Summary
我们已经表明，将纳米结构蚀刻到皮内微电极装置中可以减少炎症反应，并有可能改善电生理记录。本文描述的方法概述了将纳米架构蚀刻到非功能和功能性单柄硅皮内微电极表面的方法。
Abstract
随着电子和制造技术的进步，皮内微电极得到了重大改进，使得具有更高分辨率和扩展能力的精密微电极的生产成为可能。制造技术的进步支持了仿生电极的发展，它旨在无缝地集成到脑气囊中，减少电极插入后观察到的神经炎反应，并提高质量和电生理记录的寿命。在这里，我们描述了一个协议，以采用一种最近被归类为纳米架构的仿生方法。该协议使用聚焦电子束光刻（FIB），将特定的纳米结构特征蚀刻到非功能和功能性单柄皮内微电极的表面。将纳米结构蚀刻到电极表面表明植入装置的生物相容性和功能可能有所改善。使用 FIB 的好处之一是在制造设备上蚀刻的能力，而不是在设备制造过程中蚀刻，从而在制造后为修改大量医疗设备提供了无限的可能性。本文介绍的协议可以针对各种材料类型、纳米架构特征和设备类型进行优化。增强植入式医疗设备的表面可以提高设备的性能并集成到组织中。
Introduction
皮内微电极（IME）是侵入性电极，提供一种在外部设备与大脑皮层1、2内神经元群之间直接连接的方法。这项技术是记录神经作用潜力的宝贵工具，以提高科学家探索神经元功能的能力，促进对神经系统疾病的理解，并开发潜在的疗法。皮内微电极，用作脑机器接口（BMI）系统的一部分，能够记录单个或小群神经元的运动电位，以检测可用于产生功能输出的运动意图3。事实上，BMI系统已经成功地用于假肢和治疗目的，如获得感觉运动节律控制，以操作电脑光标的患者肌萎缩性侧索硬化症（ALS）4和脊髓损伤5和恢复运动的人患有慢性四肢瘫痪6。
不幸的是，由于几种故障模式，包括机械、生物和材料因素7，8，ImME往往无法随时间持续地记录。植入电极后发生的神经炎反应被认为是导致电极故障9，10，11，12，13，14的一个相当大的挑战。神经炎反应是在IME的初始插入期间启动的，它切断血脑屏障，破坏局部脑气肿，破坏胶质和神经元网络15，16。这种急性反应的特点是活化胶质细胞（微胶质细胞/巨噬细胞和星形细胞），在植入部位17、18、19、20周围释放亲炎和神经毒性分子。胶质细胞的慢性活化导致异物反应，其特征是形成胶质疤痕，将电极从健康的脑组织7、9、12、13、17、21、22中分离。最终，由于电极和神经元之间的物理屏障以及神经元的退化和死亡23、24、25，阻碍了电极记录神经元作用电位的能力。
皮内微电极的早期失效为下一代电极的发展带来了大量研究，重点是生物仿生策略26、27、28、29、30。特别感兴趣的协议，这里描述的，是使用纳米结构作为一类仿生表面改变的IME31。现已证实，模仿自然体环境结构的表面具有更好的生物相容性反应32，33，34，35，36。因此，令人信服的假设是，脑组织的粗糙结构与皮内微电极平滑结构之间的不连续性可能导致神经炎和慢性异物对植入的IIMEs的反应（完整审查请参阅Kim等人31）。我们之前已经表明，与神经炎症37、38的体外和前体模型相比，利用与大脑细胞外基质结构相似的纳米结构特征可以减少从纳米结构基板上培养的细胞中的星形细胞炎标记物。此外，我们还表明，聚焦电光束（FIB）光刻技术直接蚀刻到硅探针上，与平滑对照组26相比，通过纳米架构探针植入的动物的神经元活力和亲炎基因表达能力显著增强。因此，本文介绍的协议的目的是描述FIB光刻在人造皮内微电极器件上蚀刻纳米结构的用法。该协议旨在利用自动化和手动工艺，将纳米结构尺寸特征蚀刻到皮内微电极刀柄的硅表面。这些方法简单、可重复，当然可以针对各种设备材料和所需的特征尺寸进行优化。
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Protocol
注意：在佩戴适当的个人防护装备（如实验室外套和手套）时，执行以下步骤。
1. 安装用于聚焦式电子束 （FIB） 平版印刷的非功能硅探头
注：有关描述使用1000个探头制造SOI晶圆的完整过程，请参阅Ereifej等人39。
- 从包含 1，000 个探头的绝缘体 （SOI） 晶圆上的硅片中分离出一条 2-3 个硅探头。请勿制作包含三个以上硅探头的条带。这可能会增加安装松动的机会，并可能导致错位，导致 FIB 蚀刻不正确。
注： 未牢固地固定在铝根上的条形/探头可能会导致两个并发症：1） 当舞台移动到下一部分工作时，会有振动，直到探头稳定下来，铣削将不准确;2） 可能导致高变化并超出对焦平面。- 戴手套时，使用细钳在探头周围施加压力，以折断包含两到三个探头的一小块。
- 在 FIB 蚀刻之前，请仔细清洁硅探头上的所有灰尘和碎屑。通过将 3 mL/孔 95% 乙醇移入三口井，制备 6 孔聚苯乙烯板。
- 小心地用细尖端或真空钳拿起硅探头的切割条，并将其放入细胞过滤器中。每个滤网只放置一条硅探头，以防止断裂探头。将含有硅探针条的滤网放入含有 95% 乙醇的第一口井中进行清洁。将滤网放在第一口井中 5 分钟。
- 将含有硅探头的滤网从第一口井中移入含有 95% 乙醇的第二口井，再再工作 5 分钟。在第三口井中再次重复。
- 将含有清洁硅探头的滤网放在聚四氟乙烯板上，以晾干。在无菌罩中执行此步骤，以避免灰尘污染。
