Summary
We beschrijven hier een methode voor het fabriceren van Ti3C2 MXene micro-elektrode arrays en ze te gebruiken voor in vivo neurale opname.
Abstract
Implanteerbare micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op de microschaal op te helderen om een dieper begrip van de neurale onderbouwing van hersenziekten en letsel te krijgen. Aangezien elektroden worden geminiaturiseerd tot de schaal van individuele cellen, beperkt een overeenkomstige stijging van de interfaceimpedantie de kwaliteit van geregistreerde signalen. Bovendien zijn conventionele elektrodematerialen stijf, wat resulteert in een significante mechanische mismatch tussen de elektrode en het omringende hersenweefsel, wat een ontstekingsreactie uitlokt die uiteindelijk leidt tot een verslechtering van de prestaties van het apparaat. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben we een proces ontwikkeld om flexibele micro-elektroden te fabriceren op basis van Ti3C2 MXeen, een recent ontdekt nanomateriaal dat opmerkelijk hoge volumesvochtcapaciteit, elektrische geleidbaarheid, oppervlaktefunctionaliteit en verwerkbaarheid in waterige dispersies bezit. Flexibele arrays van Ti3C2 MXeen micro-elektroden hebben opmerkelijk lage impedantie als gevolg van de hoge geleidbaarheid en hoge specifieke oppervlakte van de Ti3C2 MXeen films, en ze hebben bewezen uitstekend gevoelig te zijn voor het opnemen van neuronale activiteit. In dit protocol beschrijven we een nieuwe methode voor micropatterning Ti3C2 MXeen in micro-elektrodearrays op flexibele polymere substraten en schetsen we het gebruik ervan voor in vivo micro-elektrocorticografie-opname. Deze methode kan gemakkelijk worden uitgebreid tot MXene elektrode arrays van willekeurige grootte of geometrie voor een reeks andere toepassingen in bio-elektronica te creëren en het kan ook worden aangepast voor gebruik met andere geleidende inkten naast Ti3C2 MXeen. Dit protocol maakt eenvoudige en schaalbare fabricage van micro-elektroden uit op oplossingen gebaseerde geleidende inkten mogelijk, en maakt het specifiek mogelijk om de unieke eigenschappen van hydrofiele Ti3C2 MXeen te benutten om veel van de barrières te overwinnen die de wijdverbreide adoptie van koolstofgebaseerde nanomaterialen voor neurale micro-elektroden op basis van koolstof lang hebben belemmerd.
Introduction
Inzicht in de fundamentele mechanismen die ten grondslag liggen aan neurale circuits, en hoe hun dynamiek worden veranderd bij ziekte of letsel, is een cruciaal doel voor het ontwikkelen van effectieve therapieën voor een breed scala van neurologische en neuromusculaire aandoeningen. Micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op fijne ruimtelijke en temporele schalen op te helderen. Het verkrijgen van stabiele opnames met een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van microschaalelektroden is echter bijzonder uitdagend gebleken. Aangezien de afmetingen van de elektroden worden gereduceerd tot de aanpak van cellulaire schaal, een overeenkomstige stijging van elektrode impedantie degradeert signaalkwaliteit1. Bovendien hebben talrijke studies aangetoond dat stijve elektroden bestaande uit conventionele silicium en metalen elektronische materialen aanzienlijke schade en ontstekingen in het neurale weefsel produceren, wat hun nut voor langdurigeregistratie2,3,4,5beperkt. Gezien deze feiten is er grote belangstelling voor de ontwikkeling van micro-elektroden met nieuwe materialen die de elektrode-weefsel interface impedantie kunnen verminderen en kunnen worden opgenomen in zachte en flexibele vormfactoren.
Een veelgebruikte methode voor het verminderen van de elektrode-weefsel interface impedantie is het verhogen van het gebied waarover ionische soorten in de extracellulaire vloeistof kunnen interageren met de elektrode, of de "effectieve oppervlakte" van de elektrode. Dit kan worden bereikt door nanopatroon6, oppervlakte verruwing7, of elektroplating met poreuze additieven8,9. Nanomaterialen hebben veel aandacht gekregen op dit gebied omdat ze intrinsiek hoge specifieke oppervlaktes en unieke combinaties van gunstige elektrische en mechanische eigenschappen bieden10. Zo zijn koolstofnanobuisjes gebruikt als coating om elektrodeimpedantie11,12,13,grafeenoxide aanzienlijk te verminderen tot zachte, flexibele vrijstaande sondeelektroden14, en laser-pyrolyseporeus grafeen is gebruikt voor flexibele, lage impedantie micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) elektroden15. Ondanks hun belofte heeft een gebrek aan schaalbare assemblagemethoden de wijdverbreide adoptie van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden beperkt. Met name nanomaterialen op basis van koolstof zijn doorgaans hydrofoob en vereisen dus het gebruik van oppervlakteactieve stoffen16, superzuren17of oppervlaktefunctionalisatie18 om waterige dispersies te vormen voor fabricagemethoden vooroplossingsverwerking,terwijl alternatieve fabricagemethoden, zoals chemische dampdepositie (CVD), doorgaans hoge temperaturen vereisen die onverenigbaar zijn met veel polymere substraten19,20,21 ,22.
