Patterning of Solution Processed Thin Films for Fabrication of Transparent MXene Microsupercapacitors. Small. 14 (44), 1802864(2018).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

in vivo
Изготовление Ti3C2 MXene микроэлектродных массивов для In Vivo нейронной записи
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.