Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

In Vivo Nöral Kayıt için Ti3C2 MXen Mikroelektrot Dizilerinin İmalatı

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

Burada Ti3C2 MXene mikroelektrot dizileri imal etmek ve in vivo nöral kayıt için bunları kullanmak için bir yöntem açıklar.

Abstract

İmplante edilebilir mikroelektrot teknolojileri yaygın beyin hastalığı ve yaralanma nöral temelleri daha derin bir anlayış elde etmek için mikro ölçekte nöral dinamikleri açıklamak için kullanılmıştır. Elektrotlar tek tek hücrelerin ölçeğine göre minyatürleştirilince, arayüz empedansındaki artış kaydedilen sinyallerin kalitesini sınırlar. Ayrıca, konvansiyonel elektrot malzemeleri sert, elektrot ve çevresindeki beyin dokusu arasında önemli bir mekanik uyumsuzluk ile sonuçlanan, sonunda cihaz performansının bozulmasına yol açan inflamatuar bir yanıt ortaya çıkarır. Bu zorlukları gidermek için, sulu dağılımlarda son derece yüksek hacimsel kapasitans, elektriksel iletkenlik, yüzey işlevselliği ve işlenebilirlik sağlayan yakın zamanda keşfedilmiş bir nanomalzeme olan Ti3C2 MXene'ye dayalı esnek mikroelektrotlar imal etmek için bir süreç geliştirdik. Ti3C2 MXene mikroelektrotların esnek dizileri, Ti3C2 MXene filmlerinin yüksek iletkenliği ve yüksek özgül yüzey alanı nedeniyle son derece düşük empedansa sahiptir ve nöronal aktiviteyi kaydetmek için son derece hassas oldukları kanıtlanmıştır. Bu protokolde, Ti3C2 MXene'nin esnek polimerik yüzeylerüzerindeki mikroelektrot dizilerine mikrodesenleme için yeni bir yöntemi anlatmaktadır ve in vivo mikro-elektrokortikografi kaydı için kullanımlarını ana hatlar. Bu yöntem, biyoelektronikteki diğer uygulamalar için mxene elektrot dizileri veya geometri oluşturmak için kolayca genişletilebilir ve ti3C2 MXene'nin yanı sıra diğer iletken mürekkeplerle de kullanıma uyarlanabilir. Bu protokol, çözelti bazlı iletken mürekkeplerden mikroelektrotların basit ve ölçeklenebilir bir şekilde üretilmesini sağlar ve özellikle hidrofilik Ti3C2 MXene'nin benzersiz özelliklerinin, yüksek sadakatli nöral mikroelektrotlar için karbon bazlı nanomalzemelerin yaygın olarak benimsenmesini engelleyen engellerin çoğunu nağmeden aşmalarını sağlar.

Introduction

Nöral devrelerin altında yatan temel mekanizmaları ve dinamiklerinin hastalık veya yaralanmada nasıl değiştiğini anlamak, çok çeşitli nörolojik ve nöromüsküler bozukluklar için etkili tedavi geliştirmek için kritik bir hedeftir. Mikroelektrot teknolojileri ince mekansal ve zamansal ölçeklerde nöral dinamikleri açıklamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, mikro ölçekli elektrotlardan yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) ile kararlı kayıtların elde edilmesi özellikle zor olmuştur. Elektrotların boyutları hücresel ölçeğe yaklaştıkça, elektrot empedansındaki artış sinyal kalitesini düşürür1. Ayrıca, çok sayıda çalışma, konvansiyonel silikon ve metal elektronik malzemelerden oluşan katı elektrotların nöral dokuda önemli hasar ve inflamasyon ürettiğini göstermiştir, bu da uzun süreli kayıt için kullanışlılığını sınırlar2,3,4,5. Bu gerçekler göz önüne alındığında, elektrot-doku arabirim empedansını azaltabilen ve yumuşak ve esnek form faktörlerine dahil edilebilen yeni malzemelerle mikroelektrotların geliştirilmesine büyük ilgi gösterilmiştir.

Elektrot-doku arabirim empedansını azaltmak için yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri, hücre dışı sıvıdaki iyonik türlerin elektrotla veya elektrotun "etkili yüzey alanı" ile etkileşebileceği alanı artırmaktır. Bu nanopatterning ile elde edilebilir6, yüzey pürüzlü7, veya gözenekli katkı maddeleri ile elektrokaplama8,9. Nanomalzemeler bu alanda önemli bir ilgi kazanmıştır çünkü özünde yüksek spesifik yüzey alanları ve uygun elektriksel ve mekanik özelliklerin benzersiz kombinasyonları10sunuyoruz. Örneğin, karbon nanotüpler önemli ölçüde elektrot empedansı azaltmak için bir kaplama olarak kullanılmıştır11,12,13, grafen oksit yumuşak içine işlenmiş, esnek serbest duran prob elektrotlar14, ve lazer-pyrolizeded poroz grafen esnek için kullanılmıştır, düşük empedanmikro-elektrokortikografi (mikro-ECoG) elektrotlar15. Onların sözüne rağmen, ölçeklenebilir montaj yöntemlerinin eksikliği nöral ara elektrotlar için nanomalzemelerin yaygın benimsenmesini sınırlamıştır. Karbon bazlı nanomalzemeler özellikle hidrofobik, ve böylece yüzey aktif madde kullanımı gerektirir16, superacids17, veya yüzey işlevselleştirme18 çözüm işleme üretim yöntemleri için sulu dağılımlar oluşturmak için, üretim alternatif yöntemler, kimyasal buhar birikimi gibi (CVD), genellikle birçok polimerik substratlar 19 ile uyumsuz yüksek sıcaklıklar gerektirir19,20,21 ,22.

