Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

הייצור של Ti3C2 Mxene מערכים מיקרואלקטרודה בVivo הקלטה עצבית

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

אנו מתארים כאן שיטה עבור בדיית Ti3C2 mxene מערכים מיקרואלקטרודה וניצול אותם עבור בהקלטה vivo עצבית.

Abstract

מוהשתלות טכנולוגיות מיקרואלקטרודה שימשו רבות כדי להבהיר דינמיקה עצבית בקנה מידה כדי להשיג הבנה עמוקה יותר של התחתון עצבי מחלות מוח ופציעה. כמו אלקטרודות מיניאטורי בקנה מידה של תאים בודדים, עלייה מקבילה העכבה ממשק מגביל את האיכות של אותות מוקלטים. בנוסף, חומרי האלקטרודות קונבנציונאלי הם נוקשים, וכתוצאה מכך אי-התאמה מכנית משמעותית בין האלקטרודה לבין רקמת המוח שמסביב, אשר מעורר תגובה דלקתית כי בסופו של דבר מוביל השפלה של ביצועי המכשיר. כדי להתמודד עם האתגרים הללו, פיתחנו תהליך כדי להמציא מיקרואלקטרודות גמיש מבוסס על Ti3C2 mxene, הננו שהתגלו לאחרונה כי בעלת קיבוליות גבוהה להפליא, מוליכות חשמלית, פונקציונליות של פני השטח, ומעבד בדיסיות מימית. מערכים גמישים של Ti3c2 mxene מיקרואלקטרודות יש עכבה נמוכה במידה ניכרת בשל מוליכות גבוהה באזור משטח ספציפי גבוה של Ti3C2 mxene סרטים, והם הוכיחו להיות רגישים להפליא עבור הקלטת פעילות עצבית. בפרוטוקול זה, אנו מתארים שיטה הרומן עבור מיקרוקול Ti3C2 mxene לתוך מערכים microאלקטרודה על מצעים פולימריים גמיש ולתאר את השימוש שלהם עבור vivo micro-electrocorticography הקלטה. שיטה זו יכולה בקלות להיות מורחבת כדי ליצור מערכי אלקטרודה MXene של גודל שרירותי או גיאומטריה עבור מגוון של יישומים אחרים bioelectronics והוא יכול גם להיות מותאם לשימוש עם סוגי דיו אחרים מוליך מלבד Ti3C2 mxene. פרוטוקול זה מאפשר ייצור פשוט ומדרגי של מיקרואלקטרודות מצבעי דיו מוליך מבוססי-פתרון, ומאפשר במיוחד לרתום את המאפיינים הייחודיים של הידרופילי Ti3C2 mxene להתגבר על רבים של המחסומים כי יש זמן רב האימוץ הנרחב של הננו מבוססי פחמן באיכות גבוהה של מיקרואלקטרודות עצביים.

Introduction

הבנת המנגנונים הבסיסיים העומדים בבסיס המעגלים העצביים, וכיצד הדינמיקה שלהם משתנה במחלה או בפציעה, היא מטרה קריטית לפיתוח therapeutics אפקטיבית למגוון רחב של הפרעות נוירולוגיות ונוירו-מולקולרית. טכנולוגיות microelectrode שימשו רבות כדי להבהיר את הדינמיקה העצבית על מרחבי מרחבית ומאזניים הזמני. עם זאת, קבלת הקלטות יציבות עם יחס האות לרעש גבוה (SNR) מן אלקטרודות microscale הוכיחה להיות מאתגרת במיוחד. ככל שממדי האלקטרודות מופחתות להגיע לקנה המידה הסלולארי, עלייה מקבילה בעכבה האלקטרודה מועלת באיכות האות1. בנוסף, מחקרים רבים הראו כי אלקטרודות נוקשה מורכב סיליקון קונבנציונאלי וחומרים אלקטרוניים מתכת לייצר נזק משמעותי ודלקת ברקמת העצבים, אשר מגביל את התועלת שלהם להקלטה ארוכת טווח2,3,4,5. בהינתן עובדות אלה, היה עניין משמעותי בפיתוח מיקרואלקטרודות עם חומרים חדשים אשר יכולים להפחית את העכבה של ממשק אלקטרודה רקמה ניתן לשלב לתוך מרכיבי טופס רך וגמיש.

אחד השיטה הנפוצה להפחתת העכבה ממשק ברקמת האלקטרודה היא להגדיל את האזור שעליו מינים יוניים בנוזל החילוץ יכול לתקשר עם האלקטרודה, או "שטח אפקטיבי המשטח" של האלקטרודה. זה יכול להיות מושגת באמצעות nanopatterning6, פני השטח המטילי7, או כציפוי חשמלי עם תוספים נקבובי8,9. ננו השיגו תשומת לב משמעותית בתחום זה, כי הם מציעים באזורים גבוהים מבחינה מהותית משטח ושילובים ייחודיים של תכונות חשמליות ומכניות חיוביות10. לדוגמה, צינורות פחמן שימשו כציפוי להפחית באופן משמעותי עכבה האלקטרודה11,12,13, תחמוצת הגראפן כבר מעובד לתוך רך, גמיש שעומד חופשי בדיקה אלקטרודות14, ו-לייזר פירול נקבובי גרפיפן מנוצל עבור גמיש, נמוך עכבה מיקרו-electrocorticography (מיקרו-ecog) אלקטרודות15. למרות ההבטחה שלהם, חוסר שיטות הרכבה מדרגיים הגביל את האימוץ הנפוץ של ננו-חומרים עבור אלקטרודות ממשק עצבי. ננו-חומרים מבוססי פחמן בפרט הם בדרך כלל הידרופובי, ובכך דורשים שימוש בחומרים מקצועיים16, חומצות סופר17, או פונקציונליזציה של פני השטח18 כדי ליצור בליטות מימיות עבור שיטות ייצור פתרונות עיבוד, בעוד שיטות חלופיות של הייצור, כגון התצהיר אדי כימי (cvd), בדרך כלל דורשים טמפרטורות גבוהות אשר אינם תואמים עם מצעים פולימריים רבים19,20,21 ,22

