Aquí describimos un método para fabricar matrices de microelectrodos Ti3C2 MXene y utilizarlas para la grabación neuronal in vivo.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Fabricación de ti3C2 Matrizs de Microelectrodos MXene para Grabación Neuronal In Vivo
En este artículo
Resumen
Resumen
Las tecnologías de microelectrodos implantables se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal a microescala para obtener una comprensión más profunda de los fundamentos neuronales de la enfermedad cerebral y las lesiones. A medida que los electrodos se miniaturizan a la escala de células individuales, un aumento correspondiente en la impedancia de la interfaz limita la calidad de las señales registradas. Además, los materiales de electrodos convencionales son rígidos, lo que resulta en una falta mecánica significativa entre el electrodo y el tejido cerebral circundante, lo que provoca una respuesta inflamatoria que eventualmente conduce a una degradación del rendimiento del dispositivo. Para hacer frente a estos desafíos, hemos desarrollado un proceso para fabricar microelectrodos flexibles basados en Ti3C2 MXene, un nanomaterial recientemente descubierto que posee una capacitancia volumétrica notablemente alta, conductividad eléctrica, funcionalidad de superficie y procesabilidad en dispersiones acuosas. Los arreglos flexibles de microelectrodos Ti3C2 MXene tienen una impedancia notablemente baja debido a la alta conductividad y la alta superficie específica de las películas Ti3C2 MXene, y han demostrado ser exquisitamente sensibles para el registro de la actividad neuronal. En este protocolo, describimos un método novedoso para micropatrón de Ti3C2 MXene en matrices de microelectrodos en sustratos poliméricos flexibles y delineamos su uso para el registro de microelectrocorticografía in vivo. Este método se puede ampliar fácilmente para crear matrices de electrodos MXene de tamaño arbitrario o geometría para una gama de otras aplicaciones en bioelectrónica y también se puede adaptar para su uso con otras tintas conductoras además de Ti3C2 MXene. Este protocolo permite la fabricación simple y escalable de microelectrodos a partir de tintas conductoras basadas en soluciones, y específicamente permite aprovechar las propiedades únicas de Ti3C2 MXene hidrófilos para superar muchas de las barreras que han obstaculizado durante mucho tiempo la adopción generalizada de nanomateriales basados en carbono para microelectrodos neuronales de alta fidelidad.
Introducción
Comprender los mecanismos fundamentales subyacentes a los circuitos neuronales, y cómo se altera su dinámica en enfermedades o lesiones, es un objetivo crítico para desarrollar terapias eficaces para una amplia gama de trastornos neurológicos y neuromusculares. Las tecnologías de microelectrodos se han utilizado ampliamente para dilucidar la dinámica neuronal en escalas espaciales y temporales finas. Sin embargo, la obtención de grabaciones estables con una alta relación señal-ruido (SNR) de electrodos a microescala ha demostrado ser particularmente difícil. A medida que las dimensiones de los electrodos se reducen para acercarse a la escala celular, un aumento corres....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
Todos los procedimientos in vivo se ajustaban a la Guía de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio y fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de Pensilvania.
