Wir beschreiben hier eine Methode zur Herstellung von Ti3C2 MXene Mikroelektroden-Arrays und deren Verwendung für die in vivo-neurale Aufnahme.
Implantierbare Mikroelektrodentechnologien wurden weit verbreitet eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf der Mikroskala aufzuklären, um ein tieferes Verständnis der neuronalen Grundlagen von Hirnerkrankungen und Verletzungen zu gewinnen. Da Elektroden auf die Skala einzelner Zellen miniaturisiert werden, begrenzt ein entsprechender Anstieg der Grenzflächenimpedanz die Qualität der aufgezeichneten Signale. Darüber hinaus sind herkömmliche Elektrodenmaterialien steif, was zu einer signifikanten mechanischen Diskrepanz zwischen der Elektrode und dem umgebenden Hirngewebe führt, was eine Entzündungsreaktion hervorruft, die schließlich zu einer Verschlechterung der Geräteleistung führt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir ein Verfahren zur Herstellung flexibler Mikroelektroden auf Basis von Ti3C2 MXene entwickelt, einem kürzlich entdeckten Nanomaterial, das eine bemerkenswert hohe volumetrische Kapazität, elektrische Leitfähigkeit, Oberflächenfunktionalität und Verarbeitbarkeit in wässrigen Dispersionen besitzt. Flexible Arrays von Ti3C2 MXene Mikroelektroden haben aufgrund der hohen Leitfähigkeit und der hohen spezifischen Oberfläche der Ti3C2 MXene-Folien eine bemerkenswert geringe Impedanz und haben sich als exquisit empfindlich für die Aufzeichnung neuronaler Aktivität erwiesen. In diesem Protokoll beschreiben wir eine neuartige Methode zum Mikromustern von Ti3C2 MXen e in Mikroelektroden-Arrays auf flexiblen polymeren Substraten und skizzieren deren Verwendung für die In-vivo-Mikroelektrokortikographie-Aufzeichnung. Diese Methode kann leicht erweitert werden, um MXene-Elektroden-Arrays beliebiger Größe oder Geometrie für eine Reihe anderer Anwendungen in der Bioelektronik zu erstellen und es kann auch für den Einsatz mit anderen leitfähigen Tinten neben Ti3C2 MXen angepasst werden. Dieses Protokoll ermöglicht die einfache und skalierbare Herstellung von Mikroelektroden aus lösungsbasierten leitfähigen Tinten und ermöglicht es speziell, die einzigartigen Eigenschaften von hydrophilen Ti3C2 MXene zu nutzen, um viele der Barrieren zu überwinden, die die weit verbreitete Verbreitung von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien für hochtreue neuronale Mikroelektroden lange behindert haben.
Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die neuronalen Schaltkreisen zugrunde liegen, und wie ihre Dynamik bei Krankheiten oder Verletzungen verändert wird, ist ein entscheidendes Ziel für die Entwicklung wirksamer Therapeutika für eine breite Palette von neurologischen und neuromuskulären Erkrankungen. Mikroelektrodentechnologien wurden häufig eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf feinen räumlichen und zeitlichen Skalen aufzuklären. Die Aufnahme stabiler Aufnahmen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Mikroelektroden hat sich jedoch als besonders anspruchsvoll erwiesen. Da die Abmessungen der Elektroden auf eine zelluläre Skala reduziert werden, verschlechtert ein entsprechender Anstieg der Elektrodenimpedanz die Signalqualität1. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien gezeigt, dass starre Elektroden aus herkömmlichen Silizium- und Metallelektronikmaterialien erhebliche Schäden und Entzündungen im Nervengewebe verursachen, was ihre Nützlichkeit für die Langzeitaufzeichnung2,3,4,5begrenzt. Angesichts dieser Fakten besteht ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von Mikroelektroden mit neuen Materialien, die die Impedanz der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle reduzieren und in weiche und flexible Formfaktoren einfließen lassen können.
