Vi har vist at den etsing av nano-arkitektur i intracortical microelectrode enheter kan redusere inflammatorisk respons og har potensial til å forbedre elektrofysiologisk innspillinger. Metodene beskrevet her skissere en tilnærming til etch nano-arkitekturer inn i overflaten av ikke-funksjonell og funksjonell enkelt skaft silisium intracortical microelectrodes.
Med fremskritt innen elektronikk og fabrikasjon teknologien, intracortical microelectrodes ha gjennomgått innholdsrik forbedringer muliggjør det produksjon av sofistikert microelectrodes med betydelig resolution og expanded evnene. Fremdriften i produksjonsteknologi har støttet utviklingen av BioMimetic elektroder, som har som mål å sømløst integreres i hjernens parenchyma, redusere neuroinflammatory responsen observert etter elektrode innsetting og forbedre kvaliteten og lang levetid for elektrofysiologisk innspillinger. Her beskriver vi en protokoll for å ansette en BioMimetic tilnærming nylig klassifisert som nano-arkitektur. Bruken av fokuserte ion Beam litografi (LØGN) ble benyttet i denne protokollen til å etse spesifikke nano-arkitektur funksjoner inn i overflaten av ikke-funksjonell og funksjonell enkelt skaft intracortical microelectrodes. Etsing nano-arkitekturer inn i elektrode overflaten indikerte mulige forbedringer av biokompatibilitet og funksjonaliteten til den implantert enheten. En av fordelene med å bruke LØGN er evnen til å etse på produserte enheter, i motsetning til under fabrikasjon av enheten, tilrettelegging grenseløse muligheter til å endre mange medisinske enheter etter produksjon. Protokollen som presenteres her, kan optimaliseres for ulike materialtyper, Nano-arkitektur funksjoner og typer enheter. Augmenting overflaten av implantert medisinsk utstyr kan forbedre enhetens ytelse og integrering i vevet.
Intracortical Microelectrodes (IME) er invasiv elektroder som gir et middel for direkte grensesnitt mellom eksterne enheter og neuronal populasjoner inne i cerebral cortex1,2. Denne teknologien er et uvurderlig verktøy for opptak nevrale handling potensialer for å forbedre vitenskapsmenn evne til å utforske neuronal funksjon, forhånd forståelse av nevrologiske sykdommer og utvikle potensielle terapier. Intracortical microelectrode, brukes som en del av Brain Machine Interface (BMI) systemer, gjør opptak av handlingen potensialer fra en person eller små grupper av neurons å oppdage motoriske intensjoner som kan brukes til å produsere funksjonelle utganger3. Faktisk, BMI systemer har blitt brukt for protese og terapeutiske formål, slik som ervervet Sensorimotor rytme kontroll for å drive en datamaskin markøren hos pasienter med amyotrofisk lateral sklerose (ALS)4 og ryggmargsskader5 og gjenopprette bevegelsen i mennesker som lider av kronisk tetraplegi6.
Dessverre, IME ofte ikke å spille inn konsekvent over tid på grunn av flere feil moduser som inkluderer mekaniske, biologiske og materielle faktorer7,8. Neuroinflammatory-responsen som oppstår etter at elektrode elektroden er antatt å være en betydelig utfordring som bidrar til elektrode svikt9,10,11,12,13,14. Den neuroinflammatory responsen er initiert under den første innsetting av IME som bryter blod hjerne barrieren, skader den lokale hjernen parenchyma og forstyrrer gliacellene og neuronal nettverk15,16. Denne akutte responsen er karakterisert ved aktiveringen av gliacellene celler (mikroglia/makrofager og astrocytter), som frigjør Pro-inflammatoriske og nevrotoksiske molekyler rundt implantatet området17,18,19,20. Den kroniske aktiveringen av gliacellene celler resulterer i en fremmedlegeme reaksjon karakterisert ved dannelsen av en gliacellene arr isolere elektroden fra friske hjernevevet7,9,12,13,17,21,22. Til syvende og sist hindrer elektroden evne til å registrere neuronal handling potensialer, på grunn av den fysiske barrieren mellom elektroden og neurons og degenerasjon og død av neurons23,24,25.
Den tidlige svikt i intracortical microelectrodes har ført til betydelig forskning i utviklingen av neste generasjons elektroder, med vekt på BioMimetic strategier26,27,28,29,30. Av spesiell interesse for protokollen som er beskrevet her, er bruken av nano-arkitekturen som en klasse for BioMimetic overflate endringer for IME31. Det er fastslått at overflater som etterligner arkitekturen til det naturlige in vivo-miljøet, har en forbedret biokompatiblerespons 32,33,34,35,36. Dermed er hypotesen overbevisende denne protokollen at diskontinuitet mellom den grove arkitekturen i hjernevevet og glatt arkitektur av intracortical microelectrodes kan bidra til neuroinflammatory og kroniske fremmedlegemer respons på implantert IME (for en full gjennomgang referere til Kim et al.31). Vi har tidligere vist at bruken av nano-arkitektur funksjoner som ligner på hjernens ekstracellulære Matrix Architecture reduserer astrocytt inflammatoriske markører fra celler kultivert på nano-architectured underlag, sammenlignet med flat kontroll overflater i både in vitro og ex vivo-modeller av nevroinflammasjon37,38. Videre har vi vist anvendelsen av fokusert ion Beam (LØGN) litografi til etch nano-arkitekturer direkte på silisium sonder resulterte i betydelig økt neuronal levedyktighet og lavere uttrykk for Pro-inflammatoriske gener fra dyr implantert med Nano-arkitektur sonder i forhold til jevn kontrollgruppe26. Derfor formålet med protokollen som presenteres her er å beskrive bruken av LØGN litografi å etse nano-arkitekturer på produsert intracortical microelectrode enheter. Denne protokollen ble utviklet for å etse nano-arkitektur størrelse funksjoner i silisium overflater av intracortical microelectrode Shanks utnytte både automatiserte og manuelle prosesser. Disse metodene er ukomplisert, reproduserbar, og kan sikkert være optimalisert for ulike enhets materialer og ønsket funksjon størrelser.
Den fabrikasjon protokollen skissert her utnytter fokusert ion Beam litografi til effektivt og reproduserbar etch nano-arkitekturer inn i overflaten av ikke-funksjonell og funksjonell enkelt skaft silisium microelectrodes. Fokusert ion Beam (løgn) litografi gjør det mulig for selektiv ablasjon av underlaget overflaten ved hjelp av en fint fokusert ion Beam50,51. Liten løgn er en direkte-skrive teknikk som kan produsere ulike funksjoner med nanoskala oppløsnin…
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av USA (US) Department of Veterans Affairs rehabilitering forskning og utvikling service Awards: #RX001664-01A1 (CDA-1, Ereifej) og #RX002628-01A1 (CDA-2, Ereifej). Innholdet representerer ikke synspunktene til US Department of Veterans Affairs eller myndighetene i USA. Forfatterne vil gjerne takke FEI co (nå en del av Thermofisher Scientific) for personalet assistanse og bruk av instrumentering, som hjalp til med å utvikle skriptene som brukes i denne forskningen.
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/ |