1. Síntesis de Ti3C2 MXene
NOTA: Los procedimientos de reacción descritos en esta sección están diseñados para su uso dentro de una campana de humo sorquímico. Los pasos de lavado incluidos en este procedimiento están diseñados para ser utilizados con tubos de centrífuga equilibrados. Todos los residuos producidos se consi....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
Los datos de micro-ECoG de muestra registrados en una matriz de microelectrodos MXene se muestran en la Figura 5. Después de la aplicación de la matriz de electrodos en la corteza, las señales fisiológicas claras fueron inmediatamente evidentes en los electrodos de grabación, con aproximadamente 1 mV de amplitud de señales ECoG que aparecen en todos los electrodos de MXene. Los espectros de potencia de estas señales confirmaron la presencia de dos ritmos cerebrales comúnmente observados en r.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
El procedimiento de síntesis y delaminación de MXene descrito en este protocolo (HF/HCl/LiCl) se construyó a partir del enfoque de grabado MILD que empleó un lif/HCl (hf in situ) etchant medio26. El enfoque MILD permite que grandes escamas de Ti3C2 (varias de tamaño lateral) se delalen espontáneamente durante el lavado una vez que se haya alcanzado el pH 5o6. En comparación con el grabado con HF solo, esto resulta en material con mayor calidad y propiedades de material mejora.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (concesión no. R21-NS106434), el Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, la Mirowski Family Foundation y Neil and Barbara Smit (F.V.); el Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias (conceder no. DGE-1845298 a N.D. y B.M.); la Oficina de Investigación del Ejército (Acuerdo Cooperativo Número W911NF-18-2-0026 a K.M.); y por el Ejército de los Estados Unidos a través del Programa de Iniciativa de Ciencia Sólapto en el Centro Biológico Químico Edgewood (PE 0601102A Proyecto VR9 a Y.G. y K.M.). Este trabajo se llevó a cabo en parte en el Centro Sin....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 00-90 | tornillo McMaster-Carr | 90910A630 | Tornillo de cráneo alrededor del cual se enrolla el cable de tierra Controlador |
| estimulación/grabación de 128 canales | Intan Technologies | Un componente del sistema de grabación neuronal. | |
| Tubos centrífugos cónicos de polipropileno (PP) de 175 mL Falcon | REF: 352076 | Se utiliza para lavar | |
| el conector ZIF de 18 posiciones con paso de 0,5 mm | Molex | 505110-1892 | Se utiliza para interconectar el conjunto flexible de microelectrodos Parylene con la placa adaptadora de PCB. |
| Conector nanominiatura macho de doble fila de 18 posiciones (.025 "/.64 mm) | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Se utiliza para conectar la placa adaptadora de PCB a la cabecera de grabación. |
| Juego de plástico desechable de 3ML Pipetas graduadas de transferencia | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Se utiliza para transferir soluciones de grabador o MXene |
| Tubo de centrífuga concial de polipropileno (PP) de 50 mL | Falcon | REF: 352070 | Se utiliza para el lavado y la selección de tamaño |
| Al grabador Tipo A | Transene | 060-0026000-QT | Para eliminar la capa de máscara de grabado de Al después del grabado final de Parylene-C. |
| Polvo de aluminio, -325 Malla, 99.5% (base de metales), tamaño de partícula < 44 y micro; m | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Utilizado para la síntesis MAX |
| Software AutoCAD | Autodesk Inc. | Software de diseño para dibujar fotomáscaras. Las alternativas gratuitas incluyen DraftSight y LayoutEditor. | |
| Grabador de óxido tamponado 6:1 | JT Baker | 1178-03 | Para eliminar la capa de SiO2 para exponer los contactos de los electrodos MXene al final del procedimiento de fabricación. |
| Buprenorfina SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia para cirugía | |
| Centrífuga | Hermle | Benchmark Z 446 | Se utiliza para el lavado y la selección de tamaño |
| Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anestesia para cirugía de ratas |
| Fresa de taladro Fine | Science Tools | 19007-07 | Rebabas para taladro |
| Taladro eléctrico | Foredom | K.1070 | Taladro de micromotor para craneotomías |
| Evaporador de haz de electrones | Kurt J. Lesker Company | Se utiliza para evaporar Ti, Au y SiO2 durante la fabricación. La mayoría de las salas limpias de las universidades tienen esta herramienta u otra similar. | |
| Cable de tierra | A-M Systems | 781500 | Alambre de plata desnudo |
| Frasco de espacio de cabeza, vidrio | Supelco | REF: 27298 | Se utiliza para almacenar soluciones MXene |
| Ácido clorhídrico (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosivo; material de grabado |
| Ácido fluorhídrico, (48-51% de solución en H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Material grabador |