Son zamanlarda, iki boyutlu bir sınıf (2D) nanomalzemeler, MXenes olarak bilinen, yüksek iletkenlik olağanüstü bir kombinasyon sunuyor tarif edilmiştir, esneklik, hacimsel kapasitans, ve doğal hidrofilitit, onları nöral interfacing elektrotlar için nanomalzemelerin umut verici bir sınıf yapma23. MXenes 2D geçiş metal karbürler ve nitrides en yaygın katmanlı öncüllerden A elemanı oyma tarafından üretilen bir ailedir. Bunlar genellikle Mn+1AXngenel formülü ile MAX fazlarıdır, M erken geçiş metalidir, A periyodik tablonun 12−16 grubudur, X karbon ve/veya azottur ve n = 1, 2 veya 324. İki boyutlu MXen gevreği hidroksil (−OH), oksijen (−O) veya flor (−F) içerebilen yüzey terminatör fonksiyonel gruplara sahiptir. Bu fonksiyonel gruplar MXenes doğal hidrofilik yapmak ve esnek yüzey modifikasyonu veya işlevselleştirme sağlar. MXenes büyük sınıf, Ti3C2 en kapsamlı çalışılan ve karakterize olmuştur 25,26,27. Ti3C2 oldukça yüksek hacimsel kapasitans gösterir (1,500 F/cm3)28 aktif grafen daha (~60−100 F/cm3)29, karbür türetilmiş karbonlar (180 F / cm3)30, ve grafen jel filmler (~ 260 F / cm3)31. Ayrıca, Ti3C2 son derece yüksek elektronik iletkenlik gösterir (~ 10,000 S / cm)32, ve biyouyumluluk çeşitli çalışmalarda gösterilmiştir33,34,35,36. Ti3C2 filmlerinin yüksek hacimsel kapasitansi biyolojik algılama ve stimülasyon uygulamaları için avantajlıdır, çünkü kapasitif yük transferi sergileyen elektrotlar potansiyel olarak zararlı hidroliz reaksiyonlarını önleyebilir.

Grubumuz son zamanlarda esnek göstermiştir, ince film Ti3C2 mikroelektrot dizileri, çözüm işleme yöntemleri kullanılarak hazırlanan, hangi mikro-elektrokortikografi kayıt yeteneğine sahiptir (mikro-ECoG) ve intrakortikal nöronal spiking aktivitesi in vivo yüksek SNR36ile. Bu MXene elektrotlar, MXen'in yüksek iletkenliğine ve elektrotların yüksek yüzey alanına atfedilebilir boyut uyumlu altın (Au) elektrotlara göre önemli ölçüde azalmış empedans gösterdi. Bu protokolde, ti3C2 MXene düzlemsel mikroelektrot dizilerinin esnek parilen-C yüzeyleri üzerinde üretilmesi ve intraoperatif mikro-ECoG kaydı için in vivo kullanılması nın temel adımlarını açıklıyoruz. Bu yöntem, sabit sulu süspansiyonlar elde etmek için yüzey aktif maddeler veya süperasitler kullanımını gerektirmeyen basit ve ölçeklenebilir çözüm işleme yöntemlerinin kullanımını mümkün kılan MXene hidrofilik doğası yararlanır. Bu işlenebilirlik kolaylığı, diğer karbon nanomalzemelere dayalı cihazların yaygın olarak benimsenmesi için önemli bir sınırlama olan endüstriyel ölçeklerde MXene biyosensörlerinin uygun maliyetli üretimine olanak sağlayabilir. Elektrot imalatındaki en önemli yenilik, çözelti işlenmiş poli (3,4-etilenedioxythiophene):poly (stiren sülfonat) (PEDOT:PSS) mikroelektrotlar37, ancak daha önce desen Mxene sonra mxen mikrodesen bir kurban polimerik tabaka kullanımı yatıyor MXene sonra- çözüm işlenmiş poli (3,4-etilenedioxythiophene) literatürden uyarlanmış bir yöntem. Ti3C2'ninolağanüstü elektriksel özellikleri, işlenebilirliği ve 2D morfolojisi ile birleştiğinde onu sinirsel arayüzler için çok umut verici bir malzeme haline getirmektedir. Özellikle, Ti3C2 elektrot geometrik alan ve elektrokimyasal arayüz empedansı arasındaki temel trade-off üstesinden gelmek için bir yol sunuyor, mikro ölçekli elektrot performansı için birincil sınırlayıcı faktör. Ayrıca, bu protokolde açıklanan üretim prosedürü farklı kayıt paradigmaları için farklı boyutlarda ve geometrilerde MXene elektrot dizileri üretmek için uyarlanabilir ve ayrıca kolayca MXene yanı sıra diğer iletken mürekkepleri dahil etmek için uyarlanabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Tüm in vivo prosedürler Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) Bakım ve Laboratuvar Hayvanları Kullanımı Kılavuzu uygun ve Pennsylvania Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi (IACUC) tarafından onaylandı.

1. Ti3C2 MXen sentezi

NOT: Bu bölümde açıklanan reaksiyon prosedürleri kimyasal bir duman başlığı içinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Bu prosedürde yer alan yıkama adımları dengeli santrifüj tüplerile kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Üretilen tüm atıklar tehlikeli atık olarak kabul edilir ve Üniversite yönergelerine uygun şekilde atılmalıdır.

DİkKAT: Hidroflorik asit (HF) son derece tehlikeli, son derece aşındırıcı bir asittir. Kullanmadan önce MXenes sentezlemek için kullanılan kimyasallar için malzeme güvenlik veri formlarına (MSDS) başvurun ve uygun güvenlik önlemlerini uygulayın ve izleyin. HF işlemek için uygun kişisel koruyucu ekipman (PPE) bir laboratuvar kat içerir, asit dirençli önlük, yakın tonlu ayakkabılar, uzun pantolon, gözlük, tam yüz kalkanı, nitril eldiven, ve Butil kauçuk veya neopren kauçuk yapılmış HF dayanıklı eldiven.