- 将风干硅探头条放入密封容器中，以运输至 SEM-FIB。用塑料或铝箔包装将含有风干样品的滤网包裹起来，以便运输和/或储存，以保持清洁。
- 使用细倾斜或真空钳小心地拾起硅探头的清洁条，并将其放在干净的铝根上（用于 SEM-FIB 成像/蚀刻），为安装做好准备。
- 使用牙签（或其他细尖仪器，如细电线），在探头周围的硅基板边缘放置一小滴（±10 μL）的银漆。将银漆铺在探头周围的硅基板两侧，将带子固定下来。在将铝根存根放入 SEM-FIB 之前，让银漆完全干燥。
注意：小心不要在电极的刀柄上涂上银漆，因为那是要蚀刻的部件。如果探头带未牢固地固定在铝根上，则该带可能会在加工过程中移动或具有不同的焦平面，从而导致 FIB 的铣削不正确。可以安装到同一铝根上，确保条条之间有足够的空间，以便在蚀刻后从存根上拆下。这将允许使用下面描述的自动化功能更高效地蚀刻多个探头。
2. 将 FIB 与硅探头对齐
- 单击光束控制卡舌中的通风按钮以通风腔。按Shift+F3执行主舞台。通过在弹出窗口中选择"主舞台"按钮来确认所选内容。
注：运行主级操作是确保软件正确读取舞台轴且显微镜处于良好状态的预防性步骤。 - 主舞台完成后，移动舞台以坐标 X = 70 mm，Y = 70 mm，Z = 0 mm，T = 0°，R = 0°。通风室后，戴上干净的手套并打开造型室门。
注： 根据上一个用户的应用程序，可能需要更改阶段适配器。标准舞台适配器（例如 FEI 样式）可以通过逆时针拧下中央螺栓来拆下，并通过顺时针拧入舞台旋转板来安装。 - 将固定探头的铝根插入舞台适配器顶部。拧紧舞台适配器侧面的固定螺钉，固定铝根。使用此任务使用 1.5 mm 六角扳手。
- 通过顺时针转动适配器以降低适配器或逆时针旋转适配器来提升舞台适配器的高度，从而调整舞台适配器的高度。顺时针转动锁定锥形螺母，直到螺母固定在舞台旋转板上，将舞台适配器固定到旋转板上。用另一只手握住舞台适配器，以防止适配器和样品的旋转，同时拧紧锁定锥形螺母。
注：使用提供的高度计确定适当的高度。铝根根的顶部应与高度仪表上显示的最大线的高度相同。过度拧紧锥形螺母可能会损坏台和适配器。只能使用足够的力来保护样品。 - 获取导航摄像机图像。小心地摆动导航摄像头臂，直到其停止。显微镜级将自动移动到摄像机下方的位置。观看显微镜用户界面 （UI） 象限 3 中显示的实时图像。
- 亮度级别自动调整到适当的级别后，通过按下相机支架上的按钮来获取图像。请务必等待整个图像采集完成，这由象限 3 中显示的暂停符号和相机的照明关闭表示。这需要大约 10 s. 将相机臂回回关闭位置。舞台将返回到原始位置。
- 小心地关闭显微镜室门。在关闭门的同时，在象限 4 中观看 CCD 相机图像。确保样品和台段与显微镜室中任何关键部件保持安全距离。
- 在光束控制选项卡的"泵"按钮旁边选择向下箭头。在 UI 软件中选择带样品清洁按钮的泵，以启动造型室真空泵并内置等离子清洗器。在泵运行时，轻轻推门表面，确保门密封。等待大约 8 分钟的泵送时间和等离子清洁周期，以便完成显微镜室。
注：通过轻轻拉动造型室门可以确认真空密封，如果系统处于真空状态，该门应保持关闭状态。 - 一旦 UI 右下角的图标变为绿色，按下光束控制选项卡中的唤醒按钮，该按钮将打开电子和电束。选择象限 1 并将光束信号设置为电子束（如果尚未设置），将象限 2 设置为电束（如果未设置）。
- 将 SEM 电压设置为 5 kV，将 SEM 光束电流设置为 0.20 nA，将 SEM 探测器设置为 ETD，将探测器模式设置为二次电子。将FIB电压设置为30 kV，将FIB光束电流设置为24 pA，将FIB探测器设置为ICE探测器，将检测器模式设置为二次电子。
- 双击导航相机图像中的硅探头，象限 3 将舞台移动到探头的大致位置。单击象限 1以选择它作为活动象限，然后点击暂停按钮以启动 SEM 扫描。将扫描停机时间设置为 300 ns，并关闭扫描隔行扫描、线积分和帧平均。在光束控制选项卡中将扫描旋转设置为 0，然后右键单击光束移位 2d 调节器并选择零。
- 通过逆时针转动 MUI 面板上的放大旋钮，将放大倍率调整到最小值。使用 MUI 面板上的旋钮或"自动对比度亮度"工具栏图标调整图像亮度和对比度。
- 通过双左单击某个要素上的鼠标使其居中，或者按下鼠标滚轮并激活操纵杆鼠标模式来移动舞台。将所需的硅探头移到 SEM 图像的中心。
- 找到边缘或其他特征，如灰尘颗粒或划痕。顺时针转动放大旋钮，将放大倍率提高到 2，000 倍。通过转动 MUI 上的粗细对焦旋钮来调整 SEM 的焦点，直到图像处于对焦中。图像处于焦点后，选择工具栏中的"将示例 Z 链接到工作距离"按钮。
- 通过查看导航选项卡中的 Z 轴坐标，确认操作已完成。该值应约为 11 mm。在 Z 轴位置键入 4.0 mm，然后用鼠标按下"转到"按钮或按键盘上的进入键，舞台将移动到 4 mm 工作距离。
- 移动 X 和 Y 中的舞台以定位硅探头的肩部。使其尽可能靠近 SEM 中心。通过在 T 坐标中键入"52"并点击输入，将舞台倾斜更改为 52°。观察探头的肩部在图像中是否向上或向下移动。使用阶段 Z 滑块将探头的肩膀带回 SEM 图像的中心。仅调整 Z 位置，不移动 X、Y、T 或 R 轴。
