We beschrijven hier een methode voor het fabriceren van Ti3C2 MXene micro-elektrode arrays en ze te gebruiken voor in vivo neurale opname.
Implanteerbare micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op de microschaal op te helderen om een dieper begrip van de neurale onderbouwing van hersenziekten en letsel te krijgen. Aangezien elektroden worden geminiaturiseerd tot de schaal van individuele cellen, beperkt een overeenkomstige stijging van de interfaceimpedantie de kwaliteit van geregistreerde signalen. Bovendien zijn conventionele elektrodematerialen stijf, wat resulteert in een significante mechanische mismatch tussen de elektrode en het omringende hersenweefsel, wat een ontstekingsreactie uitlokt die uiteindelijk leidt tot een verslechtering van de prestaties van het apparaat. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben we een proces ontwikkeld om flexibele micro-elektroden te fabriceren op basis van Ti3C2 MXeen, een recent ontdekt nanomateriaal dat opmerkelijk hoge volumesvochtcapaciteit, elektrische geleidbaarheid, oppervlaktefunctionaliteit en verwerkbaarheid in waterige dispersies bezit. Flexibele arrays van Ti3C2 MXeen micro-elektroden hebben opmerkelijk lage impedantie als gevolg van de hoge geleidbaarheid en hoge specifieke oppervlakte van de Ti3C2 MXeen films, en ze hebben bewezen uitstekend gevoelig te zijn voor het opnemen van neuronale activiteit. In dit protocol beschrijven we een nieuwe methode voor micropatterning Ti3C2 MXeen in micro-elektrodearrays op flexibele polymere substraten en schetsen we het gebruik ervan voor in vivo micro-elektrocorticografie-opname. Deze methode kan gemakkelijk worden uitgebreid tot MXene elektrode arrays van willekeurige grootte of geometrie voor een reeks andere toepassingen in bio-elektronica te creëren en het kan ook worden aangepast voor gebruik met andere geleidende inkten naast Ti3C2 MXeen. Dit protocol maakt eenvoudige en schaalbare fabricage van micro-elektroden uit op oplossingen gebaseerde geleidende inkten mogelijk, en maakt het specifiek mogelijk om de unieke eigenschappen van hydrofiele Ti3C2 MXeen te benutten om veel van de barrières te overwinnen die de wijdverbreide adoptie van koolstofgebaseerde nanomaterialen voor neurale micro-elektroden op basis van koolstof lang hebben belemmerd.
Inzicht in de fundamentele mechanismen die ten grondslag liggen aan neurale circuits, en hoe hun dynamiek worden veranderd bij ziekte of letsel, is een cruciaal doel voor het ontwikkelen van effectieve therapieën voor een breed scala van neurologische en neuromusculaire aandoeningen. Micro-elektrode technologieën zijn op grote schaal gebruikt om neurale dynamiek op fijne ruimtelijke en temporele schalen op te helderen. Het verkrijgen van stabiele opnames met een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van microschaalelektroden is echter bijzonder uitdagend gebleken. Aangezien de afmetingen van de elektroden worden gereduceerd tot de aanpak van cellulaire schaal, een overeenkomstige stijging van elektrode impedantie degradeert signaalkwaliteit1. Bovendien hebben talrijke studies aangetoond dat stijve elektroden bestaande uit conventionele silicium en metalen elektronische materialen aanzienlijke schade en ontstekingen in het neurale weefsel produceren, wat hun nut voor langdurigeregistratie2,3,4,5beperkt. Gezien deze feiten is er grote belangstelling voor de ontwikkeling van micro-elektroden met nieuwe materialen die de elektrode-weefsel interface impedantie kunnen verminderen en kunnen worden opgenomen in zachte en flexibele vormfactoren.
Een veelgebruikte methode voor het verminderen van de elektrode-weefsel interface impedantie is het verhogen van het gebied waarover ionische soorten in de extracellulaire vloeistof kunnen interageren met de elektrode, of de “effectieve oppervlakte” van de elektrode. Dit kan worden bereikt door nanopatroon6, oppervlakte verruwing7, of elektroplating met poreuze additieven8,9. Nanomaterialen hebben veel aandacht gekregen op dit gebied omdat ze intrinsiek hoge specifieke oppervlaktes en unieke combinaties van gunstige elektrische en mechanische eigenschappen bieden10. Zo zijn koolstofnanobuisjes gebruikt als coating om elektrodeimpedantie11,12,13,grafeenoxide aanzienlijk te verminderen tot zachte, flexibele vrijstaande sondeelektroden14, en laser-pyrolyseporeus grafeen is gebruikt voor flexibele, lage impedantie micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) elektroden15. Ondanks hun belofte heeft een gebrek aan schaalbare assemblagemethoden de wijdverbreide adoptie van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden beperkt. Met name nanomaterialen op basis van koolstof zijn doorgaans hydrofoob en vereisen dus het gebruik van oppervlakteactieve stoffen16, superzuren17of oppervlaktefunctionalisatie18 om waterige dispersies te vormen voor fabricagemethoden vooroplossingsverwerking,terwijl alternatieve fabricagemethoden, zoals chemische dampdepositie (CVD), doorgaans hoge temperaturen vereisen die onverenigbaar zijn met veel polymere substraten19,20,21 ,22.