  1. MAX faz sentezi
    1. Synthesize Ti3AlC2 top freze TiC (2 μm), Ti (44 μm) ve Al (44 μm) tozlar bir azı dakika oranı (TiC:Ti:Al) 2:1:1 için 18 saat zirkon topları kullanarak. Tozları bir alümina potasına yerleştirin, 1.380 °C'ye (5 °C ısıtma hızı) ısıtın ve argon altında 2 saat tutun. Tozlar soğuduktan sonra MAX bloğunu ve elek'i 200 örgü elekten (<74 μm partikül boyutu) geçirin.
      NOT: MXenes sentezlemek için kullanılan Ti3AlC2 MAX faz öncül elde edilen Ti3C2 MXene özellikleri üzerinde doğrudan etkileri olduğu gösterilmiştir38. Nöral elektrotlar imal etmek için kullanılan Ti3C2 seçici max bir önceki prosedür26aşağıdaki hazırlanan kazınmış oldu.
  2. Gravür: Ti3AlC2'deki Al tabakasının asidik bir etchant çözeltisinde çıkarılması (Şekil 1A)
    1. Selektif gravür çözeltisini 125 mL'lik plastik bir kapta ilk olarak 12 mL deiyonize su (DI H2O) ekleyerek ve ardından 24 mL hidroklorik asit (HCl) ekleyerek hazırlayın. Tüm uygun HF gravür PPE giyen, gravür konteyner 4 mL HF ekleyin. Reaksiyon kabına 2 g Ti3AlC2 MAX fazını yavaşça ekleyerek ve 400 rpm'de 35 °C'de 24 saat teflon manyetik çubukla karıştırarak seçici gravür yapın.
  3. Yıkama: Malzemeyi nötr pH'a getirmek.
    1. İki adet 175 mL santrifüj tüpü 100 mL DI H2O. Gravür reaksiyonu karışımını 175 mL santrifüj tüpüne bölün ve 5 dakika boyunca 3.500 rpm (2.550 x g)tekrarlanan santrifüj ile malzemeyi yıkayın. pH 6'ya ulaşana kadar tekrarlayın.
  4. İntercalation: Çok katmanlı MXenne parçacığı arasında moleküllerin yerleştirilmesi düzlem dışı etkileşimleri uyandırmak için (Şekil 1B)
    1. 100 mL DI H2O'ya 2 g lityum klorür (LiCl) ekleyin ve 200 rpm'de çözünene kadar karıştırın. 100 mL Lik/H2O ile Ti3C2/Ti3AlC2 tortuyu karıştırın ve 25 °C'de 12 saat reaksiyonu karıştırın.
  5. Delaminasyon: Dökme çok katmanlı parçacıktan tek katmanlı Ti3C2 MXenne 'e eksfoliyasyon (Şekil 1C)
    1. 175 mL santrifüj tüplerinde interkalasyon reaksiyonunu 5 dk. decant için 2.550 x g'de santrifüj ile yıkayın. Karanlık bir süpernatant bulunana kadar tekrarlayın.
    2. 2.550 x g 1 saat santrifüj devam edin. Seyreltik yeşil supernatant decant.
    3. Şişmiş tortuyu 150 mL DI H2O. Transfer süpernatant'ı 50 mL santrifüj tüpe ve santrifüje 2.550 x g'de 10 dk'da mxenden (süpernatant) kalan MAX'i (tortu) ayırmak için yeniden dağıtın.
      NOT: Tortu yeniden dağılması zor olacak ve ajitasyon veya manuel sallayarak gerektirecektir.
    4. Ti3C2 MXene olarak supernatant toplayın. 1 saat için 2.550 x g'de bir santrifüj adımını takiben supernatant'ı toplayarak tek ila birkaç katmanlı pulları izole etmek için çözeltinin daha fazla boyut seçimi ve optimizasyonu gerçekleştirin.
  6. Çözüm depolama: MXene mürekkebatının uzun süreli depolama için paketlenmesi (Şekil 1D)
    1. Argon kabarcık 30 dk önce bir Argon mühürlü headspace şişe (bir şırınga ile transfer) ambalaj için çözümler. Uzun ömürlü olmasını sağlamak için çözeltileri yüksek konsantrasyonlarda (>5 mg/mL), güneş ışığından uzakta ve düşük sıcaklıklarda (≤5 °C) saklayın.

2. Ti3C2 MXen Mikroelektrot Dizilerinin Imalatı

NOT: Bu bölümde açıklanan prosedür, Pennsylvania Üniversitesi'ndeki Singh Nanoteknoloji Merkezi gibi standart bir üniversite temiz oda tesisinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Bu tesis, ulusal bilim vakfı (NSF) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Altyapı Ağı 'nın (NNIN) bir parçası olarak, dışarıdan kullanıcılar tarafından erişilebilir. Bu tesislerde, bu bölümde tanımlanan araç, gereç ve malzemelerin birçoğu temiz oda tesisine erişim ile birlikte sağlanır ve ayrı bir satın alma gerektirmez.

DİkKAT: MXene elektrotların imalatında kullanılan kimyasalların çoğu fotodirençler, RD6 geliştiricisi, sökücü PG, alüminyum aşındırma solüsyonu ve tamponlu oksit etchant dahil olmak üzere tehlikelidir. Kullanmadan önce bu kimyasallar için MSDS'ye danışın ve her zaman uygun güvenlik önlemlerini uygulayın ve uygulayın. Tüm kimyasallar bir duman başlık ele alınmalıdır.