- 运行位于舞台下拉菜单中的内置"xT 对齐功能"命令。使用鼠标单击与探头边缘平行的两个点。确保在弹出窗口中选择水平单选按钮，然后单击"完成"。舞台将旋转，使探头与舞台的 X 轴对齐。使用鼠标再次将探头的下肩置于 SEM 图像的中心，调整 X、Y 中的舞台。
注：第一点应朝向探头的抓地力，第二点应朝向探头的点。 - 在象限 2 中选择 FIB 并确保光束电流仍为 24 pA。将放大倍率设置为 5，000 倍，将停机时间设置为 100 ns。在键盘上键入Ctrl-F，将 FIB 焦点设置为 13.0 mm。在光束控制选项卡中，右键单击污名器 2d 调节器并选择零，并且，在"光束移位 2d"调节器中右键单击并选择零。将扫描旋转设置为 0°，然后按下工具栏中的自动对比度亮度按钮。
- 在象限 2 中查找探头肩部的图像。使用快照工具使用 FIB 获取映像。确认探头肩部位于 FIB 图像的中心，如果没有，请双击探头肩部以将其移到中心。将键盘上的左箭头键按约 10-15 次，将舞台向左移动。拍摄另一个快照，并观察探头侧是否仍在 FIB 的中心。
注：如果没有，必须稍微调整舞台旋转。如果探头位于图像中心上方，则必须以负方向旋转舞台。如果探头位于中心下方，则必须顺时针旋转舞台。输入 0.01 到 0.2 度的相对中心旋转，具体取决于对齐探头所需的方式。 - 根据需要多次重复步骤 2.16 到 2.17，直到探头肩部边缘与舞台的 X 轴完全对齐（边缘在向左移动时保持在 FIB 的中心）。
- 使用 FIB 将舞台移回探头的下部肩部。单击"添加"按钮，在位置列表中保存舞台位置。将 FIB 光束电流更改为 2.5 nA，并确保 FIB 的放大倍数仍为 5000 倍。运行自动亮度对比度功能，并将 FIB 停机时间设置为 100 ns。
- 点击暂停按钮开始扫描。使用"粗细对焦旋钮"以及 MUI 面板上的 X 和 Y 污名旋钮，尽可能快速、精确地调整 FIB 对焦和散光。点击暂停按钮以停止 FIB 扫描。
3. 为蚀刻编写自动过程
- 通过在 Windows 开始菜单（即"开始">"程序"_FEI 公司_应用程序\纳米构建器）中定位软件来启动软件。将软件窗口放置在侧监视器上，以便 UI 不会被遮盖。通过单击文件打开用于阵列硅探测器的文件，然后打开。将窗口浏览器定向到软件脚本的位置（补充文件 1 - 文件名为"Case_Western_2000_micron_Final_11H47M_runtime.jbj"）。
- 在软件中，选择显微镜下拉菜单并选择"设置阶段原点"。在软件中，选择显微镜下拉菜单，然后选择校准探测器。
- 在显微镜 UI 上，用鼠标单击"四边 1"一次以选择"四边 1"。忽略弹出窗口中显示的其他说明，这些说明对于此项目来说不是必需的。单击"确定"以开始校准。该过程大约需要 5 分钟。确保 ETD 和 ICE 探测器校准。如果任何其他探测器出现校准故障，则正常。
- 在软件中，选择显微镜下拉菜单，然后选择"执行"以启动图案序列。模式完成后，关闭软件。
注：软件将接管四边形3和4的图案和对齐功能。该脚本大约需要 12 小时才能运行。在脚本运行时，不要更改显微镜上的任何参数。 - 在显微镜 UI 光束控制选项卡中点击"通风"以关闭显微镜光束并启动通风循环。当造型室通风时，移动舞台以坐标 X = 70 mm，Y = 70 mm，Z = 0 mm，T = 0°，R = 0°。通风室后，戴上干净的手套，拉开造型室门。
- 使用 1.5 mm 六角扳手松开存根适配器上的固定螺钉。从造型探头中取出铝根。小心地关闭显微镜室门。在关闭门的同时，在象限 4 中观看 CCD 相机图像。确保舞台适配器与显微镜室中的任何关键部件保持安全距离。
- 在"光束控制"选项卡的"泵"按钮旁边选择向下箭头。选择泵按钮以启动造型室真空泵。在泵运行时，轻轻推门表面，确保门密封。
注：通过轻轻拉动造型室门可以确认真空密封，如果系统处于真空状态，该门应保持关闭状态。泵送时间约为 5 分钟。在一次运行中，只能蚀刻探头的一侧。 - 如果探头的正面和背面需要蚀刻，则在检查最终蚀刻并成像前侧（如果需要图像）后，小心地取下硅探头的蚀刻条。用丙酮溶解银漆，小心涂抹/刷银漆上的丙酮。按照上述步骤小心地将条带绕到背面，重新安装、对齐和蚀刻。
4. 检查最终蚀刻和成像
- 铣削完成后，使用 SEM 成像以更高的放大倍率验证不同截面的均匀性。
注： 倾斜角度成像可以更好地评估铣削深度的变化。应特别注意铣削位置之间的过渡区域。 - 使用光学显微镜铣削后，再次对样品进行成像。
注： 周期性铣削线会产生折射效果，产生不同的颜色，作为成像角度的函数。如果颜色与探头不连续，则表明铣削线有中断。
5. 安装用于FIB蚀刻的功能硅探头
- 轻轻地从包装中取出功能硅电极。使用钳子小心地提起覆盖头部的塑料保护卡舌。开始从粘胶上抬起标签的一角，将其固定到位，然后继续提起，直到卸下整个电极。
- 用夹板小心地夹紧电极，准备安装到立体框架中。用钳子握住盖片，在硅柄上方的绿色轴周围轻轻放置弯曲的六边形，使偏宁的弯曲部分朝上朝向表舌。将六边形锁定到位，以确保电极不会掉落赫比塔。
- 轻轻拆下覆盖头部的塑料保护卡舌。用夹板握住电极时，小心地将电极夹入立体框架进行清洁。