Onlangs is een klasse van tweedimensionale (2D) nanomaterialen, bekend als MXenes, beschreven die een uitzonderlijke combinatie van hoge geleidbaarheid, flexibiliteit, volumetrische capaciteit en inherente hydrofielheid biedt, waardoor ze een veelbelovende klasse van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden23. MXenen zijn een familie van 2D overgang metaalcarbides en nitriden die het meest worden geproduceerd door selectief etsen van de A-element van gelaagde precursoren. Dit zijn meestal MAX-fasen met de algemene formule Mn+1AXn, waarbij M een early transition metal is, is A een onderdeel 12−16 element van het periodiek systeem, X is koolstof en/of stikstof, en n = 1, 2 of 324. Tweedimensionale MXeenvlokken hebben oppervlakteeindigende functionele groepen die hydroxyl (−OH), zuurstof (−O) of fluor (−F) kunnen omvatten. Deze functionele groepen maken MXenen inherent hydrofiel en maken flexibele oppervlaktemodificatie of functionalisatie mogelijk. Van de grote klasse van MXenen, Ti3C2 is de meest uitgebreid bestudeerd en gekenmerkt25,26,27. Ti3C2 toont opmerkelijk hogere volumetrische capaciteit (1.500 F/cm3)28 dan geactiveerd grafeen (~60−100 F/cm3)29, carbide-afgeleide koolstof (180 F/cm3)30, en grafeengelfilms (~260 F/cm3)31. Bovendien vertoont Ti3C2 een extreem hoge elektronische geleidbaarheid (~ 10.000 S/cm)32, en de biocompatibiliteit ervan is aangetoond in verschillende studies33,34,35,36. De hoge volumetrische capaciteit van Ti3C2-films is voordelig voor biologische detectie- en stimulatietoepassingen, omdat elektroden die capacitieve ladingoverdracht vertonen potentieel schadelijke hydrolysereacties kunnen voorkomen.
Onze groep heeft onlangs aangetoond flexibele, dunne-film Ti3C2 micro-elektrode arrays, voorbereid met behulp van oplossing verwerkingsmethoden, die in staat zijn het opnemen van zowel micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) en intracorticale neuronale spiking activiteit in vivo met hoge SNR36. Deze MXeenelektroden vertoonden een aanzienlijk verminderde impedantie in vergelijking met met grootte afgestemde goud (Au) elektroden, die kunnen worden toegeschreven aan de hoge geleidbaarheid van MXeen en het hoge oppervlak van de elektroden. In dit protocol beschrijven we de belangrijkste stappen voor het fabriceren van vlakke micro-elektrodearrays van Ti3C2 MXeen op flexibele paryleen-C substraten en gebruiken ze in vivo voor intraoperatieve micro-ECoG-opname. Deze methode maakt gebruik van het hydrofiele karakter van MXeen, dat het gebruik van oplossingsverwerkingsmethoden mogelijk maakt die eenvoudig en schaalbaar zijn, zonder dat het gebruik van oppervlakteactieve stoffen of superzuren nodig is om stabiele waterige suspensivers te bereiken. Dit gemak van verwerkbaarheid kan een kosteneffectieve productie van MXeene-biosensoren op industriële schalen mogelijk maken, wat een belangrijke beperking is geweest voor de wijdverbreide adoptie van apparaten op basis van andere koolstofnanomaterialen. De belangrijkste innovatie in de elektrodefabricage ligt in het gebruik van een offerpolymerische laag om het MXeen na spin-coating te micropatroon, een methode die is aangepast uit de literatuur over op de oplossing verwerkte poly(3,4-ethyleenoxythiophene):poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) micro-elektroden37, maar die niet eerder was beschreven voor het patroon van MXeen. De uitzonderlijke elektrische eigenschappen van Ti3C2, in combinatie met de verwerkbaarheid en 2D morfologie maken het een veelbelovend materiaal voor neurale interfaces. In het bijzonder, Ti3C2 biedt een route naar het overwinnen van de fundamentele trade-off tussen elektrode geometrische gebied en elektrochemische interface impedantie, een primaire beperkende factor voor micro-schaal elektrode prestaties. Bovendien kan de fabricageprocedure die in dit protocol wordt beschreven, worden aangepast om MXeen-elektrodearrays van verschillende groottes en geometrieën voor verschillende opnameparadigma's te produceren, en kan deze ook gemakkelijk worden aangepast om andere geleidende inkten naast MXene op te nemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle in vivo procedures in overeenstemming met de National Institutes of Health (NIH) Guide for the Care and Use of Laboratory Animals en werden goedgekeurd door het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Universiteit van Pennsylvania.
1. Synthese van Ti3C2 MXeen
OPMERKING: De reactieprocedures beschreven in deze sectie zijn bedoeld voor gebruik in een chemische rookkap. Waspassen die in deze procedure zijn opgenomen, zijn bedoeld om te worden gebruikt met gebalanceerde centrifugebuizen. Al het geproduceerde afval wordt beschouwd als gevaarlijk afval en moet op de juiste wijze worden weggegooid volgens de richtlijnen van de universiteit.
LET OP: Fluorzuur (HF) is een uiterst gevaarlijk, zeer corrosief zuur. Raadpleeg de materialen veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voor de chemische stoffen die worden gebruikt om MXenes voor gebruik te synthetiseren en de juiste veiligheidsmaatregelen te implementeren en te volgen. Geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) voor het hanteren van HF omvat een laboratoriumjas, zuurbestendige schort, schoenen met een nauwe sluiting, lange broek, bril, full face shield, nitrilhandschoenen en HF-resistente handschoenen gemaakt van butylrubber of neopreenrubber.