  1. Temiz bir Si gofret üzerine parylene-C 4 μm kalınlığında alt tabaka yatırın (Bkz. Şekil 2A).
  2. Cihazların metal ara bağlantılarını tanımlamak için ilk fotokopiyi (maske-1) ve daha sonraki kaldırma adımlarında yardımcı olmak için gofretin kenarında ki metal halkayı kullanın(Şekil 2B).
    1. Spin kat NR71-3000p gofret üzerine 3,000 rpm için 40 s. Yumuşak 95 °C'de 14,5 dakika sıcak bir tabaküzerinde gofret pişirin.
    2. Gofret ve maske-1'i maske hizalayıcıya yükleyin. Gofret, fotomaskeüzerindeki halkanın gofretin tüm kenarlarıyla çakıştUğu şekilde yerleştirin.
    3. 90 mJ/cm2dozda i-line (365 nm dalga boyu) ile maruz. 115 °C'de 1 dk sıcak bir tabakta gofret pişirin.
    4. Çözümü sürekli olarak karıştırarak, 2 dakika boyunca RD6 geliştiricisi gofret batırın. DI H2O ile iyice durulayın ve N2 topu ile kuru darbe.
    5. 10 nm Ti yatırmak için bir elektron ışını buharlaştırıcı kullanın, ardından 100 nm Au gofret üzerine.
      NOT: Tipik biriktirme parametreleri 5 x 10-7 Torr baz basıncı ve 2 Å/s oranıdır.
    6. Fotodirenç eriyene ve fazla metal tamamen havalanana kadar ~10 dk için sökücü PG'ye gofret batırın, ti/Au'yu yalnızca istenilen ara bağlantı izlerinde ve gofretin kenarındaki halkada bırakın. Bir kez kaldırma-off tam görünür, istenmeyen metal kalan izleri kaldırmak için 30 s için sonicate. Temiz sökücü PG çözeltisinde önce gofret ini durulayın, sonra DI H2O'da iyice durulayın ve gofret'i N2 tabancasıyla kurulayın.
  3. Kurban parilene-C tabakasını yatırın (Şekil 2C).
    1. Altta yatan parilen-C tabakası hidrofilik işlemek için 30 s için O2 plazma gofret maruz. Spin coat 2% temizleme çözeltisi (örneğin, Mikro-90) DI H2O gofret üzerine 1.000 rpm 30 s. Hava en az 5 dakika için hava sağlar.
      NOT: Seyreltik sabun çözeltisi bir anti-yapıştırıcı olarak hareket eder, kurban parilen-C tabakası nın daha sonra soyulmuş olmasını sağlar.
    2. Gofrete 3 μm parylene-C yatırın.
  4. MXen desenlerini ve gofret in kenarına bir halkayı tanımlamak için ikinci fotokopiyi (maske-2) kullanın (Şekil 2D).
    1. Bu kez maske-2 kullanarak ve pozlamadan önce gofret ve fotomaske arasındaki hizalama işaretlerini dikkatlice hizalayarak 2.2.1−2.2.4 adımlarını tekrarlayın.
    2. O2 plazma reaktif iyon aşıntacı (RIE) kullanarak, fotodirenç kapsamına almayan alanlarda ki kurban parylene-C tabakasını kullanarak, Ti/Au ara bağlantılarıyla kısmen çakışması gereken MXenne elektrotlarını ve izlerini ve gofretin kenarlarındaki halkayı tanımlayın. Maruz kalan Ti/Au ara bağlantıları ile alt parilene-C katmanı arasındaki profili ölçmek için bir profilometre kullanarak kurban parilene-C tabakasının tam gravürünü onaylayın.
      NOT: Gravür tamamlandığında, maruz kalan metal yüzeydeki profil pürüzsüz, alt parilene-C tabakası pürüzlü ve kısmen kazınacaktır. Bu etch adımı bir varil asher değil düzlemsel bir etch RIE sisteminde tamamlanmalıdır ve etch süreleri ve parametreleri RIE sistemine son derece bağımlı olacaktır.
  5. MXene çözeltisini gofret üzerine döndürün (Şekil 2E).
    1. Pipet MXene çözeltisi istenilen MXen desenleri üzerine, daha sonra 40 s. 120 ° C sıcak plaka üzerinde gofret kuru 10 dakika mxene film herhangi bir artık su kaldırmak için 1.000 rpm gofret spin.
  6. Sonraki işleme adımları için MXen desenleri üzerinde koruyucu bir tabaka olarak hareket etmek için, gofret üzerine 50 nm SiO2 yatırmak için bir elektron ışını buharlaştırıcı kullanın.
    NOT: Tipik biriktirme parametreleri 5 x 10-7 Torr baz basıncı ve 2 Å/s oranıdır.
  7. MXen ve SiO2 tabakalarını desenlemek için kurbanlık parylene-C tabakasını çıkarın(Şekil 2F).
    1. Gofret kenarına DI H2O küçük bir damla uygulayın ve kurban parilen-C tabakası soymak için cımbız kullanın, kenarları gofret in dış çevresindeki halka tanımlanır nerede başlayan.
      NOT: Su, kurbanlık parilene-C tabakasının altındaki sabun kalıntısı ile birleşerek bu kaldırmayı sağlayacaktır.
    2. Kalan temizleme çözeltisi artıklarını gidermek için gofretini DI H2O'da iyice durulayın. Bir N2 topu ile gofret kuru, sonra desenli MXene filmlerden kalan suyu kaldırmak için 1 20 °C hot plate üzerine 1 saat yerleştirin.
  8. Parilene-C'nin 4 μm kalınlığındaki üst tabakasını(Şekil 2G)yatırın.
  9. Üçüncü fotomaskeyi (maske-3) kullanarak cihaz anahatlarını ve elektrotlar ve Au yapıştırma pedleri (VIA) üzerindeki açıklıkları tanımlayın (Şekil 2H).
    1. Bu kez maske-3 kullanarak ve pozlamadan önce gofret ve fotomaske arasındaki hizalama işaretlerini dikkatlice hizalayarak 2.2.1−2.2.4 adımlarını tekrarlayın.
    2. Gofret üzerine 100 nm Al yatırmak için bir elektron ışını buharlaştırıcı kullanın.
      NOT: Tipik biriktirme parametreleri 5 x 10-7 Torr baz basıncı ve 2 Å/s oranıdır.
    3. Metal tamamen kalkana kadar ~ 10 dakika boyunca sökücü PG gofret batırın, elektrotlar ve yapıştırma pedleri için açıklıklar ile Al cihazları kapsayan bırakarak. Kalkış tamamlandığında, istenmeyen metal inden kalan izleri kaldırmak için 30 s için sonicate. Temiz sökücü PG çözeltisinde önce gofret ini durulayın, sonra DI H2O'da iyice durulayın ve gofret'i N2 tabancasıyla kurulayın.
  10. Parylene-C'yi, cihazın anahatlarını ve açıklıkları elektrotlar ve Au yapıştırma pedleri (VIA) üzerinde desenlemek için etch(Şekil 2I). Cihazları çevreleyen parylene-C tabakalarını ve hem MXene elektrot kontaklarını hem de Au yapıştırma pedlerini kapsayan üst parylene-C tabakasını aşındırmak için O2 plazma RIE'yi kullanın.
    NOT: Cihazlar arasında gofrette parylene-C kalıntısı kalmadığında gravür tamamlanır. MXene'yi kaplayan SiO2 tabakası, O2 plazmasının MXene elektrot kontaklarına aşınmasını veya zarar vermesini önleyerek bir etch-stop tabakası görevi göreceksiniz.
  11. Al etchant tip A'da 50 °C'de 10 dakika boyunca veya Al'ın tüm görsel izleri kaybolduğunda 1 dakika geçmiş için (hangisi önce gerçekleşirse) Cihazları kaplayan Al tabakasını türün. Etch SiO2 30 s için 6:1 tamponlu oksit etchant (BOE) ıslak bir kimyasal etch kullanarak MXene elektrotlar kapsayan(Şekil 2J).
    NOT: MXene mikroelektrot dizileri tamamlandı.
  12. Cihazları bir cihazın kenarına küçük bir damla DI H2O yerleştirerek ve kılcal bir hareketle altında su kötü olduğu için yavaşça soyarak Si substrat gofretinden serbest bırakın(Şekil 2K ve Şekil 3).