- 用 95% 乙醇填充 3 个培养皿（每盘培养皿 10 mL）。将培养皿放在安装在立体框架中的电极下方进行清洁。通过将微操作器向下（100 μm/s）缓慢降低电极，使刀柄浸入 95% 乙醇中。
注：小心不要将微操作器转动得太快或太深，否则会导致电极断裂（即电极不应接触培养皿）。 - 将电极柄留在 95% 乙醇中 5 分钟，然后通过将微操作器向上转动（100 μm/s）来缓慢地将电极从 95% 乙醇中升起。重复此步骤两次，共三次。让电极干燥五分钟。
- 使用相同的技术将电极安装到立体框架中，将电极从立体框架中取出。小心地将塞子放在电极轴周围。一旦夹层紧紧，将电极从立体框架中松开，返回覆盖头部的塑料保护卡舌，并将清洁的电极放回包装中。
6. 使用FIB蚀刻功能硅探头
- 将清洁的功能硅电极安装到铝支架上。小心地用钳子拾起清洁的功能硅电极，然后从头台上取下保护卡舌。将电极柄放在铝根上，使其不会悬挂在任何边缘，然后使用一小块 Cu 或碳导电胶带，将头段牢固地固定在铝根上。
注： 或者，可以使用薄型夹持器按住电极。小心不要触摸电极柄。 - 按照上述步骤（第 2 节），将电极定位在中心高度，并确保电极位于 SEM 和 FIB 光束的重合点。将刀柄与舞台的"X"方向对齐。
- 将 FIB 设置为最佳电流，以铣削所需的纳米架构，并确保正确纠正焦点和污名。准备具有所需间距和长度的线数组，以覆盖刀柄（500 μm 部分）的视野。调整线长度，因为蚀刻从刀柄下到较薄的部分。
注：在蚀刻功能电极时，无法添加基准标记以自动执行该过程。因此，在子部分（±500 μm）之间移动是手动完成的。 - 第一部分的铣削完成后，请确保在继续下一部分之前检查铣削质量。重复步骤 6.3 以蚀刻刀柄的下一部分。将上一节中的铣削线与下一节使用的阵列对齐，以防止运行之间的大间隙。
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Representative Results
FIB 在单柄内皮探头表面蚀刻纳米结构
利用本文描述的方法，在皮内探针按照既定的协议39蚀刻了特定的纳米结构。这些方法中描述的纳米架构设计的尺寸和形状是从以前的体外结果中实现的，这些结果描绘了与本文中描述的纳米架构设计进行培养时胶质细胞反应的降低。本文描述的方法利用聚焦的铀子束（FIB）将纳米级平行槽蚀刻到非功能单柄硅微电极探头的表面，如前所述39。纳米级平行凹槽沿探头背面的刀柄蚀刻，使用软件中编写的自动脚本。蚀刻纳米结构的最终尺寸为200nm宽的平行线，间隔300nm，深度为200nm（图1）。使用 FIB 将纳米架构蚀刻到设备表面，可以将精确设计蚀刻到制造设备中。
蚀刻纳米结构到皮内探针对神经炎症的影响
在此前报告的数据中，用蚀刻纳米结构植入大鼠皮层的皮内探针被植入两到四周（每个时间点n=4），与植入无纳米架构蚀刻（n=4每个时间点）的平滑探针的对照动物相比，39。阻碍皮内微电极临床应用的失败机制之一是神经炎反应，这种反应来自破坏脑腹肌和血脑屏障9、10、11、12、15。皮质微电极植入后观察到的神经炎反应的完整描述见于以下评论13、14、22。皮内微电极记录神经元作用电位的能力取决于健康神经元体与皮内微电极记录位点40的距离。因此，先前报道的研究通过量化神经元密度、胶质细胞活化和临炎标记39的基因表达，评估了皮内探针植入部位周围的神经炎症。该研究的亮点如下，以表示将纳米结构蚀刻到探针表面对神经炎症的影响。
蚀刻纳米结构对神经元密度的影响
为了确定将纳米结构蚀刻到探针表面对植入物周围的神经元密度的影响，神经元核被染色和量化，利用先前描述免疫性细胞化学方法39，41。在植入后2周，纳米架构和控制探针周围的神经元密度没有显著差异（图2A）。然而，与植入后4周的平滑控制植入物（p <0.05 vs 对照）（图2B）相比，纳米架构探针周围在距离植入部位100-150μm的距离处的神经元明显增多。还发现，随着时间的推移，围绕纳米架构探针的神经元密度呈上升趋势，这与控制植入物周围神经元密度的下降趋势形成鲜明对比（图2）。有一个直接的关系，描绘缓解的神经炎反应，加上在微电极周围的活神经元的密度更高，导致微电极提供高质量的记录15，40，42的能力增强。因此，在解释神经元密度数据时，植入部位周围神经元密度越高，可能表明神经炎症反应减弱，并可能改善皮内微电极的记录质量和稳定性。
蚀刻纳米结构对神经炎分子标记的影响
组织学足以识别植入部位周围的细胞;然而，它缺乏对周围细胞表型特征的敏感性和特异性。因此，利用定量基因表达分析的方法对神经炎标记物的相对基因表达进行量化，以了解纳米结构对细胞表型的影响39。在先前报道的研究中，对几种神经炎标记进行了研究。这里只有两个将突出显示，是特定于微胶质细胞，以讨论如何改变其表型。分化14（CD14）是微胶质膜上的一个模式识别受体，它识别细菌，并发出损伤/植入后炎症途径的信号43，44，45。一氧化二氮合成酶（NOS2），是一种氧化应激标记，在微胶质/巨噬细胞中表达，与前列腺炎标记物46、47的增产有关。