לאחרונה, מחלקה של דו מימדי (2D) ננו, המכונה MXenes, תוארה אשר מציעה שילוב יוצא דופן של מוליכות גבוהה, גמישות, קיבוליות נפחי, ו hydrophilicity הטבועה, מה שהופך אותם מחלקה מבטיח של ננו לצורך ממשק עצבי23. MXenes הם משפחה של carbides מתכת מעבר דו-מימדית ומתקנים המיוצרים באופן הנפוץ ביותר על ידי חריטה סלקטיבי של אלמנט משני סמנים שכבתית. אלה הם בדרך כלל שלבים MAX עם הנוסחה הכללית Mn + 1AXn, כאשר M הוא מתכת מעבר מוקדם, a היא קבוצה 12-16 האלמנט של הטבלה המחזורית, X הוא פחמן ו/או חנקן, ו n = 1, 2, או 324. פתיתי MXene דו-ממדיים מסיימים קבוצות פונקציונליות שיכולות לכלול הידרוקסיל (למטה), חמצן (או-או) או פלואור (למעלה). קבוצות אלה פונקציונליות להפוך MXenes מיסודם הידרופיפילית ולאפשר שינוי משטח גמיש או פונקציונליזציה. של המעמד הגדול של mxenes, Ti3C2 היה למדו בהרחבה ומאופיין25,26,27. Ti3C2 מראה קיבוליות במידה ניכרת גבוהה יותר (1,500 F/cm3)28 מאשר הופעל באמצעות הגרפיפן (~ 60-100 f/cm 3)29, קרביד הנגזר (180 f/cm3)30, ו גראפן סרטי ג'ל (~ 260 f/cm3)31. יתר על כן, Ti3ג2 מראה מוליכות אלקטרונית גבוהה במיוחד (~ 10,000 S/cm)32, ואת תאימות שלה הפגינו במספר מחקרים33,34,35,36. הקיבול הגבוה נפחי של Ti3C2 סרטים הוא יתרון עבור יישומים ביולוגיים חישה וגירוי, משום אלקטרודות המוצגים העברת טעינה קיבולי יכול למנוע תגובות הידרוליזה מזיקים.

הקבוצה שלנו הוכיחה לאחרונה גמיש, דק סרט Ti3C2 מערכי מיקרואלקטרודה, הכין באמצעות שיטות עיבוד פתרון, אשר מסוגלים להקליט הן מיקרו-electrocorticography (מיקרו-ecog) ו הפעילות עצבי התאיים בvivo עם גבוהה SNR36. אלקטרודות MXene אלה הראו עכבה מופחתת באופן משמעותי בהשוואה לגודל בהתאמה זהב (Au) אלקטרודות, אשר ניתן לייחס את המוליכות הגבוהה של MXene ואת השטח הגבוה של אלקטרודות. בפרוטוקול זה, אנו מתארים את השלבים המרכזיים עבור בדיית מערכים מיקרואלקטרודה מישורי של Ti3C2 mxene על מצעים פארילין-C גמיש וניצול אותם vivo עבור הקלטה מיקרו-ecog הפעיל. שיטה זו מנצלת את הטבע ההידרופיפילית של MXene, אשר מאפשר את השימוש בשיטות עיבוד הפתרון, כי הם פשוטים ומדרגיים תוך שאינם דורשים שימוש בחומרים מסורמים או חומצות על כדי להשיג השעיות יציבות מימית. זה קל של מעבד יכול לאפשר ייצור חסכוני של ביוחיישנים MXene בסולמות תעשייתיים, אשר כבר מגבלה גדולה לאימוץ נרחב של התקנים המבוססים על ננו פחמן אחרים. החדשנות המפתח בייצור אלקטרודה טמון בשימוש שכבת ההקרבה פולימריים כדי microxene לאחר הציפוי ספין, שיטה המותאמת מספרות על התמיסה המעובדת פולי (3, 4-אתיוליאדיטיתפסיטזיס):p ולי (פאין: PSS) מיקרואלקטרודות37, אך שלא תוארה בעבר לפנינג MXene. התכונות החשמליות יוצאת דופן של Ti3C2, ביחד עם מעבד שלה ומורפולוגיה דו-ממדית להפוך אותו לחומר מבטיח מאוד עבור ממשקים עצביים. בפרט, Ti3ג2 מציעה תוואי לקראת התגברות על הסחר הבסיסי בין האזור הגיאומטרי האלקטרודה ועכבה ממשק אלקטרוכימי, גורם מגביל עיקרי עבור ביצועי האלקטרודה מיקרו בקנה מידה. בנוסף, את הליך הייצור המתואר בפרוטוקול זה ניתן להתאים כדי לייצר מערכי אלקטרודה MXene בגדלים שונים וגאומטריות לתבניות הקלטה שונות, והוא יכול גם בקלות להתאים כדי לשלב סוגי דיו אחרים מוליך מלבד MXene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל בהליכים vivo תאמו את המכון הלאומי לבריאות (NIH) מדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה ואושרו על ידי הוועדה לטיפול בבעלי חיים מוסדיים (IACUC) של אוניברסיטת פנסילבניה.

1. סינתזה של Ti3C2 mxene

הערה: הליכי התגובה המתוארים בסעיף זה מיועדים לשימוש בתוך מכסה כימי. שטיפת צעדים כלולים בהליך זה נועדו לשמש עם צינורות צנטריפוגה מאוזנת. כל פסולת שנוצרת נחשבת לפסולת מסוכנת ויש להיפטר ממנה בהתאם להנחיות האוניברסיטאיות.

התראה: חומצה הידרופלואורית (HF) היא חומצה מסוכנת ביותר, מאוד מאוד מאכל. עיין בחומרי הבטיחות של החומרים (MSDS) עבור הכימיקלים המשמשים לסנתז MXenes לפני השימוש והיישום וביצוע אמצעי בטיחות מתאימים. ציוד הגנה אישי מתאים (PPE) לטיפול ב-HF כולל מעיל מעבדה, החומצה עמידים סינר, נעלי סגירה, מכנסיים ארוכים, משקפי מגן, הפנים מלאה, כפפות ניטריל, ו-HF עמידים כפפות עשוי גומי בוטיל או גומי אטומה.

