Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

تلفيق Ti3C2 MXene Microelectrode صفائف في فيفو التسجيل العصبي

Published: February 12, 2020 doi: 10.3791/60741
Automatic Translation
1,2,3, 4,5, 2,6, 1,2,3, 4,5, 2,6, 4,5, 1,2,3,7,8
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

Summary

نحن نصف هنا طريقة لتلفيق تي3C2 MXene صفائف microelectrode واستخدامها في التسجيل العصبي في الجسم الحي.

Abstract

وقد استخدمت على نطاق واسع تقنيات القطب المجهري القابلة للزرع لتوضيح الديناميات العصبية على نطاق صغير للحصول على فهم أعمق للأسس العصبية لأمراض الدماغ والإصابة. كما يتم تصغير الأقطاب الكهربائية إلى حجم الخلايا الفردية، وارتفاع المقابلة في مقاومة واجهة يحد من نوعية الإشارات المسجلة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مواد القطب التقليدية قاسية ، مما يؤدي إلى عدم تطابق ميكانيكي كبير بين القطب وأنسجة الدماغ المحيطة به ، مما يؤدي إلى استجابة التهابية تؤدي في النهاية إلى تدهور أداء الجهاز. لمواجهة هذه التحديات، قمنا بتطوير عملية لتصنيع أقطاب كهربائية دقيقة مرنة على أساس Ti3C2 MXene، وهي مادة نانوية تم اكتشافها مؤخرًا وتمتلك مكثفات حجمية عالية بشكل ملحوظ، وتوصيلية كهربائية، ووظائف سطحية، وقابلية المعالجة في تشتت مائي. صفائف مرنة من تي3C2 MXene microelectrodes لديها مقاومة منخفضة بشكل ملحوظ بسبب الموصلية العالية ومساحة سطح محددة عالية من أفلام Ti3C2 MXene ، وقد أثبتت أنها حساسة بشكل رائع لتسجيل نشاط الخلايا العصبية. في هذا البروتوكول، ونحن نصف طريقة جديدة لmicropatterning Ti3C2 MXene في صفائف القطب الدقيق على ركائز البوليمر مرنة والخطوط العريضة لاستخدامها في تسجيل الكهروكورتيكة الدقيقة في الجسم الحي. يمكن تمديد هذه الطريقة بسهولة لإنشاء صفائف أقطاب MXene ذات الحجم التعسفي أو الهندسة لمجموعة من التطبيقات الأخرى في الإلكترونيات الحيوية ويمكن أيضًا تكييفها للاستخدام مع الأحبار الموصلية الأخرى إلى جانب Ti3C2 MXene. يتيح هذا البروتوكول تصنيع الأقطاب الكهربائية الدقيقة البسيطة والقابلة للتطوير من الأحبار الموصلة المستندة إلى الحلول ، ويسمح على وجه التحديد بتسخير الخصائص الفريدة للـ Ti3C2 MXene المائية للتغلب على العديد من الحواجز التي أعاقت لفترة طويلة اعتماد المواد النانوية المستندة إلى الكربون على نطاق واسع للأقطاب العصبية الدقيقة عالية الدقة.

Introduction

إن فهم الآليات الأساسية الكامنة وراء الدوائر العصبية، وكيفية تغيير ديناميكياتها في المرض أو الإصابة، هو هدف حاسم لتطوير علاجات فعالة لمجموعة واسعة من الاضطرابات العصبية والعصبية والعضلية. وقد استخدمت تكنولوجيات القطب المجهري على نطاق واسع لتوضيح الديناميات العصبية على المقاييس المكانية والزمنية الدقيقة. ومع ذلك، فقد ثبت أن الحصول على تسجيلات مستقرة مع نسبة عالية من الإشارات إلى الضوضاء (SNR) من الأقطاب الكهربائية ذات المستويات الدقيقة أمر صعب بشكل خاص. كما يتم تقليل أبعاد الأقطاب الكهربائية لنهج النطاق الخلوي، وارتفاع المقابلة في مقاومة القطب يحط من جودة الإشارة1. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت العديد من الدراسات أن الأقطاب الكهربائية الجامدة المكونة من مواد إلكترونية تقليدية من السيليكون والمعادن تنتج تلفًا والتهابًا كبيرًا في الأنسجة العصبية ، مما يحد من فائدتها للتسجيل على المدى الطويل2و3و4و5. وبالنظر إلى هذه الحقائق، كان هناك اهتمام كبير في تطوير الأقطاب الكهربائية الدقيقة مع مواد جديدة والتي يمكن أن تقلل من مقاومة واجهة القطب والأنسجة ويمكن دمجها في عوامل الشكل لينة ومرنة.

إحدى الطرق الشائعة الاستخدام للحد من مقاومة واجهة الأقطاب الكهربائية هي زيادة المنطقة التي يمكن أن تتفاعل عليها الأنواع الأيونية في السائل خارج الخلية مع القطب الكهربائي ، أو "منطقة السطح الفعالة" للقطب الكهربائي. ويمكن تحقيق ذلك من خلال nanopatterning6، سطح خشونة7، أو الكهربائي مع إضافات مسامية8،9. وقد اكتسبت المواد النانوية اهتماما كبيرا في هذا المجال لأنها توفر مناطق سطحية محددة في جوهرها عالية وتركيبات فريدة من الخصائص الكهربائية والميكانيكية مواتية10. على سبيل المثال، وقد استخدمت الأنابيب النانوية الكربونية كطلاء للحد بشكل كبير من مقاومة القطب الكهربائي11،12،13، أكسيد الجرافين في لينة ومرنة أقطاب التحقيق القائمة بذاتها14، وقد استخدمت الليزر الجرافين المسامية للمرنة ، وانخفاض مقاومة الصغرى الكهربائي (مايكرو ECoG) أقطاب كهربائية15. على الرغم من وعدهم ، أدى عدم وجود أساليب تجميع قابلة للتطوير إلى الحد من اعتماد المواد النانوية على نطاق واسع للأقطاب العصبية المتداخلة. المواد النانوية الكربونية على وجه الخصوص هي عادة مسعورة، وبالتالي تتطلب استخدام المواد السطحية16،superacids17،أو وظائف السطح18 لتشكيل تشتت مائي لطرق تصنيع معالجة الحلول، في حين أن أساليب بديلة للتصنيع، مثل ترسب البخار الكيميائي (CVD)، وعادة ما تتطلب درجات حرارة عالية والتي لا تتوافق مع العديد من الركائز البوليمرية19،20،21 ،22.