在先前报告的数据中，在植入后两周或四周内，纳米结构与对照植入物之间的CD14相对基因表达没有显著差异。值得注意的是，在纳米结构植入物的部位周围，CD14相对基因表达显著减少（p < 0.05），表明炎症可能减少（如图3A中所示）。同样，在两周内，纳米结构与对照植入物之间的NOS2相对基因表达没有显著差异。然而，与植入后四周的对照植入相比，纳米结构植入物周围的NOS2相对基因表达显著减少（p < 0.05），在植入后四周（图3B中由#表示）。此外，控制植入物周围的NOS2相对基因表达从2周到4周显著增加（如图3B中所示），在纳米结构植入物周围随时间观察，这进一步表明纳米结构植入物周围炎症的潜在减少。在解释这些数据时，了解被量化的基因的功能非常重要。例如，亲炎基因的减少表明电极位点周围的炎症反应可能减少，而这些类型的基因的增加表明炎症可能增加。
FIB 在功能单柄微电极表面蚀刻纳米架构
先前报道的研究有有希望的结果，表明神经元密度略有增加，纳米架构探针植入部位周围的微胶质炎症表型可能减少。为了研究这些结果转化为电极功能，利用类似的FIB蚀刻方案，用与非功能单柄硅微电极探头相同的纳米架构设计蚀刻了一个功能单柄硅微电极。蚀刻指定纳米结构的方法的唯一区别是功能电极的协议不能自动化，因为没有额外的基板材料来创建基准标记。因此，功能电极使用FIB手动蚀刻，如上文协议所述，每500μm重新对齐光束。最终的蚀刻是200nm宽的平行线，间隔300nm，深度为200nm（图4）。
蚀刻纳米结构对皮内微电极对电生理学的影响
成功的皮内微电极记录取决于植入物部位周围神经元的邻近程度、设备的完整性以及大脑8、40、48、49的单单元活动的可靠传输。电生理记录根据在八周内每周收集两次的记录指标进行量化。本研究采用的指标包括：记录单个单位的通道百分比、记录单位的最大振幅和信噪比 （SNR）。路易斯·斯托克斯·克利夫兰退伍军人事务医疗中心的机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准了所有动物程序。斯普拉格道利大鼠（8-10周大，重约225克）被植入单柄硅微电极，上述纳米结构（n=1）或平滑控制（n=6）。没有对这些数据进行统计分析，因为植入了一个纳米结构微电极进行概念验证试验研究。尽管如此，与平滑控制微电极相比，纳米结构微电极的声道记录单单元（图5A）、最大振幅（图5B）和SNR（图5C）的电生理结果显示，其百分比呈上升趋势。这些结果表明，将纳米结构蚀刻到微电极表面，有可能提高电生理记录的质量和寿命。需要进一步评估样本数量，以验证这些初步结果。
图1：FIB在单柄内皮探头表面蚀刻纳米结构。非功能单柄硅探头的SEM图像，沿刀柄背面蚀刻纳米架构。（A） 整个探头柱蚀刻的复合图像以 120 倍放大倍数显示，比例尺 = 400 μm。基准标记（带有 + 符号的方形框）沿探头周围的硅基板蚀刻。探头尖端的放大SEM图像以1，056倍放大倍率（比例尺 = 40 μm）显示，（C）以3，500倍放大倍率（刻度杆 = 10 μm）表示，（D）以10，000倍放大，比例尺=4μm。这个数字已由参考文献39修改。请点击此处查看此图的较大版本。
图2：蚀刻纳米结构对神经元密度的影响。神经元存活率以同一动物的背景区域百分比表示，距离植入部位50μm。（A） 在植入后2周内，平滑表面（控制）和纳米图案植入物之间未观察到神经元存活率的显著差异。（B） 与植入后 4 周的光滑表面（p < 0.05）相比，纳米图案植入物在 100-150 μm 距离周围的神经元存活率显著较高。神经元的代表性图像（染色绿色），黄色轮廓描绘植入部位，"P"表示微电极的蚀刻侧，刻度条 = 100 μm。这个数字已由39修改为39。请点击此处查看此图的较大版本。
图3：蚀刻纳米结构对神经炎分子标记的影响。为纳米图案和控制植入物的植入部位约500μm半径收集组织。在两种植入物类型（差异由图上#表示;p < 0.05）以及随时间（差异在图上由 *表示）之间定量比较了炎症标记的相对基因表达;p <0.05 表示差异）。（A） CD14的相对基因表达在纳米图案植入物周围显著减少，从2周到4周（*）。（B） 与四周控制（*）相比，纳米型植入物周围的NOS2相对基因表达明显较少，在平滑控制植入物（*）前后，NOS2从2周到4周显著增加。这个数字已由参考文献39修改。请点击此处查看此图的较大版本。
图4：FIB在功能单柄微电极表面蚀刻纳米结构。右上角的内插显示本研究中使用的微电极，旁边是一毛钱，用于描绘电极柄（细黑线）的大小。沿刀柄背面的微电极柄的 SEM 图像，带有 FIB 蚀刻的纳米架构。整个刀柄以 600 倍放大倍率（刻度条 = 50 μm）显示在顶部，而内插以 25，000 倍放大倍数表示纳米图案表面，比例尺 = 1 μm。请点击此处查看此图的较大版本。
图5：蚀刻纳米结构对皮内微电极对电生理学的影响。对电生理指标的评估发现，与平滑控制电极相比，记录单单元的通道（A）百分比（B）最大振幅和（C）微电极的信号噪声比（C）与平滑控制电极相比，有一个有希望的初步上升趋势。请点击此处查看此图的较大版本。
图6：采用FIB蚀刻纳米架构的植入功能单柄微电极的电生理学记录。使用 FIB 在制造的微电极器件上蚀刻纳米架构的挑战之一是记录触点短路的风险。x 轴描述记录时间（以秒为单位）和 y 轴显示记录神经元作用电位的电极通道。y 轴上的每条带编号的线代表不同的电极通道，通道 1 表示最浅，16 表示最深。红色框勾勒出短路通道，而蓝色框勾勒出具有可见神经元活动的通道。请点击此处查看此图的较大版本。