Onlangs is een klasse van tweedimensionale (2D) nanomaterialen, bekend als MXenes, beschreven die een uitzonderlijke combinatie van hoge geleidbaarheid, flexibiliteit, volumetrische capaciteit en inherente hydrofielheid biedt, waardoor ze een veelbelovende klasse van nanomaterialen voor neurale interfacing elektroden23. MXenen zijn een familie van 2D overgang metaalcarbides en nitriden die het meest worden geproduceerd door selectief etsen van de A-element van gelaagde precursoren. Dit zijn meestal MAX-fasen met de algemene formule Mn+1AXn, waarbij M een early transition metal is, is A een onderdeel 12−16 element van het periodiek systeem, X is koolstof en/of stikstof, en n = 1, 2 of 324. Tweedimensionale MXeenvlokken hebben oppervlakteeindigende functionele groepen die hydroxyl (−OH), zuurstof (−O) of fluor (−F) kunnen omvatten. Deze functionele groepen maken MXenen inherent hydrofiel en maken flexibele oppervlaktemodificatie of functionalisatie mogelijk. Van de grote klasse van MXenen, Ti3C2 is de meest uitgebreid bestudeerd en gekenmerkt25,26,27. Ti3C2 toont opmerkelijk hogere volumetrische capaciteit (1.500 F/cm3)28 dan geactiveerd grafeen (~60−100 F/cm3)29, carbide-afgeleide koolstof (180 F/cm3)30, en grafeengelfilms (~260 F/cm3)31. Bovendien vertoont Ti3C2 een extreem hoge elektronische geleidbaarheid (~ 10.000 S/cm)32, en de biocompatibiliteit ervan is aangetoond in verschillende studies33,34,35,36. De hoge volumetrische capaciteit van Ti3C2-films is voordelig voor biologische detectie- en stimulatietoepassingen, omdat elektroden die capacitieve ladingoverdracht vertonen potentieel schadelijke hydrolysereacties kunnen voorkomen.
Onze groep heeft onlangs aangetoond flexibele, dunne-film Ti3C2 micro-elektrode arrays, voorbereid met behulp van oplossing verwerkingsmethoden, die in staat zijn het opnemen van zowel micro-elektrocorticografie (micro-ECoG) en intracorticale neuronale spiking activiteit in vivo met hoge SNR36. Deze MXeenelektroden vertoonden een aanzienlijk verminderde impedantie in vergelijking met met grootte afgestemde goud (Au) elektroden, die kunnen worden toegeschreven aan de hoge geleidbaarheid van MXeen en het hoge oppervlak van de elektroden. In dit protocol beschrijven we de belangrijkste stappen voor het fabriceren van vlakke micro-elektrodearrays van Ti3C2 MXeen op flexibele paryleen-C substraten en gebruiken ze in vivo voor intraoperatieve micro-ECoG-opname. Deze methode maakt gebruik van het hydrofiele karakter van MXeen, dat het gebruik van oplossingsverwerkingsmethoden mogelijk maakt die eenvoudig en schaalbaar zijn, zonder dat het gebruik van oppervlakteactieve stoffen of superzuren nodig is om stabiele waterige suspensivers te bereiken. Dit gemak van verwerkbaarheid kan een kosteneffectieve productie van MXeene-biosensoren op industriële schalen mogelijk maken, wat een belangrijke beperking is geweest voor de wijdverbreide adoptie van apparaten op basis van andere koolstofnanomaterialen. De belangrijkste innovatie in de elektrodefabricage ligt in het gebruik van een offerpolymerische laag om het MXeen na spin-coating te micropatroon, een methode die is aangepast uit de literatuur over op de oplossing verwerkte poly(3,4-ethyleenoxythiophene):poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) micro-elektroden37, maar die niet eerder was beschreven voor het patroon van MXeen. De uitzonderlijke elektrische eigenschappen van Ti3C2, in combinatie met de verwerkbaarheid en 2D morfologie maken het een veelbelovend materiaal voor neurale interfaces. In het bijzonder, Ti3C2 biedt een route naar het overwinnen van de fundamentele trade-off tussen elektrode geometrische gebied en elektrochemische interface impedantie, een primaire beperkende factor voor micro-schaal elektrode prestaties. Bovendien kan de fabricageprocedure die in dit protocol wordt beschreven, worden aangepast om MXeen-elektrodearrays van verschillende groottes en geometrieën voor verschillende opnameparadigma’s te produceren, en kan deze ook gemakkelijk worden aangepast om andere geleidende inkten naast MXene op te nemen.
De in dit protocol beschreven mxeensynthese- en delaminatieprocedure (HF/HCl/LiCl) is gebaseerd op de MILD etsbenadering die gebruik maakte van een LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26. De MILD-benadering zorgt ervoor dat grote Ti3C2 vlokken (meerdere μm in zijdelingse grootte) spontaan worden gedelamineerd tijdens het wassen zodra pH ~5−6 is bereikt. In vergelijking met etsen met HF alleen, resulteert dit in materiaal met een hogere kwaliteit en verbeterde materiaaleigen…
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (subsidie nr. R21-NS106434), de Citizens United for Research in Epilepsie Taking Flight Award, de Mirowski Family Foundation en Neil en Barbara Smit (F.V.); de National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (verlenen nee. DGE-1845298 aan N.D. en B.M.); het Army Research Office (Cooperative Agreement Number W911NF-18-2-0026 to K.M.); en door het Amerikaanse leger via het Surface Science Initiative Program in het Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 naar Y.G. en K.M.). Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in het Singh Center for Nanotechnology, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).
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 |