We hebben aangetoond dat het etsen van nano-architectuur in intracorticale micro-elektrode-apparaten de ontstekingsreactie kan verminderen en de potentie heeft om elektrofysiologische opnames te verbeteren. De hierin beschreven methoden schetsen een benadering van etch nano-architecturen in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht silicium intracorticale micro elektroden.
Met de vooruitgang in elektronica en Fabricagetechnologie hebben intracorticale micro elektroden aanzienlijke verbeteringen ondergaan waardoor de productie van geavanceerde micro elektroden met een grotere resolutie en uitgebreide capaciteiten mogelijk is. De vooruitgang in de Fabricagetechnologie heeft de ontwikkeling van biomimetische elektroden, die tot doel hebben om naadloos te integreren in de hersen parenchym ondersteund, verminderen van de neuroinflammatoire respons waargenomen na elektrode inbrengen en verbeteren van de kwaliteit en levensduur van elektrofysiologische opnames. Hier beschrijven we een protocol voor het gebruik van een biomimetische aanpak onlangs geclassificeerd als nano-architectuur. Het gebruik van gerichte Ion Beam lithografie (FIB) werd gebruikt in dit protocol om specifieke nano-architectuur kenmerken etch in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht intracorticale micro elektroden. Het etsen van nano-architecturen in het elektrode oppervlak gaf mogelijke verbeteringen van biocompatibiliteit en functionaliteit van het geïmplanteerde apparaat aan. Een van de voordelen van het gebruik van FIB is de mogelijkheid om te etch op gefabriceerde apparaten, in tegenstelling tot tijdens de fabricage van het apparaat, het faciliteren van grenzeloze mogelijkheden om te wijzigen van talrijke medische apparaten na de productie. Het protocol dat hierin wordt gepresenteerd, kan worden geoptimaliseerd voor verschillende Materiaaltypen, nano-architectuur functies en soorten apparaten. Het uitbreiden van het oppervlak van geïmplanteerde medische hulpmiddelen kan de prestaties van het apparaat en de integratie in het weefsel te verbeteren.
Intracorticale micro elektroden (IME) zijn invasieve elektroden die een middel bieden voor directe interfacing tussen externe apparaten en de neuronale populaties in de hersenschors1,2. Deze technologie is een waardevol hulpmiddel voor het opnemen van neurale actie potentialen ter verbetering van het vermogen van wetenschappers om neuronale functie te verkennen, vooraf begrip van neurologische ziekten en ontwikkelen van potentiële therapieën. Intracorticale micro-elektrode, gebruikt als een onderdeel van de Brain Machine Interface (BMI) systemen, maakt opname van actie potentialen van een individuele of kleine groepen van neuronen om motorische bedoelingen die kunnen worden gebruikt voor de productie van functionele uitgangen3detecteren. In feite zijn BMI-systemen met succes gebruikt voor prothetische en therapeutische doeleinden, zoals verworven sensorimotorische ritme beheersing om een computer cursor te bedienen bij patiënten met Amyotrofische laterale sclerose (als)4 en ruggenmerg blessures5 en het herstel van de beweging bij mensen die lijden aan chronische quadriplegie6.
Helaas, ime’s vaak niet consistent opnemen in de tijd als gevolg van verschillende storings modi die mechanische, biologische en materiële factoren7,8bevatten. De neuroinflammatoire reactie die optreedt na de implantatie van de elektrode wordt beschouwd als een aanzienlijke uitdaging die bijdraagt aan het falen van de elektrode9,10,11,12,13,14. De neuroinflammatoire reactie wordt geïnitieerd tijdens de initiële inbrengen van de IME die de bloed-hersen barrière sijdeert, beschadigt de lokale hersen parenchym en verstoort gliacellen en neuronale netwerken15,16. Deze acute respons wordt gekenmerkt door de activering van gliacellen (Microglia/macrofagen en astrocyten), die pro-inflammatoire en neurotoxische moleculen vrijgeven rond de implantatieplaats17,18,19,20. De chronische activatie van gliacellen resulteert in een vreemde lichaams reactie die wordt gekenmerkt door de vorming van een gliacellen litteken dat de elektrode isoleert van gezond hersenweefsel7,9,12,13,17,21,22. Uiteindelijk, belemmeren van het vermogen van de elektrode om neuronale actie potentialen opnemen, als gevolg van de fysieke barrière tussen de elektrode en de neuronen en de degeneratie en de dood van neuronen23,24,25.