- MAX fasesynthese
- Synthetiseren Ti3AlC2 door balfrezen TiC (2 μm), Ti (44 μm) en Al (44 μm) poeders bij een kiesverhouding (TiC:Ti:Al) van 2:1:1 voor 18 uur met zirkoniaballen. Plaats de poeders in een lichtoxidekroes, verwarm tot 1.380 °C (5 °C verwarmingssnelheid) en houd 2 uur onder argon. Nadat de poeders zijn afgekoeld, wik het MAX-blok en zeef je door een 200 gaaszeef (<74 μm deeltjesgrootte).
OPMERKING: De Ti3AlC2 MAX fase voorloper gebruikt om MXenes synthetiseren is aangetoond dat directe gevolgen hebben voor de resulterende Ti3C2 MXeen eigenschappen38. De Ti3C2 gebruikt om neurale elektroden te fabriceren werd selectief geëtste van MAX bereid na een eerdere procedure26.
- Synthetiseren Ti3AlC2 door balfrezen TiC (2 μm), Ti (44 μm) en Al (44 μm) poeders bij een kiesverhouding (TiC:Ti:Al) van 2:1:1 voor 18 uur met zirkoniaballen. Plaats de poeders in een lichtoxidekroes, verwarm tot 1.380 °C (5 °C verwarmingssnelheid) en houd 2 uur onder argon. Nadat de poeders zijn afgekoeld, wik het MAX-blok en zeef je door een 200 gaaszeef (<74 μm deeltjesgrootte).
- Ets: Verwijdering van de Al-laag in Ti3AlC2 in een zure etchant-oplossing(figuur 1A)
- Bereid de selectieve etsoplossing voor in een 125 mL plastic container door eerst 12 mL gedeïoniseerd water (DI H2O) toe te voegen, gevolgd door de toevoeging van 24 mL zoutzuur (HCl). Het dragen van alle geschikte HF etsPPE, voeg 4 mL HF aan de etchant container. Voer selectieve etsuit door langzaam 2 g Ti3AlC2 MAX-fase aan de reactiecontainer toe te voegen en roeren met een Teflon magnetische staaf gedurende 24 uur bij 35 °C bij 400 tpm.
- Wassen: Het materiaal naar neutrale pH brengen.
- Vul twee centrifugebuizen van 175 mL met 100 mL DI H2O. Splits het etsreactiemengsel op in centrifugebuizen van 175 mL en was het materiaal door herhaalde centrifuges bij 3.500 tpm (2.550 x g)gedurende 5 min. Decant de supernatant in een plastic gevaarlijke afvalcontainer. Herhaal dit totdat de pH 6 bereikt.
- Intercalatie: Inbrengen van moleculen tussen meerlaags MXeendeeltje om interacties buiten het vlak te waken (figuur 1B)
- Voeg 2 g lithiumchloride (LiCl) toe aan 100 mL DI H2O en roer bij 200 tpm tot deze is opgelost. Meng 100 mL LiCl/H2O met het Ti3C2/Ti3AlC2 sediment en roer de reactie gedurende 12 uur bij 25 °C.
- Delaminatie: Exfoliatie van bulk meerlaags deeltje in single- tot few- layer Ti3C2 MXene (figuur 1C)
- Was de intercalatiereactie in centrifugebuizen van 175 mL door centrifugeren bij 2.550 x g gedurende 5 min. Decant de heldere supernatant. Herhaal dit totdat er een donkere supernatant wordt gevonden.
- Blijf 1 uur centrifugeren bij 2.550 x g. Decanteer de verdund-groene supernatant.
- Re-disperse the swollen sediment with 150 mL of DI H2O. Transfer supernatant to 50 mL centrifuge tubes and centrifuge at 2,550 x g for 10 min to separate remaining MAX (sediment) from MXene (supernatant).
OPMERKING: Re-dispersie van het sediment zal moeilijk worden en zal agitatie of handmatig schudden vereisen. - Verzamel supernatant als Ti3C2 MXeen. Voer verdere grootteselectie en optimalisatie van de oplossing uit om enkel- tot weiniglaagse vlokken te isoleren door de supernatant te verzamelen na een centrifugatiestap bij 2.550 x g voor 1 uur.
- Oplossingsopslag: Verpakking van de MXeen-inkt voor langdurige opslag (figuur 1D)
- Argon bubbelt de oplossingen voor 30 minuten voorafgaand aan de verpakking in een Argon verzegelde hoofdruimteflacon (overdracht via een spuit). Bewaar oplossingen bij hoge concentraties (>5 mg/mL), weg van zonlicht en bij lage temperaturen (≤5 °C) om een lange levensduur te garanderen.
2. Fabricage van Ti3C2 MXeen Microelectrode Arrays
OPMERKING: De procedure beschreven in deze sectie is bedoeld voor gebruik in een standaard universiteit clean room faciliteit, zoals het Singh Center for Nanotechnology aan de Universiteit van Pennsylvania. Deze faciliteit, evenals soortgelijke faciliteiten, zijn toegankelijk voor externe gebruikers als onderdeel van het National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN) ondersteund door de National Science Foundation (NSF). In deze faciliteiten, veel van de instrumenten, apparatuur en materialen beschreven in deze sectie zijn voorzien, samen met toegang tot de clean room faciliteit en zou geen aparte aankoop vereisen.
LET OP: Veel van de chemische stoffen die worden gebruikt bij de fabricage van MXeenische elektroden zijn gevaarlijk, waaronder fotoresists, RD6 ontwikkelaar, remover PG, aluminium etsoplossing en gebufferde oxide etchant. Raadpleeg MSDS voor deze chemische stoffen voor gebruik en implementeer en volg te allen tijde passende veiligheidsmaatregelen. Alle chemicaliën moeten worden behandeld in een rookkap.