  1. סינתזה פאזה מקסימלית
    1. לסנתז Ti3alc2 על ידי כרסום כדור טיק (2 Μm), Ti (44 μm), ו-al (44 μm) אבקות ביחס שן טוחנת (טיק: Ti: Al) של 2:1:1 עבור 18 h באמצעות כדורי זירקונים. מניחים את האבקות בכור מסוג אלומינה, מחממים עד 1,380 ° צ' (5 מעלות של ° צלזיוס) ומחזיקים 2 שעות בארגון. לאחר האבקות כבר מקורר, מיל לחסום MAX ומסננת באמצעות מסננת רשת 200 (< 74 יקרומטר גודל החלקיקים).
      הערה: Ti3alc השלב מקסימום2 המשמש לסנתז mxenes הוכח כי יש השלכות ישירות על התוצאה Ti3C2 mxenes38. Ti3C2 השתמשו כדי להמציא אלקטרודות עצביות היה חרוט באופן סלקטיבי מקסימום הכין בעקבות הליך קודם26.
  2. תצריב: הסרת שכבה אל Ti3alc2 בתמיסה של מזמור חומצי (איור 1א)
    1. הכינו את פתרון החריטה סלקטיבית במיכל פלסטיק 125 mL על ידי הוספה ראשונה של 12 מ ל של מים מוהים (DI H2O) ואחריו תוספת של 24 מ ל של חומצה הידרוכלורית (HCl). לובש את כל מתאים ה-HF בתדר המתאים, להוסיף 4 מ ל של HF למיכל etchant. לבצע צריבה סלקטיבית על ידי הוספת לאט 2 גרם של Ti3alc השלב מקסימום2 מיכל התגובה וערבוב עם בר טפלון מגנטי עבור 24 שעות ב 35 ° c ב 400 rpm.
  3. כביסה: הבאת החומר ל-pH נייטרלי.
    1. מילוי צינורות צנטריפוגה 2 175 mL עם 100 mL של DI H2O. לפצל את התערובת התגובה חריטה לתוך 175 לצינורות צנטריפוגה ml ולשטוף את החומר על ידי חוזר צנטריפוגה בשעה 3,500 rpm (2,550 x g) עבור 5 דקות. decant החומציות החומצי לתוך מכולה פסולת פלסטית מסוכנת. . אני חוזר עד שה-pH מגיע לשעה 6
  4. Intercalation: החדרת מולקולות בין חלקיק MXene מרובה שכבות כדי להעיר את האינטראקציות של מטוסים (איור 1B)
    1. הוסף 2 גרם של ליתיום כלוריד (LiCl) כדי 100 mL של DI H2O ו מערבבים ב 200 rpm עד התפרקה. לערבב 100 mL של LiCl/H2O עם Ti3C2/ti3alc2 משקע ו לערבב את התגובה 12 H ב 25 ° c.
  5. דלאמנציה: קילוף מתוך חלקיק רב-שכבתי ליחיד-למספר שכבות Ti3c2 Mxene (איור 1ג)
    1. לשטוף את תגובת האינטרקלציה בצינורות צנטריפוגה 175 mL על ידי צנטריפוגה ב 2,550 x g עבור 5 דקות. decant את supernatant ברור. חזור על הפעולה עד שיימצא סופר-על כהה.
    2. המשך לצנטריפוגה עבור 1 h ב 2,550 x g. . מדקלת את הסופר הירוק והמהול
    3. לפזר מחדש את המשקע הנפוח עם 150 mL של די H2O. העברת supernatant כדי 50 mL צנטריפוגה צינורות ו צנטריפוגה ב 2,550 x g עבור 10 דקות כדי להפריד את מקסימום שארית (משקע) מ mxene (supernatant).
      הערה: פיזור מחדש של המשקע יהיה קשה וידרוש עצבנות או טלטול ידני.
    4. לאסוף supernatant כמו Ti3C2 mxene. לבצע בחירה בגודל נוסף אופטימיזציה של הפתרון כדי לבודד פתיתי יחיד עד שכבה אחת על ידי איסוף supernatant בעקבות צעד צנטריפוגה ב 2,550 x g עבור 1 h.
  6. אחסון פתרונות: אריזת הדיו MXene לאחסון לטווח ארוך (איור 1D)
    1. ארגון בועה הפתרונות עבור 30 דקות לפני האריזה בבקבוקון של ארגון אטום החלל (העברה באמצעות מזרק). פתרונות אחסון בריכוזים גבוהים (> 5 מ"ג/mL), הרחק מאור השמש, ובטמפרטורות נמוכות (≤ 5 ° c) כדי להבטיח אריכות ימים.

2. הייצור של Ti3C2 מערכים מיקרואלקטרודה

הערה: ההליך המתואר בסעיף זה מיועד לשימוש בתוך מתקן חדר נקי באוניברסיטה סטנדרטית, כמו מרכז סינג לננוטכנולוגיה באוניברסיטת פנסילבניה. מתקן זה, כמו גם מתקנים דומים, נגישים למשתמשים חיצוניים כחלק מרשת התשתיות הלאומיות לננוטכנולוגיה (NNIN) הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (NSF). במתקנים אלה, רבים מן הכלים, ציוד, וחומרים המתוארים בסעיף זה מסופקים יחד עם גישה למתקן החדר הנקי ולא ידרוש רכישה נפרדת.