Het vroegtijdig falen van intracorticale micro elektroden heeft geleid tot een aanzienlijk onderzoek in de ontwikkeling van de volgende generatie elektroden, met de nadruk op biomimetische strategieën26,27,28,29,30. Van bijzonder belang voor het hier beschreven protocol, is het gebruik van nano-architectuur als een klasse van biomimetische oppervlakte veranderingen voor Ime’s31. Er is vastgesteld dat oppervlakken die de architectuur van de natuurlijke in vivo omgeving nabootsen een verbeterde biocompatibele respons32,33,34,35,36hebben. Dus, de hypothese dwingende dit protocol is dat de discontinuïteit tussen de ruwe architectuur van het hersenweefsel en de gladde architectuur van de intracorticale micro elektroden kan bijdragen aan de neuroinflammatoire en chronische buitenlandse lichaam reactie op geïmplanteerde Ime’s (voor een volledige beoordeling verwijzen naar Kim et al.31). We hebben eerder aangetoond dat het gebruik van nano-architectuur functies die vergelijkbaar zijn met de extracellulaire matrix architectuur van de hersenen, de ontstekingsmarkers van astrocyten uit cellen die zijn gekweekt op nano-gecultiveerde substraten vermindert, vergeleken met vlakke controle oppervlakken in zowel in vitro als ex vivo-modellen van neuro ontsteking37,38. Bovendien hebben we aangetoond dat de toepassing van gerichte ionen straal (FIB)-lithografie op etch-nano-architecturen rechtstreeks op silicium sondes resulteerde in significant verhoogde neuronale levensvatbaarheid en lagere expressie van pro-inflammatoire genen van dieren geïmplanteerd met de nano-architectuur probes in vergelijking met de soepele controlegroep26. Daarom is het doel van het hier gepresenteerde protocol om het gebruik van FIB-lithografie te beschrijven voor etch-nano-architecturen op gefabriceerde intracorticale micro elektrode-apparaten. Dit protocol is ontworpen om nano-architectuur formaat kenmerken te etsen in silicium oppervlakken van intracorticale micro-elektrode schachten die zowel geautomatiseerde als handmatige processen maken. Deze methoden zijn ongecompliceerd, reproduceerbaar en kunnen zeker worden geoptimaliseerd voor verschillende apparaatmaterialen en gewenste functie groottes.
Het fabricage protocol dat hier wordt geschetst maakt gebruik van gerichte ionen straal-lithografie om nano-architecturen effectief en reproducdig te etsen in het oppervlak van niet-functionele en functionele enkelvoudige schacht silicium microelektroden. Met gerichte ionen straal (FIB) lithografie kan de selectieve ablatie van het substraat oppervlak met behulp van een fijn gerichte Ion Beam50,51. FIB is een direct-write techniek die verschillende functies kan p…
The authors have nothing to disclose.
Deze studie werd gesteund door de Amerikaanse (Amerikaanse) afdeling veteranen zaken revalidatie Research en Development Service Awards: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) en #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). De inhoud vertegenwoordigt niet de standpunten van het Amerikaanse ministerie van veteranen zaken of de regering van de Verenigde Staten. De auteurs willen FEI co. (nu onderdeel van Thermofisher Scientific) bedanken voor de ondersteuning van het personeel en het gebruik van instrumentatie, die hielp bij het ontwikkelen van de scripts die in dit onderzoek worden gebruikt.
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/ |