3. Adaptör İnşaatı ve İnterfacing

NOT: Bu noktada, ince film mikroelektrot dizileri elektrofizyoloji kayıt sistemine bağlanmak için bir adaptör ile arayüz lenmelidir. Bu protokolde kullanılan RHS2000 16 ch stim/record headstage(Malzeme Tablosu)ile 128 ch stimülasyon/kayıt denetleyicisi, 18 pinli konnektör A79039-001 ile uyumlu bir konektör aracılığıyla giriş gerektirir. Bu bölümde, mikroelektrot dizisindeau yapıştırma pedleri ve kayıt sisteminin baş evresi ile iç içe dönük a79040-001 konektörü ile birbirine sıfır ekleme kuvveti (ZIF) konektörlü baskılı bir devre kartı (PCB, Şekil 4A)kullanılır. Veri toplama sistemine bağlı olarak, elektrofizyoloji başlık ile interfacing etkinleştirmek için PCB farklı konektörler kullanılabilir.

  1. Omnetics ve ZIF konektörleri PCB'deki temas pedlerinin her birine ince bir lehim macunu uygulayarak, parçaları uygun konumlarına yerleştirerek ve lehim bağlantıları oluşturmak için yeniden taşana kadar sıcak bir plaka üzerinde ısıtırak PCB'ye lehimle (Şekil 4B).
    NOT: Reflow lehimleme çok kolay bir sıcak tabakta veya tost makinesi fırında yapılabilir ve pahalı bir yeniden akış fırın ı kullanma gerektirmez.
  2. Cihaza ZIF konektörde sabitlenecek kadar kalınlıkta olması için MXen mikroelektrot dizisinin Au bonding pad bölgesinin arka tarafına iki kat poliimid bant(Malzeme Tablosu)uygulayın. Bandı uyguladıktan sonra, bir jilet veya hassas makas(Şekil 4C)kullanarak parylene-C cihazının kenarlarının ötesine herhangi bir fazlalık kırpın.
  3. Muayene kapsamında veya büyüteç kullanarak, ZIF konektöründeki MXene mikroelektrot dizisini Au yapıştırma pedlerinin ZIF konektörü içindeki pimlerle hizalayacak şekilde hizalayın ve güvenli bir bağlantı oluşturmak için ZIF'i kapatın(Şekil 4D,E).
    NOT: Burada kullanılan ZIF konektörü 18 kanallı konektör, burada kullanılan cihazın ise 16 kanallı olması. Ekstra temassız kanallar, kayıt oturumları sırasında empedans testi ile açık devre olarak kolayca tanımlanır.
  4. PcB adaptörüne başarılı bir üretim ve bağlantı sağlamak için bir potansiyostat kullanarak MXen elektrotların elektrokimyasal empedansını test edin.
    NOT: Sorun gidermeye yardımcı olmak için tartışma bölümünde makul empedans değerleri verilmiştir.