התראה: רבים מן הכימיקלים המשמשים בייצור של אלקטרודות MXene הם מסוכנים, כולל photoresists, מפתח RD6, מסיר PG, הפתרון תחריט אלומיניום, ו etchant תחמוצת באגירה. התייעץ עם MSDS עבור כימיקלים אלה לפני השימוש והיישום ובצע את אמצעי הבטיחות המתאימים בכל עת. כל הכימיקלים צריכים. להיות מטופלים בתוך מכסה המנוע

  1. הפקדה בשכבה תחתונה בעובי של 4 יקרומטר של פארילין-C על גבי פרוסת וופל נקי (ראה איור 2א).
  2. השתמשו בפוקשו הראשונה (מסכה -1) כדי להגדיר את חיבורי המתכת של המכשירים, כמו גם טבעת מתכת מסביב לקצה של וופל כדי לסייע בשלבי ההמראה המאוחרים (איור 2ב').
    1. ספין מעיל NR71-3000p על וופל ב 3,000 סל ד עבור 40 s. לאפות את הפרוסת וופל על צלחת חמה עבור 14.5 דקות ב-95 ° c.
    2. לטעון את הפרוסת וופל 1 לתוך מסכה לתנינים. מקמו את הופל כך שהטבעת על הפושאול חופפת עם כל הקצוות של הפרוסת.
    3. לחשוף עם i-line (365 באורך גל nm) במינון של 90 mJ/cm2. הקשה אופה את הפרוסת על צלחת חמה עבור 1 דקות ב 115 ° c.
    4. לטבול את וופל בתוך RD6 מפתח עבור 2 דקות, ברציפות להחרפת הפתרון. לשטוף ביסודיות עם DI H2O ו לנשוף יבש עם N2 אקדח.
    5. השתמש קרן אלקטרון מאייד להפקיד 10 ננומטר Ti, ואחריו 100 nm או על הפרוסת.
      הערה: פרמטרים אופייניים לתצהיר הם לחץ בסיסי של 5 x 10-7 Torr ושיעור של 2 Å/s.
    6. לטבול את וופל ב מסיר PG עבור ~ 10 דקות עד photoresist יש מומס עודף מתכת יש הרים לגמרי, עוזב Ti/Au רק בעקבות החיבור הרצוי ואת הטבעת סביב קצה של וופל. לאחר ההמראה מופיע השלם, sonicate עבור 30 s כדי להסיר עקבות שנותרו של מתכת לא רצויה. לשטוף וופל ראשון בפתרון נקי PG מסיר, ואז לשטוף ביסודיות ב-DI H2O ויבש וופל עם אקדח N2 .
  3. הפקדה על שכבת ההקרבה פארילין-C (איור 2ג).
    1. לחשוף את הפרוסת וופל O2 פלזמה עבור 30 כדי להפוך את הפארילין-C הבסיסית הידרופיפילית שכבה. מעיל ספין 2% ניקוי פתרון (g., מיקרו-90) ב DI H2O על וופל ב 1,000 rpm עבור 30 s. לאפשר וופל לאוויר יבש לפחות 5 דקות.
      הערה: פתרון הסבון המהול מתפקד כאנטי-דביק, ומאפשר לשכבת ההקרבה פארילין-C להיות מקולף מאוחר יותר בתהליך.
    2. הפקדה 3 יקרומטר של פארילין-C על הפרוסת.
  4. השתמש השני השנייה (מסכה -2) כדי להגדיר את דפוסי MXene וטבעת סביב הקצה של וופל (איור 2ד).
    1. חזור על שלבים 2.2.1-2.2.4, הפעם באמצעות מסכה -2 ובזהירות ליישר את סימני היישור בין וופל לבין פושאול לפני החשיפה.
    2. השתמש O2 איכול פלזמה תגובתי (RIE) לחרוט דרך שכבת פארילין-C ההקרבה באזורים שאינם מכוסים על ידי photoresist להגדיר את האלקטרודות MXene ועקבות, אשר חופפים חלקית עם החיבורים Ti/Au, כמו גם את הטבעת סביב קצות הפרוסת. אשר חריטה מלאה של שכבת פארילין-C העולה באמצעות פרולומטר כדי למדוד את הפרופיל בין חיבורי Ti/Au החשופים לבין שכבת פארילין-C התחתונה.
      הערה: כאשר התחריט יושלם, הפרופיל על פני משטח המתכת החשוף יהיה חלק, בעוד ששכבת ה-פארילין-C התחתונה תהיה משובשת וחרוטה בחלקו. זה צעד לחרוט יש להשלים את מערכת מישורי לחרוט RIE, לא חבית אשר, ו לחרוט פעמים ופרמטרים יהיה תלוי מאוד במערכת RIE.
  5. הספין-מעיל הפתרון MXene על הפרוסת (איור 2E).
    1. התמיסה MXene הפתרון על כל אחד מדפוסי MXene הרצוי, ואז לסובב את וופל ב 1,000 סל ד עבור 40 s. יבש 120 וופל על צלחת מעלות צלזיוס של ° c עבור 10 דקות כדי להסיר את שרידי המים מהסרט MXene.
  6. השתמש מאייד קרן אלקטרונים להפקיד 50 ננומטר SiO2 על וופל, כדי לשמש כשכבת הגנה על דפוסי MXene עבור שלבי העיבוד הבאים.
    הערה: פרמטרים אופייניים לתצהיר הם לחץ בסיסי של 5 x 10-7 Torr ושיעור של 2 Å/s.
  7. הסר את שכבת פארילין-C ההקרבה לתבנית ה-MXene ו-SiO2 שכבות (איור 2F).
    1. החל טיפה קטנה של DI H2O לקצה של וופל ולהשתמש מלקחיים לקלף את שכבת פארילין-C ההקרבה, החל היכן הקצוות שלה מוגדרים בזירה סביב החלק החיצוני של וופל.
      הערה: המים ישלב עם שאריות הסבון מתחת לשכבת ההקרבה פארילין-C כדי לאפשר את ההמראה.
    2. לשטוף את וופל ביסודיות DI H2O כדי להסיר את כל שאריות שנותר פתרון ניקוי. יבש את וופל עם אקדח N2 , ואז מניחים על צלחת 120 ° c לוהט עבור 1 כדי להסיר את כל המים שיורית מהסרטים MXene בדוגמת.
  8. הפקדת השכבה 4 יקרומטר עבה העליון של פארילין-C (איור 2G).
  9. השתמש באפשרות הפוביאלי השלישית (מסיכה -3) כדי להגדיר מיתאר ופתחים של התקנים על גבי אלקטרודות ורפידות מליטה של Au (VIAs) (איור 2H).
    1. חזור על שלבים 2.2.1-2.2.4, הפעם באמצעות מסכה -3 ובזהירות ליישר את סימני היישור בין וופל לבין פושאול לפני החשיפה.
    2. השתמש מאייד קרן אלקטרונים להפקיד 100 ננומטר אל על הפרוסת.
      הערה: פרמטרים אופייניים לתצהיר הם לחץ בסיסי של 5 x 10-7 Torr ושיעור של 2 Å/s.
    3. לטבול את וופל ב מסיר PG עבור ~ 10 דקות עד המתכת הרים לגמרי, עוזב אל מכסה את המכשירים עם פתחים עבור אלקטרודות ורפידות מליטה. כאשר ההמראה הושלמה, sonicate עבור 30 כדי להסיר את העקבות הנותרים של מתכת לא רצויה. לשטוף וופל ראשון בפתרון נקי PG מסיר, ואז לשטוף ביסודיות ב-DI H2O ויבש וופל עם אקדח N2 .
  10. פארילין-C כדי לתקן את קווי המתאר והפתחים של ההתקן על גבי אלקטרודות ורפידות מליטה של Au (VIAs) (איור 2I). השתמש O2 פלזמה RIE לחרוט דרך שכבות פארילין-c סביב המכשירים, ובאמצעות שכבת פארילין-c העליון המכסה הן את אנשי הקשר אלקטרודה MXene ואת רפידות מליטה Au.
    הערה: התחריט מושלם כאשר אין שאריות פארילין-C הנותרים על הרקיק בין התקנים. שכבת SiO2 המכסה את mxene יפעל כמו שכבת להפסיק לחרוט, מונע את הפלזמה O2 מתוך תחריט או פגיעה הקשר האלקטרודה mxene.
  11. לאיכול את שכבת אל המכסה את המכשירים באמצעות איכול כימי רטוב בסוג אל-מזמור A ב 50 ° c עבור 10 דקות, או עבור 1 דקות אחרי כאשר כל העקבות החזותיים של אל נעלמו, מה שבא ראשון. לחרוט את ה-SiO2 כיסוי אלקטרודות MXene באמצעות איכול כימי רטוב ב 6:1 באגירה תחמוצת מאגור (boe) עבור 30 s (איור 2J).
    הערה: מערכי המיקרו-אלקטרודה של MXene הושלמו כעת.
  12. שחרר את המכשירים מתוך המצע וופל על ידי הצבת טיפה קטנה של DI H2O בקצה של המכשיר, ובעדינות לקלף את המכשיר כמו מים הוא מרושע מתחתיו על ידי פעולה נימי (איור 2K ואיור 3).