في الآونة الأخيرة ، تم وصف فئة من المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D) ، والمعروفة باسم MXenes ، والتي توفر مزيجًا استثنائيًا من الموصلية العالية ، والمرونة ، والكثافة الحجمية ، وhydrophilicity المتأصلة ، مما يجعلها فئة واعدة من المواد النانوية للأقطاب العصبية المتداخلة23. MXenes هي عائلة من كاربيدات معدنية 2D الانتقال والنييريدات التي تنتج هاهي الأكثر شيوعا عن طريق النقش انتقائي اعنصر من السلائف الطبقات. هذه هي عادة مراحل MAX مع الصيغة العامة Mn+1AXn، حيث M هو معدن الانتقال المبكر ، A هو عنصر مجموعة 12-16 من الجدول الدوري ، X هو الكربون و / أو النيتروجين ، وn = 1 ، 2 ، أو 324. تحتوي رقائق MXene ثنائية الأبعاد على مجموعات وظيفية منتهية السطح يمكن أن تشمل الهيدروكسيل (−OH) أو الأكسجين (−O) أو الفلور (−F). هذه المجموعات الوظيفية تجعل MXenes بطبيعتها مائية وتمكن من تعديل السطح المرن أو وظيفية. من فئة كبيرة من MXenes، Ti3C2 وقد تم الأكثر دراسة على نطاق واسع وتتميز25،26،27. Ti3C2 يظهر زيادة كبيرة بشكل ملحوظ الكمتري (1,500 F/cm3)28 من الجرافين المنشط (~ 60−100 F/cm3)29,الكربونات المشتقة من كربيد (180 F/cm3)30,وأفلام هلام الجرافين (~260 F/cm3)31. وعلاوة على ذلك، Ti3C2 يظهر الموصلية الإلكترونية عالية للغاية (~ 10،000 S/cm)32،وقد ثبت التوافق البيولوجي في العديد من الدراسات33،34،35،36. السعة الحجمية العالية لأفلام Ti3C2 مفيدة لتطبيقات الاستشعار والتحفيز البيولوجي ، لأن الأقطاب الكهربائية التي تحمل نقل الشحن ة بالسعة يمكن أن تتجنب تفاعلات التحلل المائي الضارة المحتملة.

وقد أظهرت مجموعتنا مؤخرا مرنة، رقيقة فيلم تي3C2 صفائف microelectrode، أعدت باستخدام طرق معالجة الحلول، والتي هي قادرة على تسجيل كل من الميكروكهربية (مايكرو ECoG) ونشاط الخلايا العصبية داخل القشرية في الجسم الحي مع SNR36عالية . أظهرت هذه الأقطاب الكهربائية MXene مقاومة منخفضة بشكل كبير مقارنة بأقطاب الذهب المتطابقة مع الحجم (Au) ، والتي يمكن أن تعزى إلى الموصلية العالية لـ MXene ومساحة السطح العالية للأقطاب الكهربائية. في هذا البروتوكول، ونحن نصف الخطوات الرئيسية لتلفيق صفائف microelectrode بلانتار من Ti3C2 MXene على ركائز مرنة parylene-C واستخدامها في الجسم الحي لتسجيل مايكرو ECoG داخل المنطوق. تستفيد هذه الطريقة من الطبيعة المائية لـ MXene ، مما يجعل من الممكن استخدام طرق معالجة الحلول البسيطة والقابلة للتطوير مع عدم الحاجة إلى استخدام المواد السطحية أو الحموضة الفائقة لتحقيق تعليق مائي مستقر. وقد تتيح سهولة المعالجة هذه إنتاج أجهزة الاستشعار البيولوجية MXene على نطاقات صناعية على نحو فعال من حيث التكلفة، وهو ما يشكل قيداً رئيسياً على اعتماد الأجهزة على نطاق واسع استناداً إلى مواد نانوية كربونية أخرى. الابتكار الرئيسي في تصنيع القطب يكمن في استخدام طبقة بولميرية التضحية لmicropattern MXene بعد تدور الطلاء، وهي طريقة مقتبسة من الأدب على بولي معالجة الحل (3،4-ethylenedioxythiophene) :poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) microelectrodes37، ولكن التي لم تكن قد وصفت سابقا لنمط MXene. الخصائص الكهربائية الاستثنائية من Ti3C2، إلى جانب قابليتها للمعالجة ومورفولوجيا 2D جعلها مادة واعدة للغاية للواجهات العصبية. وعلى وجه الخصوص، يوفر Ti3C2 طريقاً نحو التغلب على المفاضلة الأساسية بين المنطقة الهندسية للقطب الكهربائي ومقاومة الواجهة الكهروكيميائية، وهو عامل رئيسي يحد من أداء الأقطاب الكهربائية على نطاق صغير. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكييف إجراء التصنيع الموصوف في هذا البروتوكول لإنتاج صفائف أقطاب MXene ذات الأحجام والهندسات المختلفة لنماذج التسجيل المختلفة ، ويمكن أيضًا تكييفها بسهولة لدمج الأحبار الموصلة الأخرى إلى جانب MXene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

جميع الإجراءات في الجسم الحي مطابقة لدليل المعاهد الوطنية للصحة (المعاهد الوطنية للصحة) لرعاية واستخدام الحيوانات المختبرية وتمت الموافقة عليها من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) من جامعة بنسلفانيا.

1. توليف Ti3C2 MXene

ملاحظة: إجراءات التفاعل الموضحة في هذا القسم مخصصة للاستخدام داخل غطاء الدخان الكيميائي. والمقصود خطوات الغسيل المدرجة في هذا الإجراء لاستخدامها مع أنابيب الطرد المركزي متوازنة. وتعتبر جميع النفايات المنتجة نفايات خطرة وينبغي التخلص منها على النحو المناسب وفقا للمبادئ التوجيهية للجامعة.

تنبيه: حمض الهيدروفلوريك (HF) هو حمض خطير للغاية وشديد التآكل. راجع صحائف بيانات سلامة المواد (MSDS) للمواد الكيميائية المستخدمة في توليف MXenes قبل الاستخدام وتنفيذ واتباع تدابير السلامة المناسبة. تشمل معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) للتعامل مع HF معطفًا مختبريًا ، ومئزرًا مقاومًا للحمض ، وأحذية قريبة الأصابع ، وسراويل طويلة ، ونظارات واقية ، ودرع الوجه الكامل ، وقفازات النتريل ، وقفازات مقاومة HF مصنوعة من مطاط بوتيل أو مطاط النيوبرين.