Eine häufig verwendete Methode zur Reduzierung der Elektroden-Gewebe-Grenzianz-Impedanz ist die Erhöhung des Bereichs, über den ionische Arten in der extrazellulären Flüssigkeit mit der Elektrode oder der “effektiven Oberfläche” der Elektrode interagieren können. Dies kann durch Nanomusterung6, Oberflächenaufrauung7oder Galvanik mit porösen Additiven8,9erreicht werden. Nanomaterialien haben in diesem Bereich große Aufmerksamkeit gewonnen, weil sie an sich hohe spezifische Oberflächen und einzigartige Kombinationen von günstigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften bieten10. Zum Beispiel wurden Kohlenstoff-Nanoröhren als Beschichtung verwendet, um die Elektrodenimpedanz deutlich zu reduzieren11,12,13, Graphenoxid wurde zu weichen, flexiblen freistehenden Sondenelektroden14verarbeitet, und laserpyrolysiertes poröses Graphen wurde für flexible, niedrig impedante Mikroelektrokortikographie (Mikro-ECoG)-Elektroden15verwendet. Trotz ihres Versprechens hat der Mangel an skalierbaren Montagemethoden die weit verbreitete Verbreitung von Nanomaterialien für neuronale Verbindungselektroden eingeschränkt. Insbesondere kohlenstoffbasierte Nanomaterialien sind typischerweise hydrophob und erfordern daher die Verwendung von Tensiden16, Supersäuren17oder Oberflächenfunktionalisierung18, um wässrige Dispersionen für lösungsverarbeitende Herstellungsverfahren zu bilden, während alternative Herstellungsverfahren wie chemische Dampfabscheidung (CVD) in der Regel hohe Temperaturen erfordern, die mit vielen polymeren Substraten unvereinbar sind19,20,21 ,22.
Kürzlich wurde eine Klasse von zweidimensionalen (2D) Nanomaterialien, bekannt als MXenes, beschrieben, die eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Leitfähigkeit, Flexibilität, volumetrischer Kapazität und inhärenter Hydrophilität bietet, was sie zu einer vielversprechenden Klasse von Nanomaterialien für neuronale Schnittstellenelektrodenmacht 23. MXenes sind eine Familie von 2D-Übergangsmetallcarbiden und Nitriden, die am häufigsten durch selektives Ätzen des A-Elements aus geschichteten Vorläufern hergestellt werden. Dies sind in der Regel MAX-Phasen mit der allgemeinen Formel Mn+1AXn, wobei M ein Frühübergangsmetall ist, A ein Element der Gruppe 12-16 des Periodensystems ist, X Kohlenstoff und/oder Stickstoff ist und n = 1, 2 oder 324. Zweidimensionale MXen-Flocken haben oberflächenbeendende funktionelle Gruppen, die Hydroxyl (-OH), Sauerstoff (-O) oder Fluor (-F) umfassen können. Diese funktionellen Gruppen machen MXenes von Natur aus hydrophil und ermöglichen eine flexible Oberflächenmodifikation oder -funktionalisierung. Von der großen Klasse von MXenes wurde Ti3C2 am umfangreichsten untersucht undgekennzeichnet 25,26,27. Ti3C2 zeigt eine bemerkenswert höhere volumetrische Kapazität (1.500 F/cm3)28 als aktiviertes Graphen (ca. 60 x 100 F/cm3)29, Hartmetall-kohlenstoffabgeleitete Kohlenstoffe (180 F/cm3)30, und Graphen-Gel-Filme (ca. 260 F/cm3)31. Darüber hinaus weist Ti3C2 eine extrem hohe elektronische Leitfähigkeit auf (ca. 10.000 S/cm)32, und seine Biokompatibilität wurde in mehreren Studien33,34,35,36nachgewiesen. Die hohe Volumetritrienkapazität von Ti3C2-Folien ist für biologische Sensor- und Stimulationsanwendungen von Vorteil, da Elektroden mit kapazitiver Ladungsübertragung potenziell schädliche Hydrolysereaktionen vermeiden können.