3. בנייה וממשק מתאם

הערה: בשלב זה, מערכי המיקרו-אלקטרודה הדקים חייבים להיות מחוברים עם מתאם כדי להתחבר למערכת ההקלטה האלקטרופיזיולוגיה. הגירוי/הקלטה 128ch עם RHS2000 16-ch השיא בשלב (לוח חומרים) המשמש בפרוטוקול זה דורש קלט באמצעות מחבר תואם את מחבר 18 פינים A79039-001. סעיף זה משתמש בלוח מעגלים מודפס (PCB, איור 4א) עם מחבר כוח הכנסה אפס (זיף) לצורך ממשק עם משטחי המליטה של Au במערך המיקרו-אלקטרודה והמחבר A79040-001 לצורך ממשק עם שלב הראש של מערכת ההקלטה. בהתאם למערכת רכישת הנתונים, ניתן להשתמש במחברים שונים ב-PCB כדי לאפשר ממשק עם הבמה האלקטרופיזיולוגיה.

  1. החלה המחברים Omnetics ו זיף ל PCB על ידי החלת סרט דק של הלחמה להדביק לכל אחד מרפידות המגע על PCB, הצבת חלקים במיקומים המתאימים שלהם, וחימום על צלחת חם עד הלחמה מוזרם מראש כדי ליצור חיבורים (איור 4ב).
    הערה: ניתן לבצע הלחמה מוזרמים בקלות בפלטה חמה או בטוסטר-אובן, ואינה דורשת שימוש בתנור הזרמה יקר.
  2. החלת שתי שכבות של סרט פוליימיד (טבלת חומרים) לצד האחורי של אזור משטח החיבור של Au של מערך מיקרואלקטרודה MXene כדי לתת להתקן עובי מספיק כדי לאבטח במחבר זיף. לאחר החלת הקלטת, לקצץ כל עודף מעבר לקצוות של התקן פארילין-C באמצעות להב תער או מספריים דיוק (איור 4ג).
  3. תחת טווח ביקורת או שימוש במשקפיים מגדלת, יישר את מערך מיקרואלקטרודה MXene במחבר זיף כך שרפידות המליטה של Au יתיישרו עם הפינים שבתוך המחבר זיף ולאחר מכן תסגור את הזיף כדי ליצור חיבור מאובטח (איור 4D, E).
    הערה: מחבר זיף המשמש כאן הוא מחבר 18 ערוצים, בעוד ההתקן המשמש כאן יש 16 ערוצים. הערוצים הנוספים שאינם בעלי הקשר מזוהים בקלות כמעגל פתוח באמצעות בדיקת עכבה במהלך הפעלות הקלטה.
  4. בדוק את העכבה האלקטרוכימי של אלקטרודות MXene באמצעות פוטנציאל להבטיח ייצור מוצלח וחיבור למתאם PCB.
    הערה: ערכי עכבה סבירים מקבלים בסעיף הדיון כדי לסייע בפתרון בעיות.