  1. MAX مرحلة التوليف
    1. توليف Ti3AlC2 بواسطة طحن الكرة TiC (2 ميكرون)، Ti (44 ميكرومتر)، ومسحوق Al (44 ميكرومتر) بنسبة ضرس (TiC:Ti:Al) من 2:1:1 لـ 18 ساعة باستخدام كرات الزركونيا. وضع مساحيق في بوتقة الألومينا، والحرارة إلى 1380 درجة مئوية (5 درجة مئوية معدل التدفئة) وعقد لمدة 2 ساعة تحت الأرجون. بعد تبريد المساحيق، قم بطحن كتلة MAX وغربالها من خلال منخل شبكي 200 (<74 ميكرومتر حجم الجسيمات).
      ملاحظة: وقد ثبت أن Ti3AlC2 MAX المرحلة السلائف المستخدمة لتوليف MXenes أن يكون لها آثار مباشرة على الخصائص الناتجة تي3C2 MXene38. Ti3C2 المستخدمة لتلفيق الأقطاب العصبية كانت محفورة بشكل انتقائي من MAX أعدت بعد إجراء سابق26.
  2. النقش: إزالة طبقة Al في Ti3AlC2 في محلول etchant حمضي(الشكل 1A)
    1. إعداد محلول النقش الانتقائي في حاوية بلاستيكية 125 مل عن طريق إضافة 12 مل من الماء المنزوع الأيونات (DI H2O) تليها إضافة 24 مل من حمض الهيدروكلوريك (HCl). ارتداء جميع معدات الحماية الشخصية المحفورة HF المناسبة، إضافة 4 مل من HF إلى حاوية etchant. تنفيذ النقش الانتقائي عن طريق إضافة ببطء 2 غرام من تي3AlC2 MAX المرحلة إلى حاوية التفاعل والتحريك مع شريط تيفلاون المغناطيسي لمدة 24 ساعة في 35 درجة مئوية في 400 دورة في الدقيقة.
  3. الغسيل: جلب المادة إلى درجة الحموضة المحايدة.
    1. ملء اثنين من أنابيب الطرد المركزي 175 مل مع 100 مل من DI H2O. تقسيم خليط تفاعل النقش إلى 175 مل أنابيب الطرد المركزي وغسل المواد عن طريق الطرد المركزي المتكرر في 3500 دورة في الدقيقة (2550 × ز)لمدة 5 دقيقة. Decant supernatant الحمضية في حاوية النفايات الخطرة البلاستيكية. كرر حتى تصل درجة الحموضة إلى 6.
  4. التكال: إدخال الجزيئات بين جسيمات MXene متعددة الطبقات لإيقاظ التفاعلات خارج المستوى(الشكل 1B)
    1. أضف 2 غرام من كلوريد الليثيوم (LiCl) إلى 100 مل من DI H2O وحرك عند 200 دورة في الدقيقة حتى يذوب. مزيج 100 مل من LiCl / H2O مع تي3C2/ Ti3AlC2 الرواسب وتحريك رد الفعل لمدة 12 ساعة في 25 درجة مئوية.
  5. علم التقطير: تقشير من الجسيمات متعددة الطبقات السائبة إلى طبقة واحدة إلى قليلة Ti3C2 MXene(الشكل 1C)
    1. غسل التفاعل البيني في 175 أنابيب الطرد المركزي مل عن طريق الطرد المركزي في 2550 × ز لمدة 5 دقيقة. Decant supernatant واضحة. كرر حتى يتم العثور على supernatant الظلام.
    2. الاستمرار في الطرد المركزي لمدة ساعة واحدة عند 2,550 × ز. Decant وsupernatant تمييع الخضراء.
    3. إعادة تفريق الرواسب المنتفخة مع 150 مل من DI H2O. نقل supernatant إلى 50 مل أنابيب الطرد المركزي والطرد المركزي في 2550 × ز لمدة 10 دقائق لفصل ماكس المتبقية (الرواسب) من MXene (supernatant).
      ملاحظة: إعادة تشتت الرواسب سوف تصبح صعبة وسوف تتطلب الانفعالات أو اهتزاز يدوي.
    4. جمع supernatant كما Ti3C2 MXene. قم بإجراء المزيد من اختيار الحجم وتحسين الحل لعزل رقائق الطبقة المفردة إلى القليلة عن طريق جمع الـ supernatant بعد خطوة الطرد المركزي عند 2,550 x g لساعة واحدة.
  6. حل التخزين: تغليف الحبر MXene للتخزين على المدى الطويل(الشكل 1D)
    1. Argon فقاعة الحلول لمدة 30 دقيقة قبل التعبئة والتغليف في قارورة مساحة الرأس مختومة الأرجون (نقل عن طريق حقنة). تخزين الحلول بتركيزات عالية (>5 ملغم/مل)، بعيدًا عن أشعة الشمس، وفي درجات حرارة منخفضة (≤5 درجة مئوية) لضمان طول العمر.

2. تصنيع Ti3C2 MXene Microelectrode صفائف

ملاحظة: الإجراء الموصوف في هذا القسم مخصص للاستخدام داخل مرفق غرفة نظيفة قياسية في الجامعة، مثل مركز سينغ لتكنولوجيا النانو في جامعة بنسلفانيا. هذا المرفق، فضلا عن مرافق مماثلة، متاحة للمستخدمين الخارجيين كجزء من الشبكة الوطنية للبنية التحتية لتكنولوجيا النانو (NNIN) بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF). في هذه المرافق، يتم توفير العديد من الأدوات والمعدات والمواد الموصوفة في هذا القسم جنبا إلى جنب مع الوصول إلى مرفق غرفة نظيفة ولن تتطلب شراء منفصلة.

تنبيه: العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في تصنيع أقطاب MXene خطرة ، بما في ذلك مقاومة ضوئية ، مطور RD6 ، PG مزيل ، محلول محفور الألومنيوم ، وetchant أكسيد المخزنة. استشارة MSDS لهذه المواد الكيميائية قبل استخدامها وتنفيذ واتباع تدابير السلامة المناسبة في جميع الأوقات. وينبغي التعامل مع جميع المواد الكيميائية في غطاء الدخان.