| Júpiter II Sistema RIE | March Plasma Systems Inc. | Sistema de grabado planar RIE utilizado para grabar el parileno-C utilizando plasma O2. La mayoría de las salas limpias universitarias tienen un sistema de grabado RIE planar comparable. | |
| Cinta de poliimida estándar Kapton, 1/4" | DuPont | Se utiliza para agregar espesor a la región de la almohadilla de unión de Au de la matriz de microelectrodos flexible Parylene para su inserción en el conector ZIF. | |
| Ketamina | de la Univ. de Penn. | Anestesia para cirugía de ratas | |
| KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Se utilizaron los perfiles 2D de medición para confirmar el grabado completo a través de la capa de parileno-C de sacrificio en el paso 2.4.2. La mayoría de las salas limpias universitarias cuentan con esta herramienta de perfilado de palpador óptico o una similar. | |
| Cloruro de litio, 99% para análisis, anhidro | Acros | CAS: 7447-41-8 | Higroscópico; material de delaminación |
| Alineador de mascarillas MA6 | Karl Suss Microtec AG | Se utiliza para alinear cada fotomáscara con el patrón de la oblea y exponer la oblea a la luz ultravioleta. La mayoría de las salas limpias de las universidades tienen esta herramienta u otra similar. | |
| Solución de limpieza Micro-90 | International Products Corporation | M-9050-12 | Se utiliza como capa antiadhesiva para permitir la eliminación de la capa de sacrificio Parylene-C para modelar el MXene |
| NR71-3000p fotorresistente | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Fotorresistencia negativa utilizada para definir trazas de Ti/Au y patrones MXene en los dispositivos. |
| Ungüento oftálmico | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | Para prevenir la sequedad de la córnea durante la cirugía |
| Sistema de deposición de parileno | Sistemas de recubrimiento | Se utiliza para evaporar películas conformadas delgadas de dímero de parileno-C Dímero de parileno-C | |
| Sistemas de recubrimiento especiales | 980130-c-01lbe | Polímero flexible utilizado como capas pasivas inferior y superior para los dispositivos | |
| MXene flexiblesFotomascarillas (cromo sobre vidrio sódico-cálcico) | Universidad de Pensilvania | Nuestras fotomascarillas se produjeron en la sala limpia de la Universidad utilizando un sistema de escritura láser Heidelberg DWL66+, sin embargo, varios proveedores fabrican fotomascarillas a partir de archivos de diseño proporcionados. | |
| Solución de povidona yodada | Medline | MDS093901 | Para ayudar a prevenir la infección alrededor de la incisión del cuero cabelludo |
| Placa de circuito impreso (PCB) | Circuitos | Se utiliza para interactuar entre el mazo de electrodos MXene y la electrónica de medición, como el potenciostato y el sistema de registro Intan. Advanced Circuits y otros proveedores fabrican y ensamblan PCB en función de los archivos de diseño proporcionados. | |
| RD6 Desarrollador | Futurrex Inc. | RD6 Revelador | Se utiliza para desarrollar la fotorresistencia negativa NR71-3000p después de la exposición a los rayos UV |
| Referencia 600 potenciostato | Gamry Instruments | Se utiliza para medir la impedancia de los electrodos para evaluar la calidad de los dispositivos | |
| Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Se utiliza para eliminar NR71-3000p después de la deposición de metal para realizar patrones de despegue |
| RHS2000 Cable de interfaz Stim SPI | Intan Technologies | Un componente del sistema de grabación neuronal. | |
| RHS2116 placa amplificadora | Intan Technologies | Un componente del sistema de grabación neuronal. | |
| Obleas de Si | Wafer World | 2885 | Sustrato para la fabricación Spin |
| Coater | Equipo | Para recubrir obleas con resistencias y aplicar las capas Micro-90 y MXene. La mayoría de las salas limpias universitarias tienen recubridores giratorios. | |
| Marco estereotáxico | Kopf Instruments Modelo | 902 | Para posicionar la rata para neurocirugía |
| magnética recubierta de teflón | Corning | REF: 1233W95 | Se utiliza para agitar durante el grabado y la intercalación |
| Carburo de titanio, 99,5% (base de metales), tamaño de partícula ~2 y micro; m | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Utilizado para la síntesis MAX |
| Polvo de titanio, malla -325, 99% (base de metales), tamaño de partícula < 44µ m | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Utilizado para la síntesis MAX |
| Sonicador de baño ultrasónico | Reynolds Tech | Para eliminar partículas metálicas y fotorresistentes durante los procesos de despegue para modelar metales. | |
| Espectrofotómetro UV vis | ThermoScientific | Evolution 201 | Se utiliza para determinar la concentración y observar el pico de absorción |
| Zetasizer, análisis del tamaño de partícula | Malvern Panalytical | Nano ZS | Se utiliza para determinar la distribución del tamaño lateral de las partículas |
Referencias
- 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.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