4. השרשה חריפה והקלטה עצבית

הערה: ניתוחים על חולדות מבוגרים זכר ג ' ולבי מבוצעים באמצעות מכשירים סטרילי עם טכניקה אספטי. שיעור הנשימה, רפלקס palpebral, ו הדוושה לדווש בדקו כל 10 דקות כדי לפקח על עומק ההרדמה. טמפרטורת הגוף נשמרת עם כרית חימום.

  1. מנהל כאבים מונעת (הזרקה תת-עורית של שחרור בופרינורטין [SR], 1.2 מ"ג/ק"ג).
  2. ניהול הרדמה (הזרקת תוך הצפק של תערובת של 60 מ"ג/ק ג קטמין ו 0.25 mg/ק"ג dexmedetomidine).
  3. לאשר רמה נאותה של הרדמה כל 10 דקות במהלך הניסוי על ידי בדיקת העדר palpebral והדוושה רפלקסים צביטה.
  4. חולדה מאובטחת במסגרת סטריאוטקאית, להחיל חומר סיכה העין על העיניים, ונקי הקרקפת מגולח עם 10% povidone-יוד.
  5. לחשוף את הcalvaria עם חתך הקרקפת יחיד קו ביניים וניתוח קהה של הרקמה הבסיסית.
  6. מניחים בורג 00-90 לתוך הגולגולת כדי לשמש כקרקע להקלטות.
  7. באמצעות מקדחה שיניים עם בור קטן, לעשות פתיחת גולגולת באתר ההקלטה הרצויה הקלטה הקליפת.
  8. אבטח את מחבר המערך למבצע סטריאוטקאני ומקם את המכשיר על פתיחת הגולגולת. הנמך בעדינות עד שמערך כולו יהיה בקשר עם הקליפה החשופה.
  9. עוטפים את חוט הקרקע. סביב בורג הגולגולת
  10. חבר את השלב הקדמי של מערכת ההקלטה למערך והתחל להקליט פעילות ספונטנית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

לדוגמה נתונים מיקרו-ECoG שנרשמו במערך מיקרואלקטרודה MXene מוצג באיור 5. בעקבות היישום של מערך האלקטרודה על קליפת המוח, אותות פיזיולוגיים ברורים התבררו מיד על אלקטרודות ההקלטה, עם כ 1 mV משרעת אותות ECoG המופיעים על כל אלקטרודות MXene. ספקטרום הכוח של אותות אלה אישר את הנוכחות של שני מקצבים במוח בדרך כלל בחולדות תחת הרדמה הקטמין-dexmedetomidine: 1-2 Hz הרץ במהירות איטית וγ תנודות ב-40-70 Hz. בנוסף, הנחת כוח הפס הרחב לחתימה במהלך המצב "למטה" של התנודה האיטית, והגברה מβ סלקטיבית (15-30 Hz) וγ-להקה (40-120 Hz) במהלך "למעלה" מצבם של התנודה האיטית נצפתה התוצאות עשויות להשתנות בהתאם למין החי המשמש במחקר, באזור המוח המיועד, בסוג ההרדמה, ובזמן שחלף מאז הנהלת ההרדמה.

Figure 1
איור 1: סכמטי המתאר את הליך הסינתזה של MXene. (א) Ti3alc2 MAX מתווסף לפתרון Etchant סלקטיבי (HF, HCl, ו-DI H2O), וכתוצאה מכך הסרת אלומיניום (Al). (ב) לאחר כביסה את פתרון החריטה ל-pH ניטרלי באמצעות DI H2O, שכבות Ti3C2 מושגת. מולטי שכבתי3ג '2 הוא אתונה עם Li+ מתוך פתרון מימית של ליתיום כלוריד (licl). (ג) לאחר שטיפת תגובת האינטרקאלציה, הנפיחות משקעים נצפתה כמייצג את החליפין של Li+ עם H2O. עצבנות של משקעים נפוחים גורמת לפילינג (או לתערובת) של פתיתים בעלי שכבה אחת לכמה שכבות של ti3c2 mxene ב H2O. גודל בחירה והפרדה של Ti בנפח3c2 mxene מ שכבתית ti3c2 ו-ti3alc2 שלב מקסימום מתרחשת בשלב זה. (ד) Ti3C2 mxene דיו מועבר באמצעות מזרק אל ארגון אטום מרחב ראש בקבוקון עבור אחסון לטווח ארוך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: תרשימים של הליך הייצור עבור מערכים מיקרואלקטרודה MXene. (A) התחתון פארילין-C שכבה מופקד על וופל נקי. (ב) Ti/Au (10 ננומטר/100 ננומטר) עקבות מוליך הם בדוגמת דרך פוטוליתוגרפיה, העדות האלקטרונית, ומרימים. (ג) שכבה נגד הדבקה של 1% פתרון ניקוי ב DI H2O מוחל, ואחריו התצהיר של שכבת פארילין-C ההקרבה. (ד) שכבת ההקרבה פארילין-C מתבנית באמצעות פוטוגרפיה ו-O2 RIE תצריב. (ה) Ti3C2 mxene הוא ספין מצופה על וופל, ואחריו התצהיר E-קרן של 50 ננומטר של SiO2. (ו) שכבת ההקרבה פארילין-C מבוטלת, שאריות של תמיסת ניקוי מתבהרים, והפרוסת מאפה יבשה. (G) הפארילין-C העליון מופקד. (H) שכבת מסיכת החרוט בתבנית באמצעות ליתוגרפיה, העדות האלקטרונית של הקרן, ומתיחת הרים כדי להגדיר את vias ואת קו המתאר של המכשיר. (I) פארילין-C על אנשי קשר אלקטרודה והתקנים המקיפים הוא חרוט משם דרך O2 RIE. (J) מסכת איכול ו-SiO2 שכבת מגן על mxene הם חרוטים דרך תהליכי איכול רטוב. (K) המכשיר המוגמר הוא הרים וופל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: צילומים ותמונות מיקרוסקופיה אופטית של מערכים מיקרואלקטרודה MXene. (A) צילום של 3 בגודל אינץ ' וופל המכיל 14 מערכים מיקרואלקטרודה הושלמה MXene. שימו לב לטבעת הזהב שמסביב לקצה החיצוני של הפרוסת וופל, המועילה לביצוע שלב 2.7 ביעילות. (ב) תמונת מיקרוסקופ אופטי המציגה את הפילינג של המכשיר הושלם מתוך וופל באמצעות כמות קטנה של DI H2O. (ג) מיקרוסקופ אופטי תמונה המציגה את מערך מיקרואלקטרודות mxene. (ד) מיקרוסקופ אופטי של התמונה של האלקטרודה MXene הפרט. סולם ברים = 1 ס"מ, 3 מ"מ, 500 יקרומטר, 20 יקרומטר (משמאל לימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: ממשק המיקרו-אלקטרודה של MXene עם לוח המתאם. (א) PCB עם רפידות עבור הלחמה מחברי Omnetics ו זיף. (ב) PCB לאחר הלחמה של מחברי Omnetics ו זיף. (ג) תוספת של שכבות פוליימיד לצידו האחורי של רפידות מליטה של Au, כדי לתת עובי מספיק עבור מחבר זיף. שתי שכבות של פוליאימיד יתווספו (למעלה) ולאחר מכן גזוז סביב הקצוות (למטה). (ד) mxene מערך מיקרואלקטרודה שנוסף למחבר זיף עם יישור מתאים. (ה) השקפה עליונה של MXene מערך מיקרואלקטרודה המחובר ללוח מתאם ומוכן לניסוי הקלטה. קנה מידה של פסים = 2 מ"מ. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: תוצאות ההקלטה העצבית הייצוגית. (א) איור של מיקום מערך מיקרו-ecog על משטח קורטימי של חולדה מורדם. (ב) קטע של פעילות קורטיקלית מוקלטת המוצגת עבור 9 אלקטרודות. מדינות "למטה" שמבוססות על שוקת של התנודה האיטית (1-2 Hz) מסומנות בעיגולים אדומים. (ג) צפיפויות כוח ספקטרליות לכל ערוץ הקלטה. (ד) "למטה", scalogram המופעל על ידי המדינה, עבור ערוץ מיקרו-ecog של הנציג. הערה הנחת חשמל בפס רחב במהלך "למטה" המדינה β-band סלקטיבי (15-30 Hz) ו-γ-band (40-120 Hz) הגברה במהלך "למעלה" המדינה. מעקב שחור בשכבות מראה תנודה איטית ממוצעת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