补充文件1。请点击此处查看此文件（右键单击下载）。
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Discussion
此处概述的制造方案利用聚焦的电子束光刻法，将纳米结构有效且可重复地蚀刻到非功能和功能单柄硅微电极的表面。聚焦电子束（FIB）光刻允许使用细聚焦的电束50，51选择性消融基板表面。FIB是一种直接写入技术，可以产生各种具有纳米尺度分辨率和高纵横比50、52、53的特性。为了创建各种尺寸的特征，可以优化电束电流的大小，以在 3 nm 到 2 μm50、51的范围内更改孔束点大小。使用FIB在表面上蚀刻特征的一些一般优点是：1）它可以用于各种材料，包括硅、金属和聚合物53，54，55，56，2FIB可以在非平面表面执行，3）FIB可用于单个设备上的后处理57。
在这里，FIB 与 SEM 显微镜和用于编写专用自动脚本的软件结合使用，用于将特定功能蚀刻到非功能单柄探头中。该脚本包括所需的参数（2.5 nA 电束电流和 30 kV 电压），以蚀刻所需的精确间距（200 nm 宽平行槽，间隔 300 nm，深 20 nm）。电极的尺寸超过了FIB的视野，因此在多个阶段位置执行模式。为了自动执行该过程，将基准标记蚀刻在将探头固定到位的硅片的侧面，使软件能够精确定位探头柄上的图案线。基准是有必要的，因为舞台运动在阵列区域相对于景束视场的位置上造成了很大 （±5 μm） 的不确定性。将基准放在硅片上，使 FIB 能够定位型板区域，而无需直接扫描探头刀柄上的光束，这可能会污染或损坏探头刀柄。一个刀柄的整个自动蚀刻过程大约需要 12 小时才能完成，在开始图案化后无需操作员干预。总体而言，使用 FIB 将特征蚀刻到硅探头柄中的好处是能够生成纳米大小的特征、自动进行蚀刻过程，以及能够在制造上的探头上蚀刻。尽管FIB具有巨大的优势，但使用这种制造方法的缺点之一是吞吐速度缓慢，最终限制了大规模生产具有纳米架构的设备的潜力。另外，用于创建感兴趣的特征尺寸和几何形状的其他制造方法，也许以更快的速度和大规模生产，包括电子束光刻和纳米印迹光刻59，60，61，62，63，64，65。但是，这些方法不允许将纳米架构功能蚀刻到制造设备中。传统上，这些方法在硅片或聚合物的制造过程中使用，然后可用于下游加工步骤，以制造最终的欺骗。
功能电极无法进行自动化过程，因为电极柄周围没有任何周围材料，在其中包括基准标记。因此，功能电极在柄上 500 μm 部分手动对齐和蚀刻，使用与自动运行相同的电电流和电压，以确保相同的特征尺寸。完成每个 500 μm 间隔后，必须手动重新对齐光束，并设置到蚀刻下一节。每 500 μm 手动调整图案的过程可能会导致损坏的纳米结构或结构与预期的几何结构不匹配。这是因为手动对齐所需的ion 光束的曝光时间较长。这是手动蚀刻所遇到的困难之一。由于这种并发症，两个记录触点短路，无法记录神经元作用电位（图6）。图6显示了植入纳米架构电极的动物的电生理活记录段。蓝色框勾勒出记录强大动作电位的通道，与表示两个死通道的红色框相比。因此，在制造后的电极上使用手动 FIB 蚀刻的挑战之一是，光束有可能短路触点并阻止其记录。当尝试蚀刻单柄硅电极的前侧时，这一挑战会增强，在单柄硅电极中，记录触点和痕迹沿电极的整个刀柄。虽然在记录触点和痕迹周围蚀刻硅是可行的，但建议格外小心，以避免损坏和降低电极的录制性能。
如前所述，FIB 可用于各种材料，将许多特征几何体蚀刻到曲面中。但是，请务必注意，蚀刻几何形状的参数（如成各种材质的线条）很难预测。尤其对于线型，线宽和深度在很大程度上取决于许多参数，如加速电压、光束电流、置点时间、像素间距、光圈寿命和材料类型。优化产生的另一个参数是铣削每行的总时间。使用较小的光束电流可以实现更窄和更深的线;但是，整个探头柄的模式时间将延长到多天，这是不实际的。因此，尽管优化此处介绍的协议是可行的，但描述未知材料的参数是极其困难的。在排除该协议中描述的硅探头参数时，对硅进行了多次测试切割，以评估不断变化的条件如何影响线路宽度和深度。一旦评估条件能够蚀刻特定特征大小和感兴趣的几何形状（200 nm 宽线，深 200 nm），这些参数就用于编写软件脚本。该脚本用于控制每行的间距，从中心到中心，在此协议中为 300 nm。将来使用硅基板/器件需要数百纳米尺寸的芯片基板，可以使用该协议中描述的参数作为对创建所需特征尺寸所需的条件进行故障排除的起点。金属和聚合物基材/设备需要进一步优化和故障排除蚀刻条件。总体而言，利用FIB将纳米结构蚀刻到材料表面，可以充分控制和灵活地控制特征几何形状，使用大量兼容材料，以及多种表面类型，包括制造设备。本文提出的代表性结果展示了我们利用FIB将纳米结构蚀刻到皮内微电极表面的研究所观察到的潜在益处：1） 增加神经元密度和2）减少植入设备周围具有纳米架构的神经炎标记，以及3）初步发现，说明随着时间的推移电生理记录质量的提高。同样，将纳米结构特征蚀刻到材料表面的协议的采用和优化，也可用于改进许多医疗设备的功能。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了美国（美国）退伍军人事务部康复研究和发展服务奖的支持：#RX001664-01A1（CDA-1，Ereifej）和#RX002628-01A1（CDA-2，Ereifej）。其内容并不代表美国退伍军人事务部或美国政府的观点。作者要感谢FEI公司（现为热鱼科学的一部分）的工作人员协助和使用仪器，这有助于开发本研究中使用的脚本。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 16-Channel ZIF-Clip Headstage | Tucker Davis Technologies | ZC16 | The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html |