  1. إيداع طبقة أسفل سميكة 4 ميكرومتر من الباريلين-C على رقاقة Si نظيفة (انظر الشكل 2A).
  2. استخدام قناع الضوئي الأول (قناع-1) لتحديد التشابكات المعدنية للأجهزة، فضلا عن حلقة معدنية حول حافة رقاقة للمساعدة في خطوات الإقلاع في وقت لاحق(الشكل 2B).
    1. سبين معطف NR71-3000p على رقاقة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 40 s. لينة خبز رقاقة على لوحة ساخنة لمدة 14.5 دقيقة في 95 درجة مئوية.
    2. تحميل رقاقة وقناع-1 في المصفف قناع. ضع الرقاقة بحيث يتداخل الخاتم على قناع الضوئي مع جميع حواف الرقاقة.
    3. فضح مع خط i (365 نانومتر الطول الموجي) بجرعة 90 mJ/cm2. من الصعب خبز رقاقة على لوحة ساخنة لمدة 1 دقيقة في 115 درجة مئوية.
    4. تزج رقاقة في المطور RD6 لمدة 2 دقيقة، مما يثير باستمرار الحل. شطف جيدا مع DI H2O وضربة جافة مع بندقية N2.
    5. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 10 نانومتر Ti، تليها 100 نانومتر الاتحاد الافريقي على رقاقة.
      ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
    6. تزج رقاقة في PG مزيل ل ~ 10 دقيقة حتى ضوء قد حل والمعدن الزائد قد رفعت تماما قبالة، وترك Ti / الاتحاد الافريقي فقط في آثار الربط المطلوب وحلقة حول حافة رقاقة. مرة واحدة الإقلاع يبدو كاملا، سونيكات لمدة 30 ثانية لإزالة أي آثار المتبقية من المعدن غير المرغوب فيه. شطف رقاقة أولا في حل PG مزيل نظيفة، ثم شطف جيدا في DI H2O وتجفيف رقاقة مع بندقية N2.
  3. إيداع طبقة الباريلين-C الذبيحة(الشكل 2C).
    1. فضح رقاقة لO2 البلازما لمدة 30 ق لجعل طبقة الباريلين-C الكامنة المائية. تدور معطف 2٪ حل التنظيف (على سبيل المثال، مايكرو-90) في DI H2O على رقاقة في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 30 s. السماح رقاقة لتجفيف الهواء لمدة 5 دقيقة على الأقل.
      ملاحظة: يعمل محلول الصابون المخفف كمضاد لاصق ، مما يسمح بتقشير طبقة الباريلين-C الذبيحة في وقت لاحق من العملية.
    2. إيداع 3 ميكرومتر من الباريلين-C على رقاقة.
  4. استخدام قناع الضوئي الثاني (قناع-2) لتحديد أنماط MXene وحلقة حول حافة رقاقة(الشكل 2D).
    1. كرر الخطوات 2.2.1−2.2.4، وهذه المرة باستخدام القناع-2 ومحاذاة علامات المحاذاة بعناية بين الرقاقة وقناع الضوئي قبل التعرض.
    2. استخدام O2 البلازما الحفر التفاعلية أيون (RIE) إلى حفر من خلال طبقة التكافؤ الذبيحة-C في المناطق التي لا تغطيها مقاومة للضوء لتحديد أقطاب MXene وآثار، والتي ينبغي أن تتداخل جزئيا مع التشابكتي تي / الاتحاد الافريقي، فضلا عن حلقة حول حواف رقاقة. تأكيد النقش الكامل لطبقة الباريلين-C الأضاحي باستخدام مقياس التنميط لقياس الملف الشخصي بين الفواصل البينية Ti/Au المكشوفة وطبقة الباريلين-C السفلية.
      ملاحظة: عند اكتمال النقش، سيكون الملف الشخصي عبر السطح المعدني المكشوف سلسًا، في حين أن طبقة الباريلين-C السفلية ستكون خشنة ومحفورة جزئيًا. وينبغي أن تكتمل هذه الخطوة حفر في نظام ري حفر البنار، وليس asher برميل، وأوقات حفر والمعلمات سوف تكون تعتمد اعتمادا كبيرا على نظام RIE.
  5. سبين معطف حل MXene على رقاقة(الشكل 2E).
    1. مافيت MXene الحل على كل من أنماط MXene المطلوب، ثم تدور رقاقة في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 40 s. تجفيف رقاقة على لوحة ساخنة 120 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة لإزالة أي الماء المتبقي من فيلم MXene.
  6. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 50 نانومتر SiO2 على رقاقة، لتكون بمثابة طبقة واقية على أنماط MXene لخطوات المعالجة اللاحقة.
    ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
  7. إزالة طبقة التكافؤ الذبيحة-C لنمط طبقات MXene و SiO2 (الشكل 2F).
    1. تطبيق قطرة صغيرة من DI H2O على حافة رقاقة واستخدام ملاقط لتقشير طبقة التكافؤ الذبيحة-C، بدءا حيث يتم تعريف حوافها في حلقة حول خارج رقاقة.
      ملاحظة: سوف تتحد المياه مع بقايا الصابون تحت طبقة الباريلين-C التضحية لتمكين هذا الإقلاع.
    2. شطف رقاقة جيدا في DI H2O لإزالة أي بقايا محلول التنظيف المتبقية. تجفيف رقاقة مع بندقية N2، ثم وضع على لوحة ساخنة 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لإزالة أي المياه المتبقية من الأفلام MXene منقوشة.
  8. إيداع الطبقة العليا سميكة 4 ميكرومتر من الباريلين-C(الشكل 2G).
  9. استخدام قناع الضوئي الثالث (قناع-3) لتحديد مخطط الجهاز والفتحات على الأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي (VIAs)(الشكل 2H).
    1. كرر الخطوات 2.2.1−2.2.4، وهذه المرة باستخدام القناع-3 ومحاذاة علامات المحاذاة بعناية بين الرقاقة وقناع الضوئي قبل التعرض.
    2. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 100 نانومتر آل على رقاقة.
      ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
    3. تزج رقاقة في PG مزيل ل ~ 10 دقيقة حتى المعدن قد رفعت تماما قبالة، وترك آل تغطي الأجهزة مع فتحات للأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط. عند اكتمال الإقلاع، سونيكات لمدة 30 s لإزالة أي آثار المتبقية من المعدن غير المرغوب فيها. شطف رقاقة أولا في حل PG مزيل نظيفة، ثم شطف جيدا في DI H2O وتجفيف رقاقة مع بندقية N2.
  10. حفر parylene-C لنمط مخطط الجهاز والفتحات على الأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي (VIAs)(الشكل 2I). استخدام O2 البلازما RIE إلى حفر من خلال طبقات parylene-C المحيطة بالأجهزة، ومن خلال طبقة الباريلين-C العلوي ة التي تغطي كل من الاتصالات القطب MXene ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي.
    ملاحظة: اكتمال النقش عندما لا تبقى بقايا parylene-C على الرقاقة بين الأجهزة. طبقة SiO2 التي تغطي MXene ستكون بمثابة طبقة توقف الحفر ، ومنع البلازما O2 من النقش في أو إتلاف اتصالات القطب MXene.
  11. حفر طبقة Al تغطي الأجهزة باستخدام حفر كيميائية مبللة في Al etchant Type A عند درجة حرارة 50 درجة مئوية إما لمدة 10 دقيقة ، أو لمدة دقيقة واحدة في الماضي عندما تختفي جميع الآثار البصرية لـ Al ، أيهما يأتي أولاً. حفر SiO2 تغطي أقطاب MXene باستخدام حفر الكيميائية الرطب في 6:1 etchant أكسيد المخزنة مؤقتا (BOE) لمدة 30 s(الشكل 2J).
    ملاحظة: صفائف Microelectrode MXene كاملة الآن.
  12. الافراج عن الأجهزة من رقاقة الركيزة SI عن طريق وضع قطرة صغيرة من DI H2O على حافة جهاز، وتقشير بلطف حتى الجهاز كما الماء هو شرير تحته عن طريق العمل الشعرية(الشكل 2K والشكل 3).