סינתזה MXene והליך הדלאמנציה המתואר בפרוטוקול זה (HF/HCl/LiCl) נבנה מתוך גישה מתון חריטה אשר המועסקים אבל (באתרו HF) etchant בינוני26. גישה מתונה מאפשר Ti3C2 פתיתי (מספר יקרומטר בגודל לרוחב) כדי להיות מדלל באופן ספונטני במהלך הכביסה פעם אחת pH ~ 5-6 הושג. בהשוואה לחריטה עם HF בלבד, התוצאה היא חומר עם איכות גבוהה יותר ותכונות חומרים משופרים, כגון מוליכות אלקטרונית ויציבות כימית. שיטת ה-HF/HCl/LiCl מנצלת את שיפורי הסינתזה של מתון, ובנוסף מפרידים בין כל שלב (תצריב קו, אינטרקלוציה ומדלאמנציה) המאפשרים בקרת משתמש נוספת.

במהלך שלב 1.1, היחס בין חומרי הגלם (טיק, אל, Ti), טמפרטורה, קצב שיפוע הטמפרטורה והזמן הם קריטיים להשגת שלב המקסימום הנכון. ניפוי של השלב המרבי לפני החריטה יבטיח חריטה הומוגנית יותר. הוספת שלב MAX למדיה etchant (שלב 1.2) חייבת להתבצע באיטיות כדי למנוע התחממות יתר ושלל כללי של 5 דקות לכל 1 g של MAX מוצע. אם התחממות יתר הופך אתגר, אמבט קרח צריך להיות מועסק במהלך התוספת של Ti3alc2 שלב מקסימום. כאשר שוטף את תגובת התחריט ל-pH נייטרלי (שלב 1.3), כל supernatant חומצי לאחר צנטריפוגה צריך להיות שקוף. אם supernatant לאחר צנטריפוגה הוא כהה או לדלל ירוק, להגדיל את זמן הצנטריפוגה ו/או מהירות לחומר משקעים. בגלל התוספת של LiCl ל H2O הוא ex, כמה הסקה תתרחש (שלב 1.4). בהליך זה, זמן האינטרקלציה (שלב 1.4) הוא 12 h, למרות שניתן לשנות או לקצר אותו למעט כמו 15 דקות. איכות הדלאמנציה (שלב 1.5) היא ייחודית לכמות המים המשמשת בכביסה ובמידת העצבנות. ניתן לדלל את הסופרנטנים במהלך שלב זה, במקום שקוף. אם משקעי החומר הופך אתגר, הגדלת מהירות צנטריפוגה/rcf יש להשתמש. חשוב לבצע הפרדה ובחירת גודל על-ידי צנטריפוגה (שלב 1.5) כדי להימנע מדגימות פולילפיזור. אי ביצוע שלב זה יגרום דיו כי יש שני Ti3alc2 מקסימום זיהום הפאזה הגדולה מרובת שכבות ti3C2 חלקיקים. במהלך שלב 1.6, חשוב למזער את נפח החלל הקדמי של הבקבוקון.