| 1-meter cable, ALL spring wrapped | Thomas Scientific | 1213F04 | Any non treated petri dish will suffice. https://www.thomassci.com/Laboratory-Supplies/Cell-Culture-Dishes/_/Non-Treated-Petri-Dishes?q=petri%20dish%20cell%20culture |
| 32-Channel ZIF-Clip Headstage Holder | Tucker Davis Technologies | Z-ROD32 | The headstage and headstage holder may need to be changed, depending on the electrode used. https://www.tdt.com/zif-clip-digital-headstages.html |
| Acetone, Thinner/Extender/Cleaner, 30ml | Ted Pella | 16023 | https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062 |
| Baby-Mixter Hemostat | Fine Science Tools | 13013-14 | Any curved hemostat will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Hemostats/Baby-Mixter-Hemostat |
| Carbon Conductive Tape, Double Coated | Ted Pella | 16084-7 | The protocol suggested three options for mounting the functional electrode to the aluminum stub (copper or carbon conductive tape or a low profile clip. We utilized the carbon conductive tape in our study. https://www.tedpella.com/semmisc_html/semadhes.htm |
| Corning Costar Not Treated Multiple Well Plates - 6 well | Sigma Aldrich | CLS3736-100EA | Any non-treated 6 well plate will suffice. https://www.sigmaaldrich.com/catalog/substance/ |
| Dumont #5 Fine Forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | Either this fine forceps or the vacuum pump will suffice. https://www.finescience.com/en-US/Products/Forceps-Hemostats/Dumont-Forceps/Dumont-5-Forceps/11251-30 |
| Ethanol, 190 proof (95%), USP, Decon Labs | Fisher Scientific | 22-032-600 | Any 95% ethanol will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/ethanol-190-proof-95-usp-decon-labs-10/22032600 |
| Falcon Cell Strainer | Fisher Scientific | 08-771-1 | https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-cell-strainers-4/087711 |