4. Akut İmplantasyon ve Nöral Kayıt

NOT: Erişkin erkek Sprague Dawley sıçanlarında steril aletler ve aseptik teknikle ameliyatlar yapılmaktadır. Solunum hızı, palpebral refleks ve pedal tutam refleks anestezi derinliğini izlemek için her 10 dakikada bir kontrol edilir. Vücut ısısı ısıtma yastığı ile korunur.

  1. Preemptive analjezi uygulayın (buprenorfin injektürü sürekli salınım [SR], 1.2 mg/kg).
  2. Anestezi uygulayın (60 mg/kg ketamin ve 0.25 mg/kg deksmedetomidin karışımının intraperitoneal enjeksiyonu).
  3. Palpebral ve pedal tutam reflekslerinin yokluğunu kontrol ederek deney boyunca her 10 dakikada bir uygun anestezi düzeyini onaylayın.
  4. Stereotaksik çerçeve içinde güvenli sıçan, gözlere oküler yağlayıcı uygulamak, ve temiz tıraş kafa derisi ile 10% povione-iyot.
  5. Tek orta hat kafa derisi insizyonu ve altta yatan dokunun künt diseksiyonu ile kalvari ortaya çıkar.
  6. Kayıtlar için zemin olarak hizmet etmek için kafatası içine bir 00-90 vida yerleştirin.
  7. Küçük bir çapak ile bir diş matkap kullanarak, istenilen kortikal kayıt sitesinde bir kraniyotomi yapmak.
  8. Dizi konektörünü stereotaksik bir manipülatöre sabitle ve cihazı kraniyotomi üzerine yerleştirin. Tüm dizi açığa çıkan korteksle temas edene kadar yavaşça daha düşük.
  9. Zemin teli kafatası vidasının etrafına sarın.
  10. Kayıt sistemi başlık diziye bağlayın ve spontan aktivite kaydetmeye başlayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

MXene mikroelektrot dizisinde kaydedilen örnek mikro-ECoG verileri Şekil 5'tegösterilmiştir. Elektrot dizisinin kortekse uygulanmasından sonra, kayıt elektrotlarında net fizyolojik sinyaller hemen görüldü ve tüm MXen elektrotlarda yaklaşık 1 mV genlikLi ECoG sinyalleri görüldü. Bu sinyallerin güç spektrumları ketamin-deksmetomidin anestezi altında sıçanlarda sık lıkla gözlenen iki beyin ritminin varlığını doğruladı: 1−2 Hz yavaş salınımlar ve γ salınımları 40−70 Hz. Buna ek olarak, yavaş salınımın "aşağı" durumunda imzalı geniş bant güç zayıflaması ve yavaş salınımın "yukarı" durumunda seçici β-band (15−30 Hz) ve γ-band (40−120 Hz) güç amplifikasyonu gözlenmiştir. Sonuçlar çalışmada kullanılan hayvan türlerine, hedeflenen beyin bölgesine, anestezi tipine ve anestezinin uygulanmasından bu yana geçen süreye göre değişiklik gösterebilir.