במהלך הייצור של מערכי מיקרואלקטרודה MXene, קיימים מספר שלבים קריטיים הנחוצים להפקת אלקטרודות באיכות גבוהה. חשוב לעצב את הפושאול הראשון, כך שיש טבעת מתכת מסביב לקצה החיצוני של הרקיק (שלב 2.2) והפושאול השני, כך שקיימת טבעת מתאימה, בעלת קוטר מעט גדול יותר, שנחרט באמצעות הקורבן פארילין-C (שלב 2.4) שכבה כדי לסייע בהסרת שכבת ההקרבה. ללא טבעת זו, זה יכול להיות קשה להקים קצה להתחיל לקלף את שכבת פארילין-C ההקרבה בשלב 2.7. במהלך שלב 2.3, זה קריטי לחשוף את וופל כדי פלזמה O2 כדי לאפשר את הפתרון ניקוי כראוי רטוב ולדבוק וופל. אי ביצוע שלב זה יגרום לאזורים של וופל לא צבירת שכבה אנטי דבק, אשר מעבד את הסרת שכבת פארילין-C ההקרבה בשלב 2.7 בלתי אפשרי. במהלך ההסרה של שכבת פארילין-C ההקרבה בשלב 2.7, חשוב להיזהר כדי למנוע שריטות או להזיק לשכבה פארילין-C התחתונה, כמו זה יכול להוביל להיווצרות בועות בין התחתון פארילין-C ו וופל Si, ו delamination הבאים. אם שכבת פארילין-C ההקרבה אינה מתקלפת בקלות, ניתן להשתמש בפתרון ניקוי מעט יותר מרוכז (4% ב-DI) בשלב 2.3.1, או בחשיפת הפלזמה O2 בשלב 2.3.1 יכולה להיות ממושכת כדי לשפר את הhydrophilicity של שכבת פארילין-C הבסיסית.

לאחר השלמת הייצור, ממשק כראוי את התקן MXene עם לוח המחבר הוא חיוני. התוספת של שתי שכבות של קלטת פוליאימיד בשלב 3.2 הוא חיוני כדי להבטיח עובי המתאים להכנסה לתוך מחבר זיף, עם זאת יש לנקוט כדי למנוע קיפול מקרי או מהדק של מכשיר פארילין-C דק בעוד הקלטת נוספת, כפי שאין אפשרות להסיר את הקלטת מבלי להזיק למכשיר. לאחר מכן, יישור נאות של רפידות מליטה Au על המכשיר MXene עם סיכות בתוך מחבר זיף (איור 4D) חיוני ליצירת חיבור חזק (שלב 3.3). בשלב זה, מדידת העכבה של אלקטרודות MXene מועילה לפתרון בעיות. 50 יקרומטר x 50 יקרומטר מרובע mxene אלקטרודה צריך להיות בסדר העכבה ליד 50 kΩ בתדר של 1 kHz ב-PBS 1x, ו 25 יקרומטר בקוטר מעגלית mxene אלקטרודה צריך להיות בגודל עכבה ליד 200 kΩ תחת אותם פרמטרים36. עכבה גדולה באופן משמעותי מזה יכול להצביע על כך האלקטרודה אינה מחוברת כראוי במחבר זיף, או כי האלקטרודה MXene לא נחשפת, כפי שקורה אם השכבה פארילין-C העליון לא היה חרוט לחלוטין בשלב 2.10 או שכבת ההגנה של SiO2 לא נחרט במלואו בשלב 2.11.

מגבלה אחת של שיטה זו היא שינויים בעובי הסרט MXene הנצפה לעיתים לאחר ספין-הליהוק MXene על הפרוסת. השונות הזאת יכולה להיות מודגשת יותר אם האלקטרודות משתנות לאזורים גדולים יותר. מגבלה זו ניתן להתגבר בקלות על ידי ניצול תרסיס ציפוי במקום ספין-ציפוי כדי להחיל MXene על וופל, המייצג אחר הפתרון פשוט, בעלות נמוכה עיבוד השיטה שבה MXene, ואת הפרוטוקול הזה, הם תואמים39.

הפרוטוקול המתואר כאן מציג הזדמנויות חדשות ומלהיבות במדעי המוח ובתחום הגדול של ביו-אלקטרוניקה. אמנם יש כבר זמן רב עניין של מינוף פחמן מבוססי ננו-הקרנל עבור מיקרואלקטרודות עצביים, התאגדות של Ti3C2 mxene לתוך אלקטרודות כאלה אפשרה פשוט יותר ויותר התפוקה גבוהה בייצור של תפוקת מאשר התאפשר עם אחרים פחמן מבוססי ננו. יתר על כן, המאפיינים הבולטים של Ti3C2 mxene להעניק את האלקטרודות עם עכבה נמוכה להפליא עבור גודלם, ובכך לשפר את הרגישות ואת איכות האות. גוף הולך וגדל של ספרות מתאר גם מספר שיטות מיקרופנינג mxene, אשר עשוי להיות מותאם עבור בדיית מיקרואלקטרודות mxene בעתיד, כולל מיקרו-מגע הדפסה40, הדפסת הזרקת דיו41,42, ו תחריט אוטומטי האזמל43. קיים פוטנציאל רב להרחבת פרוטוקול זה כדי להמציא את Ti3C2 כימיקלים mxene של גודל שרירותי וגיאומטריה עבור מגוון של יישומים ביולוגיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (מענק לא. R21-NS106434), האזרחים המאוחדים למחקר באפילפסיה פרס הטיסה, קרן משפחת מירנובסקי וניל וברברה סמזה (F.V.); תוכנית המלגות למחקר בוגר קרן המדע הארצי (הענקת לא. DGE-1845298 ל N.D. ו-בע); משרד המחקר הצבאי (הסכם שיתופי מספר W911NF-18-2-0026-ק); ועל ידי צבא ארצות הברית באמצעות תוכנית מדעי פני השטח יוזמה במרכז הביולוגי כימית של אדעץ (PE 0601102A פרוייקט VR9 כדי Y.G. ו ק). עבודה זו בוצעה בחלקו במרכז סינג לננוטכנולוגיה, אשר נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע ננוטכנולוגיה מתואמת התוכנית (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

ביו-הנדסה סוגיה 156 MXene חומרים דו-ממדי ננו-אלקטרוניקה מיקרואלקטרודות עצביות ממשקים עצביים נוירוהנדסאים
הייצור של Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub> Mxene מערכים מיקרואלקטרודה <em>בVivo הקלטה</em> עצבית
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