| FEI, Tescan, Zeiss (also for Philips, Leo, Cambridge, Leica, CamScan), aluminum, grooved edge, Ø32mm | Ted Pella | 16148 | Depending on the SEM machine used, you may need a different size stub. https://www.tedpella.com/SEM_html/SEMpinmount.htm#_16180 |
| Fisherbrand Aluminum Foil, Standard-gauge roll | Fisher Scientific | 01-213-101 | Any aluminum foil will suffice. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-aluminum-foil-7/p-306250 |
| Fisherbrand Low- and Tall-Form PTFE Evaporating Dishes | Fisher Scientific | 02-617-149 | Any Teflon plate will suffice, this is used to dry the probes after washing on a surface they will not stick onto. https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-tall-form-ptfe-evaporating-dishes-12/p-88552 |
| Michigan-style silicon functional electrode | NeuroNexus | A1x16-3mm-100-177 | http://neuronexus.com/electrode-array/a1x16-3mm-100-177/ |
| Model 1772 Universal holder | KOPF | Model 1772 | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/ |
| Model 900-U Small Animal Stereotaxic Instrument | KOPF | Model 900-U | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-900-small-animal-stereotaxic-instrument1/ |
| Model 960 Electrode Manipulator with AP Slide Assembly | KOPF | Model 960 | Other stereotaxic frames and accessories will suffice. http://kopfinstruments.com/product/model-1772-universal-holder/ |
| Parafilm M 10cm x 76.2m (4" x 250') | Ted Pella | 807-5 | https://www.tedpella.com/grids_html/807-2.htm |
| PELCO Vacuum Pick-Up System, 220V | Ted Pella | 520-1-220 | Either this vacuum pump or the fine forceps will suffice. http://www.tedpella.com/grids_html/Vacuum-Pick-Up-Systems.htm#anchor-520 |
| PELCO Conductive Silver Paint | Ted Pella | 16062 | https://www.tedpella.com/SEMmisc_html/SEMpaint.htm#anchor16062 |
| SEM FIB FEI Helios 650 Nanolab | Thermo Fisher Scientific | Helios G2 650 | This is the specific focused ion beam and scanning electron microscope used in the protocol. The Nanobuilder software is what it comes with. If a different FIB instrument is used, it may not be completely compatible with the protocol, specifically the steps requiring the Nanobuilder software. https://www.fei.com/products/dualbeam/helios-nanolab/ |
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