- Dep een 4 μm dikke onderste laag paryleen-C op een schone Si-wafer (zie figuur 2A).
- Gebruik het eerste fotomasker (masker-1) om de metalen interconnects van de apparaten te definiëren, evenals een metalen ring rond de rand van de wafer om te helpen bij latere lift-off stappen(figuur 2B).
- Spinlaag NR71-3000p op de wafer bij 3.000 tpm voor 40 s. Soft bak de wafer op een hete plaat voor 14,5 min bij 95 °C.
- Laad de wafer en masker-1 in een maskeraligner. Plaats de wafer zo dat de ring op het fotomasker overlapt met alle randen van de wafer.
- Bloot stellen met i-lijn (365 nm golflengte) bij een dosis van 90 mJ/cm2. Bak de wafel 1 min op een hete plaat bij 115 °C.
- Dompel de wafer onder in de RD6-ontwikkelaar gedurende 2 min en agiter de oplossing voortdurend. Spoel grondig af met DI H2O en föhn met een N2-pistool.
- Gebruik een elektronenbundelverdamver om 10 nm Ti te deponeren, gevolgd door 100 nm Au op de wafer.
OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s. - Dompel de wafer in remover PG voor ~ 10 min totdat de fotoresist is opgelost en het overtollige metaal volledig is opgetild, waardoor Ti / Au alleen in de gewenste interconnect sporen en de ring rond de rand van de wafer. Zodra de lift-off lijkt voltooid, sonicate voor 30 s om eventuele resterende sporen van ongewenste metaal te verwijderen. Spoel wafer eerst in schone remover PG oplossing, dan grondig spoelen in DI H2O en droog de wafer met een N2 pistool.
- Deponeren van de offerparyleen-C laag(figuur 2C).
- Stel de wafer gedurende 30 s bloot aan O2 plasma om de onderliggende paryleen-C laag hydrofiel te maken. Spincoat 2% reinigingsoplossing (bijvoorbeeld Micro-90) in DI H2O op de wafer bij 1.000 tpm voor 30 s. Laat wafer minstens 5 min drogen.
OPMERKING: De verdunde zeepoplossing fungeert als een anti-lijm, waardoor de offerparyleen-C laag later in het proces kan worden geschild. - Stort 3 μm paryleen-C op de wafer.
- Stel de wafer gedurende 30 s bloot aan O2 plasma om de onderliggende paryleen-C laag hydrofiel te maken. Spincoat 2% reinigingsoplossing (bijvoorbeeld Micro-90) in DI H2O op de wafer bij 1.000 tpm voor 30 s. Laat wafer minstens 5 min drogen.
- Gebruik het tweede fotomasker (masker-2) om de MXene-patronen en een ring rond de rand van de wafer te definiëren(figuur 2D).
- Herhaal stap 2.2.1−2.2.4, dit keer met masker-2 en lijn de uitlijningsmarkeringen tussen de wafer en het fotomasker zorgvuldig uit lijnen voordat deze worden blootgesteld.
- Gebruik O2 plasma reactieve ionenets (RIE) om door de offerparyleen-C-laag te etsen in de gebieden die niet door de fotoresist worden bestreken om de MXeenelektroden en -sporen te definiëren, die gedeeltelijk moeten overlappen met de Ti/Au-interconnects, evenals de ring rond de randen van de wafer. Bevestig de volledige ets van de offerparyleen-C laag met behulp van een profilometer om het profiel tussen de blootgestelde Ti/Au interconnects en de onderste paryleen-C laag te meten.
OPMERKING: Wanneer het etsen is voltooid, zal het profiel over het blootgestelde metalen oppervlak glad zijn, terwijl de onderste paryleen-C laag ruw en gedeeltelijk geëtste zal zijn. Deze etsstap moet worden voltooid in een vlakke etsrie-systeem, niet een vat asher, en etstijden en parameters zullen sterk afhankelijk zijn van het RIE-systeem.
- Spin-coat de MXene oplossing op de wafer (Figuur 2E).
- Pipette MXene oplossing op elk van de gewenste MXene patronen, draai de wafer op 1.000 rpm voor 40 s. Droog de wafer op een 120 °C hot plate voor 10 min om eventueel restwater te verwijderen uit de MXene film.
- Gebruik een elektronenbundelverdamver om 50 nm SiO2 op de wafer te deponeren, om als beschermende laag over de MXeenpatronen te fungeren voor latere verwerkingsstappen.
OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s. - Verwijder de lagen van de offerparyleen-C om de lagen MXeen en SiO2 (figuur 2F)te patroon.
- Breng een kleine druppel DI H2O aan op de rand van de wafer en gebruik een pincet om de offerparyleen-C laag te pellen, te beginnen waar de randen zijn gedefinieerd in de ring rond de buitenkant van de wafer.
LET OP: Het water zal combineren met de zeepresidu onder de offerparyleen-C laag om deze lift-off mogelijk te maken. - Spoel de wafer grondig af in DI H2O om eventuele resterende reinigingsoplossingsresten te verwijderen. Droog de wafer met een N2 kanon en plaats vervolgens 1 uur lang op een 120 °C-kookplaat om eventueel restwater uit de mxeenfolies met patroon te verwijderen.
- Breng een kleine druppel DI H2O aan op de rand van de wafer en gebruik een pincet om de offerparyleen-C laag te pellen, te beginnen waar de randen zijn gedefinieerd in de ring rond de buitenkant van de wafer.