3. محول البناء والتداخل

ملاحظة: عند هذه النقطة، يجب أن تكون صفائف microelectrode طبقة رقيقة واجهة مع محول للاتصال بنظام تسجيل الفيزيولوجيا الكهربائية. يتطلب وحدة تحكم التحفيز/التسجيل 128ch مع جهاز التحكم RHS2000 16-ch/record(جدول المواد)المستخدم في هذا البروتوكول إدخالًا عبر موصل متوافق مع موصل 18 دبوس A79039-001. يستخدم هذا القسم لوحة دوائر مطبوعة (PCB، الشكل 4A)مع موصل قوة الإدراج الصفري (ZIF) للتفاعل مع منصات الترابط Au على صفيف microelectrode والموصل A79040-001 للتداخل مع مرحلة الرأس في نظام التسجيل. اعتمادا على نظام الحصول على البيانات، يمكن استخدام موصلات مختلفة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتمكين التداخل مع مرحلة الفيزيولوجيا الكهربائية.

  1. لحام وموصلات Omnetics وZIF إلى PCB عن طريق تطبيق طبقة رقيقة من عجينة لحام على كل من منصات الاتصال على PCB، ووضع أجزاء في مواقعها المناسبة، والتدفئة على لوحة ساخنة حتى يتدفق لحام لتشكيل اتصالات(الشكل 4B).
    ملاحظة: يمكن أن يتم لحام إعادة التدفق بسهولة جدا على لوحة ساخنة أو في فرن محمصة ولا يتطلب استخدام فرن إعادة تدفق مكلفة.
  2. تطبيق طبقتين من الشريط البوليميد(جدول المواد)إلى الجانب الخلفي من منطقة لوحة الترابط الاتحاد الافريقي من صفيف Microelectrode MXene لإعطاء الجهاز سمك كاف ليتم تأمينها في موصل ZIF. بعد تطبيق الشريط، تقليم أي فائض وراء حواف الجهاز parylene-C باستخدام شفرة حلاقة أو مقص الدقة(الشكل 4C).
  3. إما تحت نطاق التفتيش أو باستخدام نظارات مكبرة ، قم بمحاذاة صفيف MXene microelectrode في موصل ZIF بحيث تتوافق منصات الترابط Au مع الدبابيس داخل موصل ZIF ، ثم أغلق ZIF لتشكيل اتصال آمن(الشكل 4D ، E).
    ملاحظة: موصل ZIF المستخدم هنا هو موصل 18 قناة، بينما يحتوي الجهاز المستخدم هنا على 16 قناة. القنوات الإضافية التي لم يتم الاتصال بها يتم التعرف عليها بسهولة كدائرة مفتوحة عن طريق اختبار المعاوقة أثناء جلسات التسجيل.
  4. اختبار المقاومة الكهروكيميائية للأقطاب MXene باستخدام potentiostat لضمان التصنيع الناجح والاتصال بمحول PCB.
    ملاحظة: يتم إعطاء قيم مقاومة معقولة في قسم المناقشة للمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

4. زرع الحادة والتسجيل العصبي

ملاحظة: يتم إجراء العمليات الجراحية على الفئران الذكور الكبار سبراغ داولي باستخدام الأدوات المعقمة وتقنية معقمة. معدل التنفس، منعكس palpebral، ودواسة قرصة منعكس يتم فحص كل 10 دقيقة لمراقبة عمق التخدير. يتم الحفاظ على درجة حرارة الجسم مع وسادة التدفئة.

  1. إدارة المسكنات الوقائية (حقن تحت الجلد من الإفراج المستمر buprenorphine [ريال]، 1.2 ملغ /كغ).
  2. إعطاء التخدير (حقن داخل البلح بين الدم وخليط من 60 ملغ/كغ من الكيتامين و 0.25 ملغم/كغ ديكميدتوميدين).
  3. تأكيد المستوى المناسب من التخدير كل 10 دقيقة طوال التجربة عن طريق التحقق من عدم وجود ردود الفعل باببرال ودواسة قرصة.
  4. الفئران آمنة في إطار stereotaxic، وتطبيق زيوت التشحيم العين إلى العينين، وتنظيف فروة الرأس حليق مع 10٪ povidone-اليود.
  5. فضح calvaria مع شق واحد فروة الرأس منتصف الخط وتشريح حادة من الأنسجة الكامنة.
  6. وضع المسمار 00-90 في الجمجمة لتكون بمثابة الأرض للتسجيلات.
  7. باستخدام حفر الأسنان مع نتوء صغير، وجعل فقحف في موقع تسجيل القشرية المطلوب.
  8. قم بتأمين موصل الصفيف إلى مناور stereotaxic ووضع الجهاز فوق فروسي. أقل بلطف حتى الصفيف بأكمله هو على اتصال مع القشرة المكشوفة.
  9. لف السلك الأرضي حول المسمار الجمجمة.
  10. قم بتوصيل مرحلة رأس نظام التسجيل بالصفيف وابدأ في تسجيل النشاط التلقائي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تظهر عينة بيانات Micro-ECoG المسجلة على صفيف MXene microelectrode في الشكل 5. بعد تطبيق مجموعة الأقطاب الكهربائية على القشرة ، كانت الإشارات الفسيولوجية الواضحة واضحة على الفور على أقطاب التسجيل ، مع ما يقرب من 1 mV السعة ECoG إشارات تظهر على جميع أقطاب MXene. وأكدت أطياف الطاقة لهذه الإشارات وجود إيقاعين في الدماغ لوحظا عادة في الفئران تحت تخدير الكيتامين- ديكميدتوميدين: 1-2 هرتز التذبذبات البطيئة والتذبذبات بسرعة 40-70 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ توهين طاقة النطاق العريض التوقيع خلال حالة "أسفل" التذبذب البطيء، والنطاق الانتقائي α (15-30 هرتز) والنطاق (40−120 هرتز) من تضخيم الطاقة أثناء حالة "أعلى" للتذبذب البطيء. قد تختلف النتائج بناءً على الأنواع الحيوانية المستخدمة في الدراسة، ومنطقة الدماغ المستهدفة، ونوع التخدير، والوقت المنقضي منذ إعطاء التخدير.