Figure 1
Şekil 1: MXen sentez prosedürünü gösteren şema. (A) Ti3AlC2 MAX seçici bir etchant çözeltisi eklenir (HF, HCl, ve DI H2O), alüminyum kaldırılması ile sonuçlanan (Al). (B) DI H2O kullanılarak nötr pH'a gravür çözeltisi yıkandıktan sonra çok katmanlı Ti3C2 elde edilir. Çok katmanlı Ti3C2 lityum klorür (LiCl) sulu çözeltisi Li+ ile intercalated olduğunu. (C) İnterkalasyon reaksiyonu yıkandıktan sonra, sediment şişmesi,şişmiş sedimentin H2O. Ajitasyonu ile eksfoliyon (veya delaminated) tek-birkaç katmanlı gevreğiH2O. Boyut seçimi ve delaminated Ti3C2 MXene ayrılması ile çok katmanlı Ti3C2 ve Ti3AlC2 MAX faz bu aşamada oluşur değişimi temsil gözlenir. (D) Ti3C2 MXene mürekkep uzun süreli depolama için bir Argon mühürlü headspace şişeş ile şırınga ile aktarılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: MXene mikroelektrot dizileri için üretim prosedürü şemaları. (A) Alt parylene-C tabakası temiz bir Si gofret üzerine yatırılır. (B) Ti/Au (10 nm/100 nm) iletken izler fotolitografi, e-ışın birikimi ve kalkış yoluyla desenlenir. (C) DI H2O'da %1'lik bir yapışma önleyici tabaka uygulanır ve ardından kurban parilene-C tabakası birikintisi yapılır. (D) Kurbanparilen-C tabakası fotolitografi ve O2 RIE gravür ile desenlenir. (E) Ti3C2 MXene gofret üzerine spin kaplı, SiO250 nm e-ışın birikimi takip. (F) Kurbanlık parilen-C tabakası kaldırılır, temizleme çözeltisi kalıntıları durulanır ve gofret kuru pişer. (G) Üst parylene-C tabakası birikir. (H) Bir Al etch maskesi tabakası fotolitografi, e-ışın birikimi ve kaldırma-off VIAs ve cihaz anahat tanımlamak için desenli. (I) Parylene-C elektrot kontaklar ve çevresindeki cihazlar üzerinde O2 RIE ile kazınmıştır. (J) Al etch maskesi ve MXene üzerinde SiO2 koruyucu tabaka ıslak etch süreçleri ile kazınmıştır. (K) Bitmiş cihaz gofret kaldırılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: MXen mikroelektrot dizilerinin fotoğrafları ve optik mikroskopi görüntüleri. (A) 14 tamamlanmış MXene mikroelektrot dizileri içeren 3 inç Si gofret fotoğrafı. 2.7 adımını etkili bir şekilde gerçekleştirmek için yararlı olan gofretin dış kenarı etrafındaki altın halkaya dikkat edin. (B) Tamamlanmış bir cihazın gofretten soyulması ile az miktarda DI H2O. (C) MXen mikroelektrot dizisini gösteren optik mikroskop görüntüsü gösteren optik mikroskop görüntüsü. (D) Tek bir MXen elektrotun optik mikroskop görüntüsü. Ölçek çubukları = 1 cm, 3 mm, 500 μm, 20 μm (soldan sağa). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: MXene mikroelektrot dizisini adaptör kartı ile birbirine bağlayın. (A) Omnetics ve ZIF konektörleri lehimleme için pedleri ile PCB. (B) Omnetics ve ZIF konektörlerinin lehimleme sonra PCB. (C) ZIF konektörü için yeterli kalınlık sağlamak için, cihazın Au yapıştırma pedleri arka tarafına poliimid katmanları eklenmesi. İki kat poliimid eklenir (üstte) ve kenarlara (alt) kırpılır. (D) MXene mikroelektrot dizisi ZIF konektörüne uygun hizalama ile yerleştirilir. (E) Adaptör kartına bağlı ve kayıt denemesi için hazır olan MXene mikroelektrot dizisinin üst görünümü. Ölçek çubukları = 2 mm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Temsili nöral kayıt sonuçları. (A) Anestezili bir sıçanın kortikal yüzeyine mikro-ECoG dizisinin yerleştirilmesi. (B) 9 elektrot için gösterilen kayıtlı kortikal aktivitenin segmenti. Yavaş salınım (1−2 Hz) yalak dayalı putatif kortikal "aşağı" durumları kırmızı daireler ile gösterilir. (C) Her kayıt kanalı için güç spektral yoğunlukları. (D) temsili mikro-ECoG kanalı için "Aşağı" durum tetiklenen scalogram. "Down" durumu ve seçici β-band (15−30 Hz) ve γ-band (40−120 Hz) güç amplifikasyonu sırasında "yukarı" durumunda geniş bant güç zayıflaması not edin. Overlaid siyah iz ortalama yavaş salınım gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu protokolde tanımlanan MXene sentezi ve delaminasyon prosedürü (HF/HCl/LiCl) lif/hcl (in situ HF) etchant medium26'yıçalıştıran MILD gravür yaklaşımından oluşturulmuştur. MILD yaklaşımı, pH ~5−6'ya ulaşıldıktan sonra yıkama sırasında büyük Ti3C2 pulların (yanal boyutta birkaç μm) kendiliğinden delaminated olmasını sağlar. Sadece HF ile aşındırma ile karşılaştırıldığında, bu elektronik iletkenlik ve kimyasal stabilite gibi daha yüksek kalite ve gelişmiş malzeme özellikleri ile malzeme ile sonuçlanır. HF/HCl/LiCl yöntemi MILD sentez iyileştirmelerinden yararlanırken, her adımı (gravür, intercalation ve delaminasyon) ayırarak daha fazla kullanıcı kontrolü sağlar.

Adım 1.1 sırasında, hammadde oranı (TiC, Al, Ti), sıcaklık, sıcaklık rampası oranı ve zaman doğru MAX fazı elde etmek için önemlidir. Gravür öncesi MAX fazının eyerlemesi daha homojen gravür sağlayacaktır. Aşırı ısınmayı önlemek için etchant ortamına MAX fazının (adım 1.2) eklenmesi yavaş yavaş yapılmalı dır ve MAX'in 1 g'ı başına 5 dk genel bir kural önerilmektedir. Aşırı ısınma bir sorun haline gelirse, Ti3AlC2 MAX fazı eklenmesi sırasında bir buz banyosu istihdam edilmelidir. Nötr pH'a (adım 1.3) kadar gravür reaksiyonu yıkanırken, santrifüj sonrası her asidik süpernatant saydam olmalıdır. Santrifüj den sonra süpernatant koyu veya seyreltik yeşil ise, tortu malzemesi santrifüj süresini ve /veya hızını artırın. LiCl'nin H2O'ya eklenmesi ekzotermik olduğundan, bazı ısıtmalar meydana gelecektir (adım 1.4). Bu yordamda, ara ölçeklendirme süresi (adım 1.4) 12 saattir, ancak değiştirilebilir veya 15 dakikaya kadar kısaltılabilir. Delaminasyon kalitesi (adım 1.5) yıkama sırasında kullanılan su miktarına ve ajitasyon derecesine özgüdür. Bu adımda dekane edilen süpernatantlar saydam yerine seyreltik olabilir. Malzemenin sedimantasyonu zorlaşırsa santrifüj hızının/rcf'nin artırılması kullanılmalıdır. Polidisperse örneklerinden kaçınmak için santrifüj (adım 1.5) ile ayırma ve boyut seçimi yapmak çok önemlidir. Bu adımın gerçekleştirilememesi, hem Ti3AlC2 MAX faz kontaminasyonu hem de büyük çok katmanlı Ti3C2 parçacıkları olan bir mürekkeple sonuçlanır. Adım 1.6 sırasında, şişenin kafa boşluğu hacminin en aza indirilmiş olması önemlidir.