- Dep de 4 μm dikke toplaag paryleen-C (figuur 2G) in.
- Gebruik het derde fotomasker (masker-3) om de contouren en openingen van het apparaat te definiëren over elektroden en Au-bindingspads (VIA's) (figuur 2H).
- Herhaal stap 2.2.1−2.2.4, dit keer met masker-3 en zorgvuldig uitlijnen van de uitlijningsmarkeringen tussen de wafer en het fotomasker voor de belichting.
- Gebruik een elektronenbundelverdamver om 100 nm Al op de wafer te deponeren.
OPMERKING: Typische depositieparameters zijn een basisdruk van 5 x 10-7 Torr en een snelheid van 2 Å/s. - Dompel de wafer in remover PG voor ~ 10 min totdat het metaal volledig is opgetild, waardoor Al de apparaten bedekt met openingen voor de elektroden en bindpads. Wanneer de lift-off is voltooid, sonicate voor 30 s om eventuele resterende sporen van ongewenste metaal te verwijderen. Spoel wafer eerst in schone remover PG oplossing, dan grondig spoelen in DI H2O en droog de wafer met een N2 pistool.
- Ets de paryleen-C om het apparaat overzicht en openingen over elektroden en Au bonding pads (VIA's) (Figuur 2I) patroon. Gebruik O2 plasma RIE om te etsen door de paryleen-C lagen rond de apparaten, en door de bovenste paryleen-C laag die zowel de MXeen elektrode contacten en de Au bonding pads.
OPMERKING: Etsen is voltooid wanneer er geen paryleen-C residu blijft op de wafer tussen apparaten. De SiO2-laag die de MXene bedekt, fungeert als een etslaag, waardoor het O2-plasma niet in de MXene-elektrodecontacten kan etsen of beschadigen. - Ets de Al-laag die de apparaten bedekt met behulp van een natte chemische ets in Al etchant type A bij 50 °C, hetzij gedurende 10 min, hetzij voor 1 min verleden wanneer alle visuele sporen van Al zijn verdwenen, wat het eerst komt. Etsen de SiO2 die de MXeen elektroden met behulp van een natte chemische ets in 6:1 gebufferd oxide etchant (BOE) voor 30 s (Figuur 2J).
LET OP: De MXene micro-elektrode arrays zijn nu compleet. - Laat de apparaten los van de Si substraat wafer door het plaatsen van een kleine druppel DI H2O aan de rand van een apparaat, en voorzichtig peeling van het apparaat als water is slecht onder het door capillaire actie(Figuur 2K en figuur 3).
3. Adapterconstructie en interfacing
OPMERKING: Op dit punt moeten de dunne film micro-elektrode arrays worden gekoppeld aan een adapter om verbinding te maken met het elektrofysiologie registratiesysteem. De 128ch stimulatie/opnamecontroller met de RHS2000 16-ch stim/record headstage(Table of Materials)die in dit protocol wordt gebruikt, vereist invoer via een connector die compatibel is met de 18-pins connector A79039-001. Deze sectie maakt gebruik van een printplaat (PCB, figuur 4A)met een zif-connector (zero-insertion force) voor interfacing met de Au-bindingspads op de micro-elektrodearray en de connector A79040-001 voor interfacing met de head-stage van het opnamesysteem. Afhankelijk van het data-acquisitiesysteem kunnen verschillende connectoren op het PCB worden gebruikt om interfacing met de elektrofysiologie frontstage mogelijk te maken.
- Soldeer de Omnetics- en ZIF-connectoren op het PCB door een dunne folie soldeerpasta aan te brengen op elk van de contactpads op het PCB, de onderdelen op de juiste plaatsen te plaatsen en op een hete plaat te verwarmen totdat het soldeer opnieuw stroomt om verbindingen te vormen (figuur 4B).
LET OP: Reflow solderen kan heel gemakkelijk worden gedaan op een hete plaat of in een broodrooster oven en vereist niet het gebruik van een dure reflow oven. - Breng twee lagen polyimidetape(Tabel met materialen) aan op de achterkant van het Au-bindingspadgebied van de MXene-micro-elektrodearray om het apparaat voldoende dikte te geven om in de ZIF-connector te worden vastgezet. Na het aanbrengen van de tape, trim je overtollige buiten de randen van het paryleen-C-apparaat met behulp van een scheermesje of precisieschaar(figuur 4C).
- Ofwel onder een inspectiebereik of met behulp van een vergrootglas, lijn de MXene micro-elektrode array in de ZIF-connector, zodat de Au bonding pads uitlijnen met de pinnen in de ZIF-connector, sluit dan de ZIF om een veilige verbinding te vormen (Figuur 4D,E).
OPMERKING: De ZIF-connector die hier wordt gebruikt is een 18-kanaals connector, terwijl het apparaat dat hier wordt gebruikt 16 kanalen heeft. De extra contactloze kanalen zijn eenvoudig te herkennen als een open circuit door middel van impedantietesten tijdens opnamesessies. - Test de elektrochemische impedantie van de MXeenelektroden met behulp van een potentiostat om een succesvolle fabricage en aansluiting op de PCB-adapter te garanderen.
OPMERKING: In de discussiesectie worden redelijke impedantiewaarden gegeven om te helpen bij het oplossen van problemen.
4. Acute implantatie en neurale opname
OPMERKING: Operaties op volwassen mannelijke Sprague Dawley ratten worden uitgevoerd met behulp van steriele instrumenten en met aseptische techniek. Ademhalingsfrequentie, palpebral reflex, en pedaal pinch reflex worden gecontroleerd om de 10 min om de diepte van anesthesie te controleren. De lichaamstemperatuur wordt gehandhaafd met een verwarmingskussen.