Figure 1
الشكل 1: التخطيطي يصور إجراء توليف MXene. (A)Ti3AlC2 MAX يضاف إلى حل etchant انتقائية (HF، HCl، وDI H2O)، مما أدى إلى إزالة الألومنيوم (آل). (B)بعد غسل محلول النقش إلى درجة الحموضة المحايدة باستخدام DI H2O ، يتم الحصول على Ti3C2 متعدد الطبقات. يتم تداخل Ti3C2 متعدد الطبقات مع Li+ من محلول مائي من كلوريد الليثيوم (LiCl). (C)بعد غسل رد الفعل intercalation، لوحظ تورم الرواسب التي تمثل تبادل لي+ مع H2O. التحريض من نتائج الرواسب منتفخة في تقشير (أو delaminated) واحد إلى طبقة قليلة رقائق من Ti3C2 MXene في H2O. اختيار الحجم وفصل Ti3C2 MXene من Ti متعدد الطبقات3C2 وتي3AlC2 MAX المرحلة يحدث في هذه المرحلة (D)يتم نقل حبر Ti3C2 MXene عبر حقنة إلى قارورة مساحة رأس مختومة من Argon للتخزين على المدى الطويل. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مخططات لإجراء التصنيع لصفائف MXene microelectrode. (أ)يتم إيداع طبقة الباريلين-C السفلية على رقاقة Si نظيفة. (ب)Ti/Au (10 نانومتر/100 نانومتر) يتم نقش الآثار الموصلة من خلال الطباعة الحجرية الضوئية، وترسب الحزمة الإلكترونية، والإقلاع. (C)طبقة مضادة لللاصقة من محلول التنظيف 1٪ في DI H2O يتم تطبيقها ، تليها ترسب طبقة الباريلين-C الأضاحي. (د)يتم نقش طبقة الباريلين-C الذبيحة من خلال الطباعة الحجرية الضوئية وO2 RIE النقش. (E)Ti3C2 MXene هو تدور المغلفة على رقاقة، تليها ترسب شعاع الإلكترونية من 50 نانومتر من SiO2. (واو)يتم رفع طبقة الباريلين-C الذبيحة قبالة، يتم شطف بقايا محلول التنظيف قبالة، ويتم خبز رقاقة الجافة. (G)يتم إيداع أعلى طبقة الباريلين-C. (H)يتم نقش طبقة قناع Al etch من خلال الطباعة الحجرية الضوئية ، وترسب الحزمة الإلكترونية ، والإقلاع لتحديد VIAs ومخطط الجهاز. (I)يتم حفر Parylene-C على اتصالات القطب الكهربائي والأجهزة المحيطة بها بعيدا من خلال O2 RIE. (J)يتم حفر قناع حفر Al وSiO2 طبقة واقية على MXene بعيدا من خلال عمليات حفر الرطب. (K)يتم رفع الجهاز النهائي قبالة رقاقة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: صور فوتوغرافية وصور مجهرية بصرية لصفائف MXene microelectrode. (أ)صورة فوتوغرافية لرقاقة Si مقاس 3 بوصة تحتوي على 14 صفائف MXene microelectrode المكتملة. لاحظ حلقة الذهب حول الحافة الخارجية للرقاقة ، وهو أمر مفيد لتنفيذ الخطوة 2.7 بشكل فعال. (ب)صورة المجهر البصري تظهر تقشير جهاز مكتمل من الرقاقة باستخدام كمية صغيرة من DI H2O.(C)صورة المجهر البصري التي تظهر مجموعة من الأقطاب الدقيقة MXene. (د)صورة المجهر البصري لقطب MXene الفردية. أشرطة المقياس = 1 سم، 3 مم، 500 ميكرومتر، 20 ميكرومتر (من اليسار إلى اليمين). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تداخل صفيف MXene microelectrode مع لوحة المحول. (A)PCB مع منصات لحام Omnetics وموصلات ZIF. (ب)PCB بعد لحام موصلات Omnetics وZIF. (C)إضافة طبقات البوليميد إلى الجانب الخلفي من منصات الترابط Au من الجهاز، لإعطاء سمك كاف للموصل ZIF. يتم إضافة طبقتين من البوليميد (أعلى) ثم قلصت حول حواف (أسفل). (D)MXene صفيف microelectrode إدراجها في موصل ZIF مع المحاذاة المناسبة. (E)عرض أعلى من صفيف MXene microelectrode متصلة لوحة محول وجاهزة لتجربة التسجيل. مقياس أشرطة = 2 ملم الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: نتائج التسجيل العصبي التمثيلي. (أ)توضيح لوضع صفيف Micro-ECoG على السطح القشري لفأر مُسهّم. (ب)جزء من النشاط القشري المسجل المبين لـ 9 أقطاب كهربائية. ويشار إلى حالات "أسفل" القشرية المفترضة على أساس الحوض الصغير للتذبذب البطيء (1-2 هرتز) من خلال الدوائر الحمراء. (C)كثافات طيفية للطاقة لكل قناة تسجيل. (D)"أسفل" الرسم السكالي الذي أثارته الدولة لقناة Micro-ECoG التمثيلية. لاحظ توهين الطاقة ذات النطاق العريض أثناء حالة "لأسفل" والنطاق الانتقائي α (15-30 هرتز) والنطاق (40−120 هرتز) تضخيم الطاقة أثناء حالة "أعلى". يظهر التتبع الأسود المتراكب متوسط التذبذب البطيء. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تم بناء تركيب MXene وإجراءات delamination الموصوفة في هذا البروتوكول (HF / HCl / LiCl) من نهج النقش الخفيف الذي استخدم LiF / HCl (في الموقع HF) etchant المتوسطة26. يسمح نهج MILD برقائق Ti3C2 الكبيرة (عدة ميكرومترفي الحجم الجانبي) لتكون مُلحة تلقائيًا أثناء الغسيل بمجرد تحقيق درجة الحموضة ~ 5−6. بالمقارنة مع النقش مع HF وحدها، وهذا يؤدي إلى مواد ذات جودة أعلى وخصائص المواد المحسنة، مثل الموصلية الإلكترونية والاستقرار الكيميائي. تستفيد طريقة HF/HCl/LiCl من تحسينات التوليف الخفيفة ، بينما تفصل بالإضافة إلى ذلك كل خطوة (النقش ، التناسيب ، وdelamination) مما يسمح بمزيد من التحكم في المستخدم.