MXene mikroelektrot dizilerinin imalatı sırasında, işleyen, yüksek kaliteli elektrotlar üretmek için gerekli olan birkaç kritik adım vardır. İlk fotomaskeyi, gofretin dış kenarına desenli metal bir halka (adım 2.2) ve ikinci fotomaskenin de öyle bir örneği vardır ki, kurbanlık parylene-C (adım 2.4) tabakasından kazınarak kurbanlık tabakasının dışına kazınacak, biraz daha büyük çaplı bir halka vardır. Bu halka olmadan, adım 2.7 kurban parilene-C tabakası soyma başlamak için bir kenar kurmak zor olabilir. 2.3. adımda, seyreltik temizleme solüsyonunun düzgün bir şekilde ıslanmasına ve gofrete yapışmasını sağlamak için gofretin O2 plazmasına maruz kalması çok önemlidir. Bu adımın gerçekleştirilememesi, gofretin yapışkan karşıtı bir tabaka biriktirmemelerine neden olur ve bu da 2.7 adımdaki kurbanlık parilene-C tabakasının çıkarılmasını imkansız kılar. Adım 2.7 kurban parilene-C tabakasının kaldırılması sırasında, bu alt parilene-C ve Si gofret arasında kabarcıklar oluşumuna yol açabilir gibi, çizilme veya zarar önlemek için dikkatli olmak önemlidir, ve sonraki delaminasyon. Kurban parilene-C tabakası kolayca soyulmazsa, 2.3.1 adımda biraz daha konsantre bir temizleme solüsyonu (DI'de %4) kullanılabilir veya 2.3.1 adımDaki O2 plazma maruziyeti altta yatan parylene-C tabakasının hidrofililiğini artırmak için uzatılabilir.

Üretim tamamlandıktan sonra, MXene cihazının konektör kartı ile düzgün bir şekilde birbirine bağlanması esastır. Adım 3.2'de iki kat poliimid bant eklenmesi ZIF konektörüne yerleştirilmesi için uygun kalınlığı sağlamak için gereklidir, ancak bant eklenirken ince parilene-C cihazının kazara katlanmasıveya buruşmasını önlemek için dikkatli olunmalıdır, çünkü cihaza zarar vermeden bandın çıkarılması mümkün değildir. Daha sonra, MXene cihazındaki Au yapıştırma pedlerinin ZIF konektörü(Şekil 4D)içinde pimlerle doğru hizalanması sağlam bir bağlantı oluşturmak için gereklidir (adım 3.3). Bu aşamada, MXen elektrotlarının empedansını ölçmek sorun giderme için yararlıdır. 50 μm x 50 μm kare MXene elektrot 1x PBS 1 kHz frekansta 50 kΩ yakın bir empedans büyüklüğüne sahip olmalıdır ve 25 μm çapında dairesel MXene elektrot aynı parametreler altında 200 kΩ yakın bir empedans büyüklüğü ne olmalıdır36. Bundan önemli ölçüde daha büyük bir empedans elektrotun ZIF konektörüne düzgün bağlanmadığını veya MXen elektrotun maruz kalmamış olduğunu gösterebilir, çünkü üst parylene-C tabakası 2.10.adımda tamamen kazınmış sayılsa veya SiO2 koruyucu tabakası 2.11.adımda tam olarak kazınmış sayılsaydı olabilir.

Bu yöntemin bir sınırlama bazen gofret üzerine spin-döküm MXene sonra gözlenen MXene film kalınlığında değişkenlik olduğunu. Elektrotlar daha büyük alanlara ölçeklendirilirse bu değişkenlik daha belirgin hale gelebilir. Bu sınırlama kolayca gofret için MXene uygulamak için spin kaplama yerine sprey kaplama kullanılarak aşılabilir, hangi MXene ile başka bir basit, düşük maliyetli çözüm işleme yöntemi temsil eden, ve bu protokol, uyumlu39.

Burada açıklanan protokol, nörolojive biyoelektronik alanında heyecan verici yeni fırsatlar sunuyor. Nöral mikroelektrotlar için karbon bazlı nanomalzemelerden uzun süre yararlanılmasına ilgi olsa da, Ti3C2 MXenin'in bu tür elektrotlara dahil edilmesi, diğer karbon bazlı nanomalzemelerle mümkün olandan çok daha basit ve daha yüksek iş hacmi ne hale getirilmiştir. Ayrıca, Ti3C2 MXene olağanüstü özellikleri böylece duyarlılık ve sinyal kalitesini artırarak, boyutları için son derece düşük empedans ile elektrotlar bağış. Literatür büyüyen bir vücut da mikro desenleme MXene için yöntemler bir dizi açıklar, gelecekte MXene mikroelektrotların üretimi için adapte edilebilir, mikro temas baskı dahil40, mürekkep püskürtmeli baskı41,42, ve otomatik neşter gravür43. Bu protokolü, çeşitli biyosensing uygulamaları için keyfi boyut ve geometrideki Ti3C2 MXene elektrotlar imal etmek için genişletmek için büyük bir potansiyel vardır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenmiştir (hibe no. R21-NS106434), Epilepsi Araştırma için Birleşik Vatandaşlar Uçuş Ödülü, Mirowski Aile Vakfı ve Neil ve Barbara Smit (F.V.); Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu Programı (hibe no. DGE-1845298' den N.D. ve B.M.'ye; Ordu Araştırma Ofisi (Kooperatif Sözleşmesi No: W911NF-18-2-0026 to K.M.); ve Edgewood Kimyasal Biyolojik Merkezi'nde Yüzey Bilimi Girişimi Programı (PE 0601102A Proje VR9 YG ve KM) aracılığıyla ABD Ordusu tarafından. Bu çalışma kısmen Ulusal Bilim Vakfı Ulusal Nanoteknoloji Eşgüdümlü Altyapı Programı (NNCI-1542153) tarafından desteklenen Singh Nanoteknoloji Merkezi'nde gerçekleştirilmiştir.

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

Biyomühendislik Sayı 156 MXen iki boyutlu malzemeler nanomalzemeler biyoelektronik nöral mikroelektrotlar nöral arayüzler nöromühendislik
<em>In Vivo</em> Nöral Kayıt için Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub> MXen Mikroelektrot Dizilerinin İmalatı
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