- Toedienen preventieve analgesie (onderhuidse injectie van buprenorfine aanhoudende afgifte [SR], 1,2 mg/kg).
- Toedienen anesthesie (intraperitoneale injectie van een mengsel van 60 mg/kg ketamine en 0,25 mg/kg dexmedetomidine).
- Bevestig het juiste niveau van anesthesie om de 10 min gedurende het experiment door te controleren op afwezigheid van palpebral en pedaal knijpreflexen.
- Veilige rat in stereotaxic frame, breng oculaire smeermiddel op de ogen, en schoon geschoren hoofdhuid met 10% povidone-jodium.
- Stel de calvaria bloot met een enkele middellijnhoofdhuidincisie en botte dissectie van onderliggend weefsel.
- Plaats een 00-90 schroef in de schedel om te dienen als de grond voor opnames.
- Met behulp van een tandheelkundige boor met een kleine braam, maak een craniotomie op de gewenste corticale opname site.
- Beveilig de arrayconnector op een stereotaxic manipulator en plaats het apparaat boven de craniotomie. Voorzichtig lager totdat de hele array in contact is met de blootgestelde cortex.
- Wikkel de gronddraad rond de schedelschroef.
- Sluit de headstage van het opnamesysteem aan op de array en begin met het opnemen van spontane activiteit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Voorbeeld van micro-ECoG-gegevens die zijn geregistreerd op een MXene-micro-elektrodearray, wordt weergegeven in figuur 5. Na toepassing van de elektrodearray op de cortex, werden duidelijke fysiologische signalen onmiddellijk zichtbaar op de opname-elektroden, met ongeveer 1 mV amplitude ECoG-signalen die op alle MXene-elektroden verschenen. Krachtspectra van deze signalen bevestigden de aanwezigheid van twee hersenritmes die vaak werden waargenomen bij ratten onder ketamine-dexmedetomidine anesthesie: 1−2 Hz langzame oscillaties en γ oscillaties bij 40−70 Hz. Bovendien, een handtekening breedband macht demping tijdens de "down" staat van de langzame oscillatie, en selectieve β-band (15−30 Hz) en γ-band (40−120 Hz) macht versterking tijdens "up" staat van de langzame oscillatie werden waargenomen. De resultaten kunnen variëren op basis van de diersoorten die in de studie worden gebruikt, het beoogde hersengebied, het anesthesietype en de verstreken tijd sinds de toediening van anesthesie.
Figuur 1: Schematische beeltenis van MXene synthese procedure. (A) Ti3AlC2 MAX wordt toegevoegd aan een selectieve etchant-oplossing (HF, HCl en DI H2O), wat resulteert in de verwijdering van aluminium (Al). (B) Na het wassen van de etsoplossing voor neutrale pH met behulp van DI H2O, wordt multilayered Ti3C2 verkregen. Multilayered Ti3C2 is met Li+ verweven uit een waterige oplossing van lithiumchloride (LiCl). (C) Na het wassen van de intercalatiereactie wordt sedimentzwelling waargenomen die de uitwisseling van Li+ met H2O. Agitatie van het gezwollen sediment resulteert in geëxfolieerde (of delamineerde) enkel- tot laagsvlokken van Ti 3 C2 MXeen in H2O. Grootteselectie en scheiding van gedelamineerde Ti3C 2 MXeen van meerlaagsti3C2 en Ti3AlC2 MAX-fase vindt in dit stadium plaats. (D) Ti3C2 MXeen inkt wordt overgebracht via spuit naar een Argon verzegelde hoofdruimte flacon voor langdurige opslag. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Schema's van de fabricageprocedure voor MXene micro-elektrodearrays. (A) Bodem paryleen-C laag wordt afgezet op een schone Si wafer. (B) Ti/Au (10 nm/100 nm) geleidende sporen worden patroon door middel van fotolithografie, e-beam depositie, en lift-off. (C) Een anti-kleeflaag van 1% reinigingsoplossing in DI H2O wordt aangebracht, gevolgd door afzetting van een offerparyleen-C laag. (D) De offerparyleen-C laag wordt patroon door middel van fotolithografie en O2 RIE etsen. (E) Ti3C2 MXeen is spin-coated op de wafer, gevolgd door e-beam depositie van 50 nm SiO2. (F) De offerparyleen-C laag wordt eraf getild, resten van reinigingsoplossing worden afgespoeld en de wafer wordt droog gebakken. (G) Bovenste paryleen-C laag wordt afgezet. (H) Een Al etsmaskerlaag wordt patroon door middel van fotolithografie, e-beam depositie, en lift-off om VIA's en apparaat overzicht te definiëren. (I) Paryleen-C over elektrode contacten en omliggende apparaten is geëtste weg door O2 RIE. (J) Al etsmasker en SiO2 beschermlaag over MXene worden geëtste door natte etsprocessen. (K) Afgewerkt apparaat wordt opgeheven van wafer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Foto's en optische microscopiebeelden van MXene micro-elektrodearrays. (A) Foto van een 3 inch Si wafer met 14 voltooide MXene micro-elektrode arrays. Let op de gouden ring rond de buitenste rand van de wafer, die nuttig is voor het uitvoeren van stap 2.7 effectief. (B) Optische microscoop beeld toont de peeling van een voltooid apparaat van de wafer met behulp van een kleine hoeveelheid DI H2O. (C) Optische microscoop beeld met de array van MXene micro-elektroden. (D) Optische microscoop beeld van een individuele MXene elektrode. Schaalstaven = 1 cm, 3 mm, 500 μm, 20 μm (van links naar rechts). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Interfacing de MXene micro-elektrode array met de adapter board. (A) PCB met pads voor het solderen van Omnetics en ZIF connectoren. (B) PCB na het solderen van Omnetics en ZIF connectoren. (C) Toevoeging van polyimidelagen aan de achterkant van Au-bindpads van het apparaat, om voldoende dikte te geven voor de ZIF-connector. Twee lagen polyimide worden toegevoegd (boven) en vervolgens bijgesneden rond de randen (onder). (D) MXene micro-elektrode array ingevoegd in de ZIF connector met de juiste uitlijning. (E) Topweergave van MXene micro-elektrode array aangesloten op adapter bord en klaar voor een opname-experiment. Schaalbalken = 2 mm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Representatieve neurale opnameresultaten. (A) Illustratie van de plaatsing van micro-ECoG array op corticale oppervlak van een verdoofde rat. b) Segment van geregistreerde corticale activiteit die voor 9 elektroden wordt getoond. Putatieve corticale "down" toestanden op basis van trog van de langzame oscillatie (1−2 Hz) worden aangegeven door rode cirkels. (C) Vermogensspectrale dichtheden voor elk opnamekanaal. (D) "Down" door de staat geactiveerde scalogram voor representatief micro-ECoG-kanaal. Let op breedbandvermogensdemping tijdens "down" state en selectieve β-band (15−30 Hz) en γ-band (40−120 Hz) vermogensversterking tijdens "up" staat. Bedekt zwart spoor toont gemiddelde langzame oscillatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De in dit protocol beschreven mxeensynthese- en delaminatieprocedure (HF/HCl/LiCl) is gebaseerd op de MILD etsbenadering die gebruik maakte van een LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26. De MILD-benadering zorgt ervoor dat grote Ti3C2 vlokken (meerdere μm in zijdelingse grootte) spontaan worden gedelamineerd tijdens het wassen zodra pH ~5−6 is bereikt. In vergelijking met etsen met HF alleen, resulteert dit in materiaal met een hogere kwaliteit en verbeterde materiaaleigenschappen, zoals elektronische geleidbaarheid en chemische stabiliteit. De HF/HCl/LiCl-methode maakt gebruik van de mildsyntheseverbeteringen, waarbij bovendien elke stap (etsen, intercalatie en delaminatie) wordt gescheiden, waardoor meer gebruikerscontrole mogelijk is.
Tijdens stap 1.1 zijn de verhouding van grondstoffen (TiC, Al, Ti), temperatuur, temperatuuropstijgingssnelheid en tijd van cruciaal belang voor het bereiken van de juiste MAX-fase. Het zeven van de MAX-fase voorafgaand aan het etsen zorgt voor meer homogene etsen. Het toevoegen van de MAX-fase aan de etchant media (stap 1.2) moet langzaam worden uitgevoerd om oververhitting te voorkomen en een algemene regel van 5 min per 1 g MAX wordt voorgesteld. Als oververhitting een uitdaging wordt, moet een ijsbad worden ingezet tijdens de toevoeging van de Ti3AlC2 MAX-fase. Bij het wassen van de etsreactie op neutrale pH (stap 1.3) moet elke zure supernatant na centrifugering transparant zijn. Als de supernatant na centrifugering donker is of groen verdunt, verhoogt u de centrifugetijd en/of snelheid tot sedimentmateriaal. Omdat de toevoeging van LiCl aan H2O exotherm is, zal er wat verwarming optreden (stap 1.4). In deze procedure bedraagt de intercalatietijd (stap 1.4) 12 uur, hoewel deze kan worden gewijzigd of ingekort tot slechts 15 minuten. De kwaliteit van dedelaminatie (stap 1.5) is specifiek voor de hoeveelheid water die wordt gebruikt tijdens het wassen en de mate van agitatie. De tijdens deze stap gedecanteerde supernatants kunnen verdunnen in plaats van transparant. Als sedimentatie van materiaal een uitdaging wordt, moet het verhogen van de centrifugesnelheid/rcf worden gebruikt. Het is van cruciaal belang om scheiding en grootte selectie uit te voeren door centrifugeren (stap 1.5) om polydisperse monsters te voorkomen. Het niet uitvoeren van deze stap zal resulteren in een inkt die zowel Ti3AlC2 MAX fase verontreiniging en grote meerlaagse Ti3C2 deeltjes heeft. Tijdens stap 1.6 is het belangrijk dat het headspace volume van de flacon tot een minimum wordt beperkt.