Unsere Gruppe hat vor kurzem flexible, dünnschichtigeTi3C2 Mikroelektroden-Arrays gezeigt, die mit Lösungsverarbeitungsmethoden hergestellt wurden, die sowohl die Mikroelektrocortikographie (Mikro-ECoG) als auch die intracortische neuronale Spiking-Aktivität in vivo mit hohem SNR36aufzeichnen können. Diese MXene-Elektroden zeigten eine signifikant reduzierte Impedanz im Vergleich zu größenangepassten Goldelektroden (Au), was auf die hohe Leitfähigkeit von MXene und die hohe Oberfläche der Elektroden zurückzuführen ist. In diesem Protokoll beschreiben wir die wichtigsten Schritte zur Herstellung planarer Mikroelektroden-Arrays von Ti3C2 MXene auf flexiblen Parylen-C-Substraten und deren Einsatz in vivo für die intraoperative Mikro-ECoG-Aufnahme. Diese Methode nutzt die hydrophile Natur von MXene, die die Verwendung von Lösungsverarbeitungsmethoden ermöglicht, die einfach und skalierbar sind, ohne die Verwendung von Tensiden oder Supersäuren zu erfordern, um stabile wässrige Suspensionen zu erreichen. Diese einfache Verarbeitbarkeit kann die kostengünstige Herstellung von MXene-Biosensoren in industriellen Maßstäben ermöglichen, was eine wesentliche Einschränkung für die weit verbreitete Einführung von Geräten auf Der Basis anderer Kohlenstoff-Nanomaterialien darstellt. Die wichtigste Innovation in der Elektrodenherstellung liegt in der Verwendung einer Opferpolymerschicht zum Mikromustern der MXene nach der Spin-Beschichtung, einem Verfahren, das aus der Literatur über lösungsbearbeitetes Poly(3,4-ethylenedioxythiophen):poly(Styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) Mikroelektroden37angepasst wurde, aber zuvor nicht für die Musterung von MXen beschrieben worden war. Die außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von Ti3C2, gepaart mit seiner Verarbeitbarkeit und 2D-Morphologie machen es zu einem sehr vielversprechenden Material für neuronale Schnittstellen. Insbesondere bietet Ti3C2 einen Weg zur Überwindung des grundlegenden Kompromisses zwischen Elektrodengeometriefläche und elektrochemischer Grenzflächenimpedanz, einem primären Limitierungsfaktor für die Mikroelektrodenleistung. Darüber hinaus kann das in diesem Protokoll beschriebene Herstellungsverfahren angepasst werden, um MXene-Elektroden-Arrays unterschiedlicher Größe und Geometrie für verschiedene Aufnahmeparadigmen zu erzeugen, und kann auch leicht angepasst werden, um neben MXene auch andere leitfähige Tinten zu integrieren.
Das in diesem Protokoll beschriebene MXene-Synthese- und Delaminationsverfahren (HF/HCl/LiCl) wurde aus dem MILD-Ätzansatz aufgebaut, der ein LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26verwendete. Der MILD-Ansatz ermöglicht es, große Ti3C2-Flocken (mehrere m in seitenseitiger Größe) beim Waschen spontan zu delaminisieren, sobald der pH-Wert von 5 bis 6 erreicht wurde. Im Vergleich zur Radierung allein mit HF führt dies zu Material mit höherer Qualität und verbesserten Mater…
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (Grant-Nr. R21-NS106434), der Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, die Mirowski Family Foundation und Neil und Barbara Smit (F.V.); des National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (Grant-Nr. DGE-1845298 zu N.D. und B.M.); das Heeresforschungsamt (Kooperationsvereinbarungsnummer W911NF-18-2-0026 an K.M.); und von der US Army über das Surface Science Initiative Program am Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 to Y.G. and K.M.). Diese Arbeit wurde teilweise am Singh Center for Nanotechnology durchgeführt, das vom National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153) unterstützt wird.
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 |