خلال الخطوة 1.1، ونسبة المواد الخام (TiC، Al، Ti)، ودرجة الحرارة، ومعدل درجة الحرارة المنحدر، والوقت حاسمة لتحقيق المرحلة القصوى الصحيح. وسوف غربلة المرحلة ماكس قبل النقش ضمان حفر أكثر تجانسا. يجب أن تتم إضافة مرحلة MAX إلى وسائط etchant (الخطوة 1.2) ببطء لمنع ارتفاع درجة الحرارة ويقترح قاعدة عامة من 5 دقيقة لكل 1 غرام من MAX. إذا أصبح ارتفاع درجة الحرارة تحديا، وينبغي استخدام حمام الجليد أثناء إضافة المرحلة تي3AlC2 ماكس. عند غسل رد فعل النقش على درجة الحموضة المحايدة (الخطوة 1.3) ، يجب أن يكون كل سوبرناتانحمضي بعد الطرد المركزي شفافًا. إذا كان السوبرناستان بعد الطرد المركزي داكنًا أو أخضر ًا مخففًا ، فقم بزيادة وقت الطرد المركزي و / أو السرعة إلى مواد الرواسب. لأن إضافة LiCl إلى H2O هو الطاردة للحرارة، وسوف تحدث بعض التدفئة (الخطوة 1.4). في هذا الإجراء، يكون وقت التكبيل (الخطوة 1.4) 12 ساعة، على الرغم من أنه يمكن تعديله أو تقصيره إلى أقل من 15 دقيقة. نوعية اللالمية (الخطوة 1.5) محددة لكمية المياه المستخدمة أثناء الغسيل ودرجة الانفعال. قد يتم تمييع supernatants خلال هذه الخطوة بدلاً من الشفافية. وإذا أصبح ترسب المواد تحدياً، ينبغي استخدام زيادة سرعة الطرد المركزي/الرصان. من الأهمية بمكان إجراء الفصل واختيار الحجم عن طريق الطرد المركزي (الخطوة 1.5) لتجنب عينات متعددة التشتت. سيؤدي الفشل في تنفيذ هذه الخطوة إلى حبر يحتوي على كل من Ti3AlC2 MAX للتلوث بالمرحلة وجزيئات كبيرة متعددة الطبقات Ti3C2. خلال الخطوة 1.6، من المهم أن يتم تقليل حجم مساحة الرأس من القارورة.

أثناء تصنيع صفائف MXene microelectrode ، هناك العديد من الخطوات الحاسمة التي تعتبر ضرورية لإنتاج أقطاب كهربائية تعمل عالية الجودة. من المهم تصميم أول قناع ضوئي بحيث يكون هناك حلقة معدنية منقوشة حول الحافة الخارجية للرقاقة (الخطوة 2.2) وقناع الضوئي الثاني بحيث يكون هناك حلقة قطرها المقابلة والأكبر قليلاً والتي سيتم حفرها من خلال طبقة الباريلين-C (الخطوة 2.4) للمساعدة في إزالة طبقة التضحية. بدون هذا الخاتم ، قد يكون من الصعب إنشاء حافة للبدء في تقشير طبقة الباريلين -C الذبيحة في الخطوة 2.7. خلال الخطوة 2.3، من الأهمية بمكان أن تعرض رقاقة لO2 البلازما للسماح للمحلول التنظيف تمييع للبلل بشكل صحيح والالتزام رقاقة. سيؤدي الفشل في تنفيذ هذه الخطوة إلى عدم تراكم مناطق الرقاقة طبقة مضادة لللاصقة ، مما يجعل إزالة طبقة الباريلين-C الذبيحة في الخطوة 2.7 مستحيلة. أثناء إزالة طبقة الباريلين-C الأضاحي في الخطوة 2.7 ، من المهم الحرص على تجنب خدش أو إتلاف طبقة الباريلين -C السفلية ، لأن هذا يمكن أن يؤدي إلى تشكيل فقاعات بين الباريلين-C السفلي ورقاقة Si ، وdelamination اللاحقة. إذا كانت طبقة البُرِيْيْل البَرَقِيَّة لا تَقَطُّر بسهولة، يمكن استخدام محلول تنظيف أكثر تركيزاً قليلاً (4% في DI) في الخطوة 2.3.1، أو يمكن أن يطول التعرض للبلازما O2 في الخطوة 2.3.1 لتحسين الهيدروفيليسيتية لطبقة الباريلين-C الأساسية.

بعد الانتهاء من التصنيع ، فإن تداخل جهاز MXene بشكل صحيح مع لوحة الموصل أمر ضروري. إضافة طبقتين من الشريط البولي في الخطوة 3.2 أمر ضروري لضمان سمك السليم للإدراج في موصل ZIF، ولكن ينبغي توخي الحذر لتجنب الطي العرضي أو تكوم الجهاز قابل للرقيقة parylene-C أثناء إضافة الشريط، كما أنه ليس من الممكن لإزالة الشريط دون إتلاف الجهاز. في وقت لاحق ، والمحاذاة السليمة من منصات الترابط الاتحاد الافريقي على جهاز MXene مع دبابيس داخل موصل ZIF(الشكل 4D)أمر ضروري لتشكيل اتصال قوي (الخطوة 3.3). في هذه المرحلة، قياس مقاومة أقطاب MXene مفيد لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها. يجب أن يكون لقطب MXene مربع 50 ميكرومتر × 50 ميكرومتر حجم مقاومة بالقرب من 50 كيلو فولت مربع على تردد 1 كيلو هرتز في 1x PBS ، وينبغي أن يكون لقطب MXene دائري قطره 25 ميكرومتر حجم مقاومة بالقرب من 200 kΟ تحت نفس المعلمات36. يمكن أن تشير المعاوقة أكبر بكثير من هذا إلى أن القطب الكهربائي غير متصل بشكل صحيح في موصل ZIF ، أو أن القطب MXene غير مكشوف ، كما قد يحدث إذا لم تكن طبقة الباريلين-C العلوية محفورة تمامًا في الخطوة 2.10 أو لم تكن طبقة SiO2 الواقية محفورة بالكامل في الخطوة 2.11.

أحد قيود هذه الطريقة هو التباين في سمك فيلم MXene الذي لوحظ في بعض الأحيان بعد MXene تدور الصب على رقاقة. يمكن أن يصبح هذا التباين أكثر وضوحًا إذا تم توسيع الأقطاب الكهربائية إلى مناطق أكبر. يمكن التغلب على هذا القيد بسهولة عن طريق استخدام الطلاء بدلا من الطلاء الدوار لتطبيق MXene على رقاقة، مما يمثل طريقة أخرى بسيطة، منخفضة التكلفة معالجة الحل التي MXene، وهذا البروتوكول، متوافقة39.