Tijdens de fabricage van de MXene micro-elektrode arrays, zijn er verschillende kritische stappen die essentieel zijn voor de productie van functionerende, hoogwaardige elektroden. Het is belangrijk om het eerste fotomasker zodanig te ontwerpen dat er een metalen ring is die rond de buitenste rand van de wafer (stap 2.2) en het tweede fotomasker zodanig is dat er een overeenkomstige ring met een iets grotere diameter is die door de offerparyleen-C (stap 2.4) laag zal worden geëtst om te helpen bij het verwijderen van de offerlaag. Zonder deze ring kan het moeilijk zijn om een rand vast te stellen om te beginnen met het afpellen van de offerparyleen-C laag in stap 2.7. Tijdens stap 2.3 is het van cruciaal belang om de wafer bloot te stellen aan O2 plasma om de verdunde reinigingsoplossing goed nat te maken en zich aan de wafer te houden. Als u deze stap niet uitvoert, zal dit ertoe leiden dat delen van de wafer geen antilijmlaag verzamelen, waardoor de verwijdering van de offerparyleen-C-laag in stap 2.7 onmogelijk is. Tijdens het verwijderen van de offerparyleen-C laag in stap 2.7 is het belangrijk om te voorkomen dat krassen of beschadiging van de onderste paryleen-C laag, omdat dit kan leiden tot de vorming van bellen tussen de onderste paryleen-C en de Si wafer, en de daaropvolgende delaminatie. Als de offerparyleen-C-laag niet gemakkelijk wordt afgepeld, kan een iets meer geconcentreerde reinigingsoplossing (4% in DI) worden gebruikt in stap 2.3.1, of kan de blootstelling aan O2-plasma in stap 2.3.1 worden verlengd om de hydrofielheid van de onderliggende paryleen-C-laag te verbeteren.
Nadat de fabricage is voltooid, is het essentieel om het MXene-apparaat goed te bedienen met het connectorbord. De toevoeging van twee lagen polyimidetape in stap 3.2 is essentieel om een goede dikte te garanderen voor het inbrengen in de ZIF-connector, maar er moet voor worden gezorgd dat het dunne paryleen-C-apparaat per ongeluk wordt gevouwen of verkreukeld terwijl de tape wordt toegevoegd, omdat het niet mogelijk is om de tape te verwijderen zonder het apparaat te beschadigen. Vervolgens is een goede uitlijning van de Au-bindingspads op het MXene-apparaat met pinnen in de ZIF-connector(figuur 4D)essentieel voor het vormen van een robuuste verbinding (stap 3.3). In dit stadium is het meten van de impedantie van de MXeen-elektroden nuttig voor het oplossen van problemen. Een 50 μm x 50 μm vierkante MXeenelektrode moet een impedantiemagnitude hebben in de buurt van 50 kΩ bij een frequentie van 1 kHz in 1x PBS, en een cirkelvormige MXene-elektrode met een diameter van 25 μm moet een impedantie-magnitude hebben in de buurt van 200 kΩ onder dezelfde parameters36. Een impedantie aanzienlijk groter dan dit kan erop wijzen dat de elektrode niet goed is aangesloten in de ZIF-connector, of dat de MXeenelektrode niet wordt blootgesteld, zoals kan gebeuren als ofwel de bovenste paryleen-C laag niet volledig geëtste is in stap 2.10 of de SiO2 beschermlaag niet volledig geëtste in stap 2.11.
Een beperking van deze methode is variabiliteit in MXene filmdikte die soms wordt waargenomen na spin-casting MXene op de wafer. Deze variabiliteit kan meer uitgesproken worden als elektroden worden opgeschaald naar grotere gebieden. Deze beperking kan gemakkelijk worden overwonnen door gebruik te maken van spray-coating in plaats van spin-coating aan te brengen MXeen op de wafer, die een andere eenvoudige, low-cost oplossing verwerkingsmethode waarmee MXene, en dit protocol, compatibel zijn39.
Het hier beschreven protocol biedt spannende nieuwe mogelijkheden in de neurowetenschappen en op het grotere gebied van bio-elektronica. Hoewel er al lang interesse is in het gebruik van koolstofgebaseerde nanomaterialen voor neurale micro-elektroden, heeft de integratie van Ti3C2 MXeen in dergelijke elektroden aanzienlijk eenvoudiger en meer hoogwaardige productie mogelijk gemaakt dan mogelijk is geweest met andere nanomaterialen op basis van koolstof. Bovendien geven de uitstekende eigenschappen van Ti3C2 MXene de elektroden een opmerkelijk lage impedantie voor hun grootte, waardoor de gevoeligheid en signaalkwaliteit worden verbeterd. Een groeiende hoeveelheid literatuur beschrijft ook een aantal methoden voor micropatterning MXeen, die kunnen worden aangepast voor het fabriceren van MXeenmicro-elektroden in de toekomst, met inbegrip van micro-contact afdrukken40, inkjet afdrukken41,42, en geautomatiseerde scalpel gravure43. Er bestaat een groot potentieel om dit protocol uit te breiden tot Ti3C2 MXeen elektroden van willekeurige grootte en geometrie fabriceren voor een reeks biosensing toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (subsidie nr. R21-NS106434), de Citizens United for Research in Epilepsie Taking Flight Award, de Mirowski Family Foundation en Neil en Barbara Smit (F.V.); de National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (verlenen nee. DGE-1845298 aan N.D. en B.M.); het Army Research Office (Cooperative Agreement Number W911NF-18-2-0026 to K.M.); en door het Amerikaanse leger via het Surface Science Initiative Program in het Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 naar Y.G. en K.M.). Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in het Singh Center for Nanotechnology, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (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 |
References
- 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).
- 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).
- Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2017).
- Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8 (2014).
- Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).
- Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
- 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).
- Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31 (19), 5169-5181 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
- Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1700905 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098 (2017).
- Anasori, B., Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
- Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23 (37), 4248-4253 (2011).
- Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29 (18), 7633-7644 (2017).
- 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).
- Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105 (2017).
- Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).
- Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).
- 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).
- Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29 (36), 1702678 (2017).
- 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).
- 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).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12 (10), 10419-10429 (2018).
- Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25 (15), 2135-2139 (2013).
- 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).
- Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1600050 (2016).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10 (1), 1795 (2019).
- 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).
- 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).