البروتوكول الموصوف هنا يقدم فرصا جديدة مثيرة في علم الأعصاب وفي مجال أكبر من الالكترونيات الحيوية. في حين كان هناك اهتمام منذ فترة طويلة في الاستفادة من المواد النانوية الكربونية للأقطاب الكهربائية العصبية، فإن دمج Ti3C2 MXene في هذه الأقطاب الكهربائية قد مكن التصنيع أبسط بكثير وأكثر إنتاجية عالية مما كان ممكنًا مع المواد النانوية الأخرى القائمة على الكربون. وعلاوة على ذلك، فإن الخصائص المعلقة من تي3C2 MXene تمنح الأقطاب مع مقاومة منخفضة بشكل ملحوظ لحجمها، وبالتالي تحسين الحساسية وجودة الإشارة. مجموعة متزايدة من الأدب كما يصف عددا من الأساليب لmicropatterning MXene ، والتي يمكن تكييفها لتلفيق MXene microelectrodes في المستقبل ، بما في ذلك الطباعة micro-contact40، الطباعة النافثة للحبر41،42، والآلي مشرط النقش43. هناك إمكانات كبيرة لتوسيع هذا البروتوكول لتصنيع تي3C2 MXene أقطاب من الحجم التعسفي والهندسة لمجموعة من التطبيقات biosensing.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

وقد دعم هذا العمل المعاهد الوطنية للصحة (منح رقم. R21-NS106434)، المواطنون المتحدون للبحوث في الصرع أخذ جائزة الطيران، ومؤسسة عائلة ميروفسكي ونيل وباربرا سسيت (F.V.)؛ برنامج زمالة أبحاث الدراسات العليا للمؤسسة الوطنية للعلوم (منح رقم DGE-1845298 إلى N.D. و B.M.); مكتب بحوث الجيش (رقم الاتفاق التعاوني W911NF-18-2-0026 إلى K.M.)؛ وبواسطة الجيش الأمريكي من خلال برنامج مبادرة علوم السطح في مركز إيدجوود البيولوجي الكيميائي (PE 0601102A مشروع VR9 إلى Y.G. و K.M.). تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في مركز سينغ لتكنولوجيا النانو، الذي يدعمه البرنامج الوطني للبنية التحتية المنسقة لتكنولوجيا النانو التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم (NNCI-1542153).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
00-90 screw McMaster-Carr 90910A630 Skull screw around which ground wire is wrapped
128ch stimulation/recording controller Intan Technologies A component of the neural recording system.
175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes Falcon REF: 352076 Used for washing
18 position 0.5 mm pitch ZIF connector Molex 505110-1892 Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board.
18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector Omnetics Connector Corporation A79008-001 Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage.
3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes Rienar Rienar-3ML-20PCS Used for transferring etchant or MXene solutions
50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube Falcon REF: 352070 Used for washing and size selection
Al etchant Type A Transene 060-0026000-QT For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch.
Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm Alfa Aesar CAS: 7429-90-5 Used for MAX synthesis
AutoCAD software Autodesk Inc. Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor.
Buffered Oxide Etchant 6:1 JT Baker 1178-03 For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure.
Buprenorphine SR Wildlife Pharmaceuticals Analgesia for rat surgery
Centrifuge Hermle Benchmark Z 446 Used for washing and size selection
Dexdomitor Midwest Veterinary Supply 193.13250.3 Anesthesia for rat surgery
Drill burr Fine Science Tools 19007-07 Burrs for drill
Electric drill Foredom K.1070 Micromotor drill for craniotomies
Electron beam evaporator Kurt J. Lesker Company Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool.
Ground wire A-M Systems 781500 Bare silver wire
Headspace Vial, glass Supelco REF: 27298 Used for storing MXene solutions
Hydrochloric acid (12.1N) Fisher Scientific CAS: 7647-01-0 Corrosive; etchant material
Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) Acros CAS: 7664-39-3 Etchant material
Jupiter II RIE system March Plasma Systems Inc. Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system.
Kapton standard polyimide tape, 1/4" DuPont Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector.
Ketamine Hospital of the Univ. of Penn. Anesthesia for rat surgery
KLA P-7 Stylus Profilometer KLA Corporation Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool.
Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous Acros CAS: 7447-41-8 Hygroscopic; delamination material
MA6 mask aligner Karl Suss Microtec AG Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool.
Micro-90 cleaning solution International Products Corporation M-9050-12 Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene
NR71-3000p photoresist Futurrex Inc. NR71-3000p Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices.
Ophthalmic ointment Midwest Veterinary Supply 193.63200.3 To prevent corneal drying during surgery
Parylene deposition system Specialty Coating Systems Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C
Parylene-C dimer Specialty Coating Systems 980130-c-01lbe Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices
Photomasks (chrome on soda lime glass) University of Pennsylvania Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files.
Povidone-iodine solution Medline MDS093901 To help prevent infection around scalp incision
Printed Circuit Board (PCB) Advanced Circuits Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files.
RD6 Developer Futurrex Inc. RD6 Developer Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure
Reference 600 potentiostat Gamry Instruments Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices
Remover PG MicroChem Corp. G050200 Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning
RHS2000 Stim SPI interface cable Intan Technologies A component of the neural recording system.
RHS2116 amplifier board Intan Technologies A component of the neural recording system.
Si wafers Wafer World 2885 Substrate for fabrication
Spin Coater Cost Effective Equipment For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters.
Stereotaxic frame Kopf Instruments Model 902 For positioning the rat for neurosurgery
Teflon-coated magnetic stir bar Corning REF: 1233W95 Used to stir during etching and intercalation
Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm Alfa Aesar CAS: 12070-08-5 Used for MAX synthesis
Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm Alfa Aesar CAS: 7440-32-6 Used for MAX synthesis
Ultrasonic bath sonicator Reynolds Tech For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals.
UV vis spectrophotometer ThermoScientific Evolution 201 Used to determine concentration and observe absorption peak
Zetasizer, Particle Size Analysis Malvern Panalytical Nano ZS Used to determine particle lateral size distibution

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 156، MXene، المواد ثنائية الأبعاد، المواد النانوية، الإلكترونيات الحيوية، الأقطاب الكهربائية العصبية، الواجهات العصبية، الهندسة العصبية
تلفيق Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub> MXene Microelectrode صفائف <em>في فيفو</em> التسجيل العصبي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Driscoll, N., Maleski, K.,… More

Driscoll, N., Maleski, K., Richardson, A. G., Murphy, B., Anasori, B., Lucas, T. H., Gogotsi, Y., Vitale, F. Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording. J. Vis. Exp. (156), e60741, doi:10.3791/60741 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter