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Bioengineering

वीवो न्यूरल रिकॉर्डिंग में टीआई3सी2 एमकेने माइक्रोइलेक्ट्रोड एरे का निर्माण

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

हम यहां टीआई3सी2 एमकेने माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी बनाने और वीवो न्यूरल रिकॉर्डिंग में उनका उपयोग करने के लिए एक विधि का वर्णन करते हैं।

Abstract

प्रत्यारोपण योग्य माइक्रोइलेक्ट्रोड प्रौद्योगिकियों का व्यापक रूप से मस्तिष्क रोग और चोट के तंत्रिका आधार की गहरी समझ हासिल करने के लिए माइक्रोस्केल पर तंत्रिका गतिशीलता को स्पष्ट करने के लिए उपयोग किया गया है। चूंकि इलेक्ट्रोड को व्यक्तिगत कोशिकाओं के पैमाने पर छोटा किया जाता है, इसलिए इंटरफ़ेस बाधा में इसी वृद्धि दर्ज संकेतों की गुणवत्ता को सीमित करती है। इसके अतिरिक्त, पारंपरिक इलेक्ट्रोड सामग्री कड़ी होती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड और आसपास के मस्तिष्क के ऊतकों के बीच एक महत्वपूर्ण यांत्रिक बेमेल होता है, जो एक भड़काऊ प्रतिक्रिया को प्रकाश में लेता है जो अंततः डिवाइस प्रदर्शन के क्षरण की ओर जाता है। इन चुनौतियों से निपटने के लिए, हमने टीआई3सी2 एमकेन के आधार पर लचीला माइक्रोइलेक्ट्रोड बनाने की एक प्रक्रिया विकसित की है, जो हाल ही में खोजी गई नैनोमटेरियल है जिसमें उल्लेखनीय उच्च मात्रा की क्षमता, विद्युत चालकता, सतह कार्यक्षमता और जलीय फैलाव में प्रक्रियाशीलता है। टीआई3सी2 एमकेन माइक्रोइलेक्ट्रोड के लचीले सरणी में टीआई 3 सी2 एमएक्सनेफिल्मों के उच्च चालकता और उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र के कारण उल्लेखनीय रूप से कम बाधा है, और वे न्यूरोनल गतिविधि रिकॉर्ड करने के लिए उत्कृष्ट रूप से संवेदनशील साबित हुए हैं। इस प्रोटोकॉल में, हम लचीले पॉलीमेरिक सब्सट्रेट्स पर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी में माइक्रोपैटर्निंग टीआई3सी2 एमकेन के लिए एक उपन्यास विधि का वर्णन करते हैं और वीवो माइक्रो-इलेक्ट्रोकॉर्टिकोग्राफी रिकॉर्डिंग में उनके उपयोग की रूपरेखा तैयार करते हैं। इस विधि को बायोइलेक्ट्रॉनिक्स में अन्य अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला के लिए मनमाने आकार या ज्यामिति के MXene इलेक्ट्रोड सरणी बनाने के लिए आसानी से बढ़ाया जा सकता है और इसे टीआई3सी2 एमज़ेन के अलावा अन्य चालक स्याही के साथ उपयोग के लिए भी अनुकूलित किया जा सकता है। यह प्रोटोकॉल समाधान-आधारित चालविक स्याही से माइक्रोइलेक्ट्रोड के सरल और स्केलेबल निर्माण को सक्षम बनाता है, और विशेष रूप से हाइड्रोफिलिक टीआई3सी2 एमकेने के अद्वितीय गुणों का उपयोग करने की अनुमति देता है जो कई बाधाओं को दूर करने के लिए लंबे समय से उच्च निष्ठा तंत्रिका माइक्रोइलेक्ट्रोड के लिए कार्बन आधारित नैनोमैटेरियल्स को व्यापक रूप से अपनाने में रुकावट डालते हैं।

Introduction

तंत्रिका सर्किट अंतर्निहित मौलिक तंत्र को समझना, और उनकी गतिशीलता रोग या चोट में कैसे बदल जाती है, न्यूरोलॉजिकल और न्यूरोमस्कुलर विकारों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए प्रभावी चिकित्सा विज्ञान विकसित करने के लिए एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है। माइक्रोइलेक्ट्रोड प्रौद्योगिकियों का व्यापक रूप से ठीक स्थानिक और लौकिक तराजू पर तंत्रिका गतिशीलता को स्पष्ट करने के लिए उपयोग किया गया है। हालांकि, माइक्रोस्केल इलेक्ट्रोड से उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) के साथ स्थिर रिकॉर्डिंग प्राप्त करना विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। चूंकि इलेक्ट्रोड के आयाम सेलुलर पैमाने पर दृष्टिकोण करने के लिए कम हो जाते हैं, इसलिए इलेक्ट्रोड बाधा में वृद्धि संकेत गुणवत्ता1को कम करती है। इसके अतिरिक्त, कई अध्ययनों से पता चला है कि पारंपरिक सिलिकॉन और धातु इलेक्ट्रॉनिक सामग्री के शामिल कठोर इलेक्ट्रोड तंत्रिका ऊतक में महत्वपूर्ण क्षति और सूजन पैदा करते हैं, जो दीर्घकालिक रिकॉर्डिंग2,3,4,5के लिए उनकी उपयोगिता को सीमित करता है। इन तथ्यों को देखते हुए, नई सामग्रियों के साथ माइक्रोइलेक्ट्रोड विकसित करने में महत्वपूर्ण रुचि रही है जो इलेक्ट्रोड-ऊतक इंटरफेस बाधा को कम कर सकती है और इसे नरम और लचीले रूप कारकों में शामिल किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोड-टिश्यू इंटरफ़ेस बाधा को कम करने के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली एक विधि उस क्षेत्र को बढ़ा रही है जिस पर एक्स्सेल्युलर तरल पदार्थ में आयनिक प्रजातियां इलेक्ट्रोड, या इलेक्ट्रोड के "प्रभावी सतह क्षेत्र" के साथ बातचीत कर सकती हैं। इसे नैनोपैटर्निंग6, सतह खुरदरा7या असुरक्षित योजक8,9के साथ इलेक्ट्रोप्लेटिंग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है । नैनोमैटेरियल्स ने इस क्षेत्र में महत्वपूर्ण ध्यान दिया है क्योंकि वे आंतरिक रूप से उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्रों और अनुकूल विद्युत और यांत्रिक गुणों10के अद्वितीय संयोजन प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग इलेक्ट्रोड बाधा11,12,13को काफी कम करने के लिए कोटिंग के रूप में किया गया है, ग्राफीन ऑक्साइड को नरम, लचीला मुक्त-खड़े जांच इलेक्ट्रोड14में संसाधित किया गया है, और लेजर-पायरोलिज़्ड असुरक्षित ग्राफीन का उपयोग लचीला, कम-इम्प्रेस्डेंस माइक्रो-इलेक्ट्रोकॉर्टिकोग्राफी (माइक्रो-ईसीओजी) इलेक्ट्रोड15के लिए किया गया है। उनके वादे के बावजूद, स्केलेबल असेंबली विधियों की कमी ने तंत्रिका इंटरफेसिंग इलेक्ट्रोड के लिए नैनोमैटेरियल्स के व्यापक गोद लेने को सीमित कर दिया है। विशेष रूप से कार्बन आधारित नैनोमैटेरियल्स आमतौर पर हाइड्रोफोबिक होते हैं, और इस प्रकार समाधान-प्रसंस्करण निर्माण विधियों के लिए जलीय फैलाव बनाने के लिए16,सुपरएसिड17,या सतह कार्यात्मकता18 के उपयोग की आवश्यकता होती है, जबकि निर्माण के वैकल्पिक तरीकों, जैसे रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), आमतौर पर उच्च तापमान की आवश्यकता होती है जो कई पॉलीमेरिक सब्सट्रेट्स19,20,21 ,22.

हाल ही में, दो आयामी (2डी) नैनोमैटेरियल्स का एक वर्ग, जिसे एमएक्सनेस के नाम से जाना जाता है, का वर्णन किया गया है जो उच्च चालकता, लचीलापन, वॉल्यूमेट्रिक क्षमता और अंतर्निहित हाइड्रोफिलिसिटी का एक असाधारण संयोजन प्रदान करता है, जिससे उन्हें न्यूरल इंटरफेसिंग इलेक्ट्रोड23के लिए नैनोमैटेरियल्स का एक आशाजनक वर्ग बनाता है। MXenes 2D संक्रमण धातु कार्बाइड और नाइटराइड का एक परिवार है जो सबसे अधिक चुनिंदा स्तरित अग्रदूत से एक तत्व नक़्क़ाशी द्वारा उत्पादित कर रहे हैं । ये आम तौर पर सामान्य सूत्र एमएन + 1एक्सएनके साथ अधिकतम चरण होते हैं, जहां एम एक प्रारंभिक संक्रमण धातु है, ए आवधिक तालिका का एक समूह 12−16 तत्व है, एक्स कार्बन और/या नाइट्रोजन है, और एन = 1, 2, या 324। दो आयामी MXene गुच्छे में सतह-टर्मिनिंग कार्यात्मक समूह होते हैं जिनमें हाइड्रोक्सिल (−ओह), ऑक्सीजन (−ओ) या फ्लोरीन (−एफ) शामिल हो सकते हैं। ये कार्यात्मक समूह MXenes स्वाभाविक हाइड्रोफिलिक बनाते हैं और लचीला सतह संशोधन या कार्यात्मककरण सक्षम करते हैं। एमक्सेंस के बड़े वर्ग में से, टीआई3सी2 का सबसे बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है और25,26,27की विशेषता है। Ti3C2 उल्लेखनीय उच्च मात्रा क्षमता (१,५०० एफ/सेमी3)सक्रिय ग्राफीन से28 से पता चलता है (~ 60−100 एफ/सेमी3)29,कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (१८० एफ/सेमी3)30,और ग्राफीन जेल फिल्में (~ २६० एफ/सेमी3)31। इसके अलावा, टीआई3सी2 अत्यंत उच्च इलेक्ट्रॉनिक चालकता (~ 10,000 एस/सेमी)32दिखाता है, और इसकी जैव अनुकूलता कई अध्ययनों में प्रदर्शित की गई है33,34,35,36। टीआई3सी2 फिल्मों की उच्च मात्रा क्षमता जैविक संवेदन और उत्तेजना अनुप्रयोगों के लिए लाभप्रद है, क्योंकि कैपेसिटिव चार्ज हस्तांतरण का प्रदर्शन करने वाले इलेक्ट्रोड संभावित हानिकारक हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं से बच सकते हैं।

हमारे समूह ने हाल ही में लचीला, पतली फिल्म Ti3सी2 माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी का प्रदर्शन किया है, जो समाधान प्रसंस्करण विधियों का उपयोग करके तैयार किया गया है, जो उच्च एसएनआर36के साथ वीवो में माइक्रो-इलेक्ट्रोकॉर्टिकोग्राफी (माइक्रो-ईसीओजी) और इंट्राकॉर्टिकल न्यूरोनल स्पाइकिंग गतिविधि दोनों को रिकॉर्ड करने में सक्षम हैं। इन MXene इलेक्ट्रोड आकार मिलान सोने (Au) इलेक्ट्रोड, जो MXene की उच्च चालकता और इलेक्ट्रोड के उच्च सतह क्षेत्र के लिए जिंमेदार ठहराया जा सकता है की तुलना में काफी कम बाधा दिखाया । इस प्रोटोकॉल में, हम लचीले पैरालीन-सी सब्सट्रेट्स पर टीआई3सी2 एमकेने के प्लानर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी बनाने के लिए महत्वपूर्ण चरणों का वर्णन करते हैं और इंट्राऑपरेटिव माइक्रो-ईकोजी रिकॉर्डिंग के लिए वीवो में उनका उपयोग करते हैं। यह विधि एमज़ेन की हाइड्रोफिलिक प्रकृति का लाभ लेती है, जो स्थिर जलीय निलंबन प्राप्त करने के लिए सर्फेक्टेंट या सुपरएसिड के उपयोग की आवश्यकता नहीं होने के दौरान सरल और स्केलेबल समाधान प्रसंस्करण विधियों का उपयोग संभव बनाती है। प्रक्रिया की यह आसानी औद्योगिक तराजू पर MXene बायोसेंसर के लागत प्रभावी उत्पादन को सक्षम कर सकती है, जो अन्य कार्बन नैनोमैटेरियल्स के आधार पर उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने के लिए एक प्रमुख सीमा रही है। इलेक्ट्रोड फैब्रिकेशन में प्रमुख नवाचार स्पिन-कोटिंग के बाद एमएक्सई को माइक्रोपैटर्न करने के लिए एक बलि पॉलीमेरिक परत के उपयोग में निहित है, जो समाधान-प्रसंस्कृत पाली (3,4-एथिलेनिडोक्सिथिओफेन) :poly (styrene सल्फोनेट) (PEDOT: PSS) माइक्रोइलेक्ट्रोड37पर साहित्य से अनुकूलित एक विधि है, लेकिन जिसे पहले एमकेन पैटर्निंग के लिए वर्णित नहीं किया गया था। टीआई3सी2के असाधारण विद्युत गुण, इसकी प्रक्रिया और 2 डी आकृति विज्ञान के साथ मिलकर इसे तंत्रिका इंटरफेस के लिए एक बहुत ही आशाजनक सामग्री बनाते हैं। विशेष रूप से, टीआई3सी2 इलेक्ट्रोड ज्यामितीय क्षेत्र और इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरफेस बाधा, माइक्रो-स्केल इलेक्ट्रोड प्रदर्शन के लिए एक प्राथमिक सीमित कारक के बीच मौलिक व्यापार-बंद पर काबू पाने की दिशा में एक मार्ग प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, इस प्रोटोकॉल में वर्णित निर्माण प्रक्रिया को विभिन्न रिकॉर्डिंग प्रतिमानों के लिए अलग-अलग आकार ों और ज्यामिति के एमज़ेन इलेक्ट्रोड सरणी का उत्पादन करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, और एमज़ेन के अलावा अन्य चालक स्याही को शामिल करने के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है।

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Protocol

प्रयोगशाला जानवरों की देखभाल और उपयोग के लिए राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) गाइड के अनुरूप वीवो प्रक्रियाओं में सभी को पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय की संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति (आईएसयूसी) द्वारा अनुमोदित किया गया था।

1. टीआई3सी2 एमकेईन का संश्लेषण

नोट: इस खंड में वर्णित प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं का उद्देश्य रासायनिक धुएं के हुड के अंदर उपयोग करना है। इस प्रक्रिया में शामिल वाशिंग स्टेप्स का उद्देश्य संतुलित अपकेंद्रित्र ट्यूबों के साथ उपयोग किया जाना है। उत्पादित सभी अपशिष्ट को खतरनाक अपशिष्ट माना जाता है और इसे विश्वविद्यालय के दिशा-निर्देशों का उचित रूप से त्याग दिया जाना चाहिए ।

सावधानी: हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (एचएफ) एक बेहद खतरनाक, अत्यधिक संक्षारक एसिड है। उपयोग और लागू करने और उचित सुरक्षा उपायों का पालन करने से पहले MXenes संश्लेषित करने के लिए इस्तेमाल रसायनों के लिए सामग्री सुरक्षा डेटा शीट (MSDS) से परामर्श करें । एचएफ से निपटने के लिए उपयुक्त व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) में एक प्रयोगशाला कोट, एसिड प्रतिरोधी एप्रन, क्लोज-टोड जूते, लंबी पैंट, चश्मे, पूर्ण चेहरा ढाल, निट्रील दस्ताने, और ब्यूटिल रबर या नेओप्रीन रबर से बने एचएफ प्रतिरोधी दस्ताने शामिल हैं।

  1. अधिकतम चरण संश्लेषण
    1. एक मोलर अनुपात (TiC:Ti:Al) पर बॉल मिलिंग TiC (2 μm), टीआई (४४ μm), और अल (४४ μm) पाउडर द्वारा संश्लेषण Ti3AlC 2 zirconia गेंदों का उपयोग कर 18 घंटे के लिए 2:1:1 । पाउडर को एल्यूमिना क्रूसिबल में रखें, 1,380 डिग्री सेल्सियस (5 डिग्री सेल्सियस हीटिंग रेट) तक गर्मी करें और आर्गन के तहत 2 घंटे तक पकड़ें। पाउडर ठंडा होने के बाद, मैक्स ब्लॉक को चक्की करें और 200 जाल छलनी (<74 μm कण आकार) के माध्यम से छलनी करें।
      नोट: MXenes संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया Ti3AlC2 अधिकतम चरण अग्रदूत जिसके परिणामस्वरूप Ti3सी2 MXene गुण३८पर प्रत्यक्ष निहितार्थ दिखाया गया है । तंत्रिका इलेक्ट्रोड बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला टीआई3सी2 पिछली प्रक्रिया26के बाद तैयार मैक्स से चुनकर चुनिंदा किया गया था ।
  2. नक़्क़ाशी: एक अम्लीय etchant समाधान में Ti3AlC2 में अल परत को हटाने(चित्रा 1ए)
    1. 125 मिलीनगर प्लास्टिक कंटेनर में चयनात्मक नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें पहले 12 मिलीएल डिओनाइज्ड वॉटर (डीआई एच2ओ) जोड़कर इसके बाद हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल) के 24 मिलील को जोड़दिया जाता है। सभी उपयुक्त एचएफ नक़्क़ाशी पीपीई पहने हुए, etchant कंटेनर के लिए एचएफ के 4 mL जोड़ें । प्रतिक्रिया कंटेनर में धीरे-धीरे 2 ग्राम टीआई3एएलसी2 मैक्स चरण जोड़कर चयनात्मक नक़्क़ाशी करें और 400 आरपीएम पर 35 डिग्री सेल्सियस पर 24 घंटे के लिए टेफ्लॉन चुंबकीय बार के साथ सरगर्मी करें।
  3. धोने: तटस्थ पीएच के लिए सामग्री लाना।
    1. डीआई एच2ओ के 100 मिलीएल के साथ दो 175 मिलीग्राम अपकेंद्रित्र ट्यूबभरें नक़्क़ाशी प्रतिक्रिया मिश्रण को 175 मिलीग्राम सेंट्रलाइज ट्यूबों में विभाजित करें और 5 मिन के लिए 3,500 आरपीएम (2,550 x ग्राम)पर बार-बार अपकेंद्रित्र द्वारा सामग्री को धोएं। 5 मिन में अम्लीय अलौकिक को डेडेंट करें। पीएच 6 तक पहुंचने तक दोहराएं।
  4. इंटरकैलेशन: मल्टीलेयर एमज़ेन कण के बीच अणुओं का सम्मिलन विमान से बातचीत को जगाने के लिए(चित्रा 1बी)
    1. डीआई एच2ओ के 100 एमएल में लिथियम क्लोराइड (एलसीएल) के 2 ग्राम जोड़ें और भंग होने तक 200 आरपीएम पर हलचल करें। टीआई3सी2/टीआई3एएलसी2 तलछट के साथ एलसीएल/एच2ओ के 100 मिलीएल को मिक्स करें और 25 डिग्री सेल्सियस पर 12 घंटे के लिए रिएक्शन हलचल करें ।
  5. Delamination: थोक मल्टीलेयर कण से एकल में एक्सफोलिएशन-कुछ परत Ti3C2 MXene(चित्रा 1सी)
    1. 175 मिलीग्राम सेंट्रलाइज ट्यूबों में इंटरकैलेशन रिएक्शन को 5 मिन के लिए 2,550 x ग्राम पर सेंट्रलाइज्ड करके धोलें। एक अंधेरे अलौकिक पाए जाने तक दोहराएं।
    2. 2,550 x ग्रामपर 1 घंटे के लिए अपकेंद्री जारी रखें। पतला-हरा अलौकिक दशांत।
    3. डीआई एच2ओ के 150 मिलीग्राम के साथ सूजन तलछट को फिर से तितर-बितर करें 50 मीटर सेंट्रलाइज ट्यूबों के लिए सुपरनेटेंट और 10 मिन के लिए 2,550 x ग्राम पर अपकेंद्री एमकेन (सुपरनेटेंट) से शेष मैक्स (तलछट) को अलग करने के लिए।
      नोट: तलछट का फिर से फैलाव मुश्किल हो जाएगा और आंदोलन या मैनुअल मिलाते हुए की आवश्यकता होगी ।
    4. टीआई3सी2 MXene के रूप में अधिनेत लीजिए। 1 घंटे के लिए 2,550 x ग्राम पर एक केंद्रीकरण कदम के बाद सुपरनेटेंट इकट्ठा करके एकल से कुछ परत के गुच्छे को अलग करने के लिए समाधान का और आकार चयन और अनुकूलन करें।
  6. समाधान भंडारण: लंबी अवधि के भंडारण के लिए MXene स्याही पैकेजिंग(चित्रा 1डी)
    1. Argon बुलबुला एक आर्गन सील हेडस्पेस शीशी (एक सिरिंज के माध्यम से हस्तांतरण) में पैकेजिंग से पहले 30 min के लिए समाधान । उच्च सांद्रता (>5 मिलीग्राम/mL), सूरज की रोशनी से दूर, और दीर्घायु सुनिश्चित करने के लिए कम तापमान (5 डिग्री सेल्सियस) पर स्टोर समाधान।

2. टीआई3सी2 एमकेन माइक्रोइलेक्ट्रोड एरेका निर्माण

नोट: इस खंड में वर्णित प्रक्रिया एक मानक विश्वविद्यालय स्वच्छ कमरे की सुविधा के अंदर उपयोग के लिए करना है, जैसे पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय में नैनो के लिए सिंह केंद्र । यह सुविधा, साथ ही इसी तरह की सुविधाएं, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (एनएसएफ) द्वारा समर्थित राष्ट्रीय नैनो टेक्नोलॉजी इंफ्रास्ट्रक्चर नेटवर्क (एनएनआईएन) के हिस्से के रूप में बाहरी उपयोगकर्ताओं के लिए सुलभ हैं । इन सुविधाओं में, इस खंड में वर्णित कई उपकरण, उपकरण और सामग्री स्वच्छ कमरे की सुविधा तक पहुंच के साथ प्रदान की जाती है और अलग खरीद की आवश्यकता नहीं होगी।

सावधानी: MXene इलेक्ट्रोड के निर्माण में इस्तेमाल रसायनों के कई फोटोResists, RD6 डेवलपर, रिमूवर पीजी, एल्यूमीनियम नक़्क़ाशी समाधान, और बफर ऑक्साइड etchant सहित खतरनाक हैं । उपयोग करने से पहले इन रसायनों के लिए एमएसडीएस से परामर्श करें और लागू करें और हर समय उचित सुरक्षा उपायों का पालन करें। सभी रसायनों को एक धुएं के हुड में संभाला जाना चाहिए।

  1. एक साफ सी वेफर पर पैरालीन-सी की 4 μm मोटी नीचे की परत जमा करें (चित्रा 2एदेखें)।
  2. उपकरणों के धातु इंटरकनेक्ट को परिभाषित करने के लिए पहले फोटोमास्क (मास्क-1) का उपयोग करें, साथ ही बाद में लिफ्ट-ऑफ चरणों(चित्रा 2बी)में सहायता करने के लिए वेफर के किनारे के चारों ओर एक धातु की अंगूठी।
    1. स्पिन कोट NR71-3000p पर वेफर पर ३,००० आरपीएम पर ४० एस के लिए नरम सेंकना ९५ डिग्री सेल्सियस पर १४.५ मिन के लिए एक गर्म थाली पर वेफर सेंकना ।
    2. वेफर और मास्क-1 को मास्क एबलर में लोड कर लें। वेफर की स्थिति ताकि फोटोमास्क पर अंगूठी वेफर के सभी किनारों के साथ ओवरलैप हो।
    3. 90 एमजे/सेमी2की खुराक पर आई-लाइन (365 एनएम तरंगदैर्ध्य) के साथ बेनकाब करें। हार्ड 115 डिग्री सेल्सियस पर 1 मिन के लिए एक गर्म प्लेट पर वेफर सेंकना।
    4. 2 मिन के लिए RD6 डेवलपर में वेफर विसर्जित, लगातार समाधान आंदोलन। DI एच2ओ के साथ अच्छी तरह से कुल्ला और एक एन2 बंदूक के साथ सूखी उड़ा ।
    5. 10 एनएम टीआई जमा करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण का उपयोग करें, इसके बाद वेफर पर 100 एनएम एयू करें।
      नोट: ठेठ बयान मापदंडों 5 x10-7 टोर और 2 Å की दर का एक आधार दबाव है/
    6. जब तक फोटोविरोध भंग हो गया है और अतिरिक्त धातु पूरी तरह से बंद उठा लिया है, Ti/Au केवल वांछित इंटरकनेक्ट निशान और वेफर के किनारे के आसपास अंगूठी में छोड़ने के लिए ~ 10 min के लिए रिमूवर पीजी में वेफर विसर्जित कर दिया । एक बार लिफ्ट-ऑफ पूरा होने के बाद, अवांछित धातु के किसी भी शेष निशान को हटाने के लिए 30 एस के लिए सोनीकेट करें। स्वच्छ रिमूवर पीजी समाधान में पहले वेफर कुल्ला, फिर डीआई एच2ओ में अच्छी तरह से कुल्ला करें और एन2 बंदूक के साथ वेफर को सुखालें।
  3. बलि पैरालीन-सी लेयर(चित्रा 2सी)जमा करें।
    1. अंतर्निहित पैरालीन-सी लेयर हाइड्रोफिलिक को प्रस्तुत करने के लिए 30 एस के लिए ओ2 प्लाज्मा के लिए वेफर का पर्दाफाश करें। स्पिन कोट 2% सफाई समाधान (जैसे, माइक्रो-90) DI एच2ओ में 30 एस के लिए 1,000 आरपीएम पर वेफर पर। वेफर को कम से कम 5 मिन के लिए सूखी हवा दें।
      नोट: पतला साबुन समाधान एक विरोधी चिपकने वाला के रूप में कार्य करता है, जिससे बलि पैरालीन-सी परत को बाद में इस प्रक्रिया में छील दिया जा सकता है।
    2. वेफर पर पैरालीन-सी के 3 μm जमा करें।
  4. MXene पैटर्न और वेफर के किनारे के चारों ओर एक अंगूठी(चित्रा 2डी)को परिभाषित करने के लिए दूसरे फोटोमास्क (मास्क-2) का उपयोग करें।
    1. बार-बार चरण 2.2.1−2.4 दोहराएं, इस बार मास्क-2 का उपयोग करके और एक्सपोजर से पहले वेफर और फोटोमास्क के बीच संरेखण के निशानों को सावधानीपूर्वक संरेखित करें।
    2. MXene इलेक्ट्रोड और निशान है, जो आंशिक रूप से Ti/Au interconnects के साथ ओवरलैप चाहिए, साथ ही वेफर के किनारों के आसपास अंगूठी को परिभाषित करने के लिए फोटोरोध द्वारा कवर नहीं क्षेत्रों में बलि parylene-सी परत के माध्यम से नक़्क़ाशी के लिए O2 प्लाज्मा प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (RIE) का प्रयोग करें । उजागर टीआई/एयू इंटरकनेक्ट और बॉटम पैरालीन-सी लेयर के बीच प्रोफाइल को मापने के लिए एक प्रोविलोमीटर का उपयोग करके बलि पैरालीन-सी परत की पूरी नक़्क़ाशी की पुष्टि करें ।
      नोट: जब नक़्क़ाशी पूरी हो गई है, उजागर धातु की सतह भर में प्रोफ़ाइल चिकनी हो जाएगा, जबकि नीचे parylene-सी परत किसी न किसी और आंशिक रूप से नक़्क़ाशी होगी । यह नक़्क़ाशी कदम एक planar etch RIE प्रणाली में पूरा किया जाना चाहिए, नहीं एक बैरल आशेर, और नक़्क़ाशी समय और मापदंडों RIE प्रणाली पर अत्यधिक निर्भर हो जाएगा ।
  5. स्पिन कोट वेफर पर MXene समाधान(चित्रा 2ई)।
    1. इच्छित एमज़ेन पैटर्न में से प्रत्येक पर पिपेट MXene समाधान, फिर 40 एस के लिए 1,000 आरपीएम पर वेफर को स्पिन करें। 10 मिन के लिए 120 डिग्री सेल्सियस गर्म प्लेट पर वेफर को सूखना ताकि एमसेन फिल्म से किसी भी अवशिष्ट पानी को हटाया जा सके।
  6. बाद के प्रसंस्करण चरणों के लिए MXene पैटर्न पर एक सुरक्षात्मक परत के रूप में कार्य करने के लिए, वेफर पर 50 एनएम एसआईओ2 जमा करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण का उपयोग करें।
    नोट: ठेठ बयान मापदंडों 5 x10-7 टोर और 2 Å की दर का एक आधार दबाव है/
  7. मिकेन और एसआईओ2 लेयर(चित्रा 2एफ)पैटर्न के लिए बलि पैरालीन-सी लेयर को हटा दें।
    1. वेफर के किनारे पर DI एच2ओ की एक छोटी सी बूंद लागू करें और बलि पैरालीन-सी परत को छीलने के लिए चिमटी का उपयोग करें, शुरुआत जहां इसके किनारों को वेफर के बाहर की अंगूठी में परिभाषित किया गया है।
      नोट: पानी बलि पैरालीन-सी परत के नीचे साबुन अवशेषों के साथ गठबंधन करने के लिए इस लिफ्ट बंद सक्षम होगा ।
    2. किसी भी शेष सफाई समाधान अवशेषों को हटाने के लिए DI एच2O में वेफर को अच्छी तरह से कुल्ला करें। एक एन2 बंदूक के साथ वेफर सूखी, तो 1 घंटे के लिए एक १२० डिग्री सेल्सियस गर्म थाली पर जगह नमूनों MXene फिल्मों से किसी भी अवशिष्ट पानी को दूर करने के लिए ।
  8. पैरालीन-सी(चित्रा 2जी)की 4 माइक्रोन मोटी शीर्ष परत जमा करें।
  9. इलेक्ट्रोड और एयू बॉन्डिंग पैड (VIAs)(चित्रा 2एच)पर डिवाइस की रूपरेखा और उद्घाटन को परिभाषित करने के लिए तीसरे फोटोमास्क (मास्क-3) का उपयोग करें।
    1. बार-बार चरण 2.2.1−2.4 दोहराएं, इस बार मास्क-3 का उपयोग करके और एक्सपोजर से पहले वेफर और फोटोमास्क के बीच संरेखण के निशानों को सावधानीपूर्वक संरेखित करें।
    2. वेफर पर 100 एनएम अल जमा करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण का उपयोग करें।
      नोट: ठेठ बयान मापदंडों 5 x10-7 टोर और 2 Å की दर का एक आधार दबाव है/
    3. ~10 मिन के लिए रिमूवर पीजी में वेफर विसर्जित जब तक धातु पूरी तरह से बंद उठा लिया है, अल इलेक्ट्रोड और संबंध पैड के लिए उद्घाटन के साथ उपकरणों को कवर छोड़ । जब लिफ्ट-ऑफ पूरा हो जाता है, तो अवांछित धातु के किसी भी शेष निशान को हटाने के लिए 30 एस के लिए सोनीकेट करें। स्वच्छ रिमूवर पीजी समाधान में पहले वेफर कुल्ला, फिर डीआई एच2ओ में अच्छी तरह से कुल्ला करें और एन2 बंदूक के साथ वेफर को सुखालें।
  10. इलेक्ट्रोड और Au बॉन्डिंग पैड (VIAs)(चित्रा 2I)पर डिवाइस की रूपरेखा और उद्घाटन पैटर्न करने के लिए पैरालीन-सी को ईच करें। उपकरणों के आसपास पैरालीन-सी परतों के माध्यम से नक़्क़ाशी करने के लिए ओ2 प्लाज्मा आरआईई का उपयोग करें, और शीर्ष पैरालीन-सी परत के माध्यम से दोनों MXene इलेक्ट्रोड संपर्कों और Au संबंध पैड को कवर ।
    नोट: नक़्क़ाशी पूरी हो गई है जब कोई पैरालीन-सी अवशेष उपकरणों के बीच वेफर पर रहता है। MXene को कवर करने वाली एसआईओ2 परत एक नक़्क़ाशी-स्टॉप परत के रूप में कार्य करेगी, जो ओ2 प्लाज्मा को एमज़ेन इलेक्ट्रोड संपर्कों में नक़्क़ाशी या नुकसान पहुंचाने से रोकती है।
  11. अल etchant प्रकार में एक गीला रासायनिक etch का उपयोग कर उपकरणों को कवर करने वाली अल परत या तो 10 मिन के लिए, या 1 मिन अतीत के लिए जब अल के सभी दृश्य निशान गायब हो गए हैं, जो भी पहले आता है । 6:1 बफर ऑक्साइड etchant (BOE) में एक गीला रासायनिक etch का उपयोग कर MXene इलेक्ट्रोडको कवर 2 Etch 30 एस(चित्रा 2J)के लिए ।
    नोट: MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी अब पूरा कर रहे हैं ।
  12. एक डिवाइस के किनारे पर DI एच2ओ की एक छोटी सी बूंद रखकर एसआई सब्सट्रेट वेफर से उपकरणों को छोड़ें, और धीरे-धीरे डिवाइस को छीलने के रूप में पानी केशिका कार्रवाई(चित्रा 2K और चित्रा 3)द्वारा इसके नीचे दुष्ट है।

3. एडाप्टर निर्माण और इंटरफेसिंग

नोट: इस बिंदु पर, पतली फिल्म माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी को इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी रिकॉर्डिंग सिस्टम से कनेक्ट करने के लिए एक एडाप्टर के साथ इंटरफेस किया जाना चाहिए। 18-पिन कनेक्टर A79039-001 के साथ संगत कनेक्टर के माध्यम से इनपुट की आवश्यकता है RHS2000 16-ch स्टिम/रिकॉर्ड हेडस्टेज(सामग्री की तालिका)के साथ 128ch उत्तेजना/रिकॉर्डिंग नियंत्रक । यह अनुभाग माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी पर Au बॉन्डिंग पैड और रिकॉर्डिंग सिस्टम के हेड-स्टेज के साथ इंटरफेसिंग के लिए कनेक्टर A79040-001 के साथ इंटरफेसिंग के लिए शून्य प्रविष्टि बल (ZIF) कनेक्टर के साथ एक मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी, चित्रा 4ए)का उपयोग करता है। डेटा अधिग्रहण प्रणाली के आधार पर, पीसीबी पर विभिन्न कनेक्टर का उपयोग किया जा सकता है ताकि इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी हेडस्टेज के साथ इंटरफेसिंग सक्षम किया जा सके।

  1. पीसीबी पर संपर्क पैड में से प्रत्येक के लिए मिलाप पेस्ट की एक पतली फिल्म लागू करने, उनके उपयुक्त स्थानों में भागों रखने, और एक गर्म थाली पर हीटिंग जब तक मिलाप कनेक्शन फार्म(चित्रा 4बी)के लिए मिलाप ।
    नोट: रीफ्लो टांका एक गर्म थाली पर या एक टोस्टर ओवन में बहुत आसानी से किया जा सकता है और एक महंगा रीफ्लो ओवन के उपयोग की आवश्यकता नहीं है ।
  2. ZIF कनेक्टर में सुरक्षित होने के लिए डिवाइस को पर्याप्त मोटाई देने के लिए एमज़ेन माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी के Au बॉन्डिंग पैड क्षेत्र के पीछे की ओर पॉलीइमिड टेप(सामग्री की तालिका)की दो परतें लागू करें। टेप लगाने के बाद, एक रेजर ब्लेड या सटीक कैंची(चित्रा 4सी)का उपयोग करके पैरालीन-सी डिवाइस के किनारों से परे किसी भी अतिरिक्त ट्रिम करें।
  3. या तो निरीक्षण दायरे के नीचे या आवर्धक चश्मे का उपयोग करके, ZIF कनेक्टर में MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी संरेखित करें ताकि एयू बॉन्डिंग पैड ZIF कनेक्टर के अंदर पिन के साथ संरेखित हो, फिर एक सुरक्षित कनेक्शन बनाने के लिए ZIF को बंद करें(चित्रा 4डी, ई)।
    नोट: यहां इस्तेमाल किया ZIF कनेक्टर एक 18 चैनल कनेक्टर है, जबकि डिवाइस यहां इस्तेमाल किया 16 चैनल है । अतिरिक्त असंपर्क चैनलों को रिकॉर्डिंग सत्रों के दौरान बाधा परीक्षण के माध्यम से आसानी से खुले सर्किट के रूप में पहचाना जाता है।
  4. पीसीबी एडाप्टर के सफल निर्माण और कनेक्शन को सुनिश्चित करने के लिए एक शक्तिशाली का उपयोग करके MXene इलेक्ट्रोड के इलेक्ट्रोकेमिकल बाधा का परीक्षण करें।
    नोट: समस्या निवारण में सहायता करने के लिए चर्चा अनुभाग में उचित बाधा मूल्य दिए जाते हैं।

4. तीव्र प्रत्यारोपण और तंत्रिका रिकॉर्डिंग

नोट: वयस्क पुरुष स्प्राग डाबले चूहों पर सर्जरी बाँझ उपकरणों का उपयोग करके और असेप्टिक तकनीक के साथ की जाती है। श्वसन दर, पाल्पल पलटा, और पेडल चुटकी पलटा संज्ञाहरण की गहराई की निगरानी के लिए हर 10 मेंस की जांच कर रहे हैं । शरीर का तापमान एक हीटिंग पैड के साथ बनाए रखा जाता है।

  1. प्रीप्टिव एनालजेसिया (बुप्रेनोरफिन का चमड़े का इंजेक्शन निरंतर रिलीज [एसआर], 1.2 मिलीग्राम/किलो) प्रशासन।
  2. एनेस्थीसिया (60 मिलीग्राम/किलो केटामाइन और 0.25 मिलीग्राम/किलो डेक्समेडेटोमिडीन) के मिश्रण का इंट्रापेरिटोनियल इंजेक्शन लें।
  3. पलप्ब्रल और पेडल चुटकी सजगता की अनुपस्थिति के लिए जांच करके प्रयोग भर में हर 10 मिन संज्ञाहरण के उचित स्तर की पुष्टि करें ।
  4. स्टीरियोटैक्सिक फ्रेम में सुरक्षित चूहा, आंखों पर नेत्र स्नेहक लागू करें, और 10% पोविडोन-आयोडीन के साथ साफ मुंडा खोपड़ी।
  5. एकल मिडलाइन खोपड़ी चीरा और अंतर्निहित ऊतक के कुंद विच्छेदन के साथ calvaria बेनकाब।
  6. रिकॉर्डिंग के लिए जमीन के रूप में सेवा करने के लिए खोपड़ी में एक 00-90 पेंच जगह है।
  7. एक छोटे से burr के साथ एक दंत ड्रिल का उपयोग करना, वांछित कॉर्टिकल रिकॉर्डिंग साइट पर एक क्रेनियोटॉमी करें।
  8. सरणी कनेक्टर को एक स्टीरियोटैक्सिक जोड़तोड़ से सुरक्षित करें और डिवाइस को क्रैनिओटॉमी पर रखें। धीरे से कम जब तक पूरी सरणी उजागर प्रांतस्था के साथ संपर्क में है ।
  9. खोपड़ी के पेंच के चारों ओर जमीन के तार लपेटें।
  10. रिकॉर्डिंग सिस्टम हेडस्टेज को सरणी से कनेक्ट करें और सहज गतिविधि रिकॉर्ड करना शुरू करें।

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Representative Results

एक MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी पर दर्ज नमूना माइक्रो ECoG डेटा चित्रा 5में दिखाया गया है । कॉर्टेक्स पर इलेक्ट्रोड सरणी के आवेदन के बाद, रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड पर स्पष्ट शारीरिक संकेत तुरंत स्पष्ट थे, जिसमें लगभग 1 एमवी आयाम ECoG संकेत सभी MXene इलेक्ट्रोड पर दिखाई दे रहे थे। इन संकेतों के पावर स्पेक्ट्रा ने केटामाइन-डेक्समेडेटोमिडीन एनेस्थीसिया के तहत चूहों में आमतौर पर देखे जाने वाले दो मस्तिष्क लयों की उपस्थिति की पुष्टि की: 1−2 हर्ट्ज स्लो दोलन और 40−70 हर्ट्ज पर दोलन। इसके अतिरिक्त, धीमी गति से दोलन की "डाउन" स्थिति के दौरान एक हस्ताक्षर ब्रॉडबैंड पावर क्षीणन, और धीमी गति से दोलन की "अप" स्थिति के दौरान चयनात्मक बैंड (15−30 हर्ट्ज) और "बैंड(40−120 हर्ट्ज) बिजली प्रवर्धन देखा गया। परिणाम अध्ययन में उपयोग की जाने वाली पशु प्रजातियों, लक्षित मस्तिष्क क्षेत्र, संज्ञाहरण प्रकार, और संज्ञाहरण के प्रशासन के बाद से बीता हुआ समय के आधार पर भिन्न हो सकते हैं।

Figure 1
चित्रा 1: योजनाबद्ध MXene संश्लेषण प्रक्रिया का चित्रण । (A)टीआई3एएलसी2 मैक्स को एक चयनात्मक एटचैंट समाधान (एचएफ, एचसीएल और डीआई एच2ओ) में जोड़ा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एल्यूमीनियम (अल) को हटादिया जाता है। (ख)डीआई एच2ओ का उपयोग करके तटस्थ पीएच के नक़्क़ाशी समाधान को धोने के बाद, बहुस्तरीय टीआई3सी2 प्राप्त किया जाता है। बहुस्तरीय टीआई3सी2 लिथियम क्लोराइड (एलआईसीएल) के जलीय समाधान से ली+ के साथ इंटरकॉलेटेड है। ( ग)इंटरकैलेशन रिएक्शन धोने के बाद, तलछटसूजन एच2ओ के साथ ली+ के आदान-प्रदान का प्रतिनिधित्व करते हुए देखा जाता है। (घ)टीआई3सी2 एमकेने स्याही को सिरिंज के माध्यम से लंबी अवधि के भंडारण के लिए आर्गन सीलहेड स्पेस शीशी में स्थानांतरित किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी के लिए निर्माण प्रक्रिया की योजनाबद्ध। (A)बॉटम पैरालीन-सी लेयर को क्लीन सी वेफर पर जमा किया जाता है। (ख)टीआई/एयू (10 एनएम/100 एनएम) चालक्की निशान फोटोलिथोग्राफी, ई-बीम जमाव और लिफ्ट-ऑफ के माध्यम से पैटर्न किए जाते हैं । (ग)डीआई एच2ओ में 1% सफाई समाधान की एक एंटी चिपकने वाली परत लागू की जाती है, जिसके बाद बलि पैरालीन-सी परत का जमाव होता है। (D)बलि पैरालीन-सी परत फोटोलिथोग्राफी और ओ2 आरआई नक़्क़ाशी के माध्यम से नमूनों है । (ई)टीआई3सी2 एमकेन को वेफर पर स्पिन-लेपित किया जाता है, जिसके बाद एसआईओ2के 50 एनएम के ई-बीम जमाव होते हैं। (एफ)बलि पैरालीन-सी परत को हटा दिया जाता है, सफाई समाधान के अवशेषों को धोया जाता है, और वेफर को सूखा पकाया जाता है। (जी)टॉप पैरालीन-सी लेयर जमा है। (एच)एक अल नक़्क़ाशी मुखौटा परत फोटोलिथोग्राफी, ई-बीम बयान के माध्यम से नमूनों, और लिफ्ट बंद VIAs और डिवाइस रूपरेखा को परिभाषित करने के लिए है । (I)इलेक्ट्रोड संपर्कों और आसपास के उपकरणों पर पैरालीन-सी ओ2 आरआई ईआरआई के माध्यम से दूर हो जाता है। (जम्मू)अल नक़्क़ाशी मुखौटा और एसआईओ2 सुरक्षात्मक परत MXene पर गीला नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं के माध्यम से दूर नक़्क़ाशीमंद हैं । (K)तैयार डिवाइस वेफर से उठा लिया जाता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: एमकेन माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी की तस्वीरें और ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवियां। (A)14 पूर्ण एमज़ेन माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी वाले 3 इंच के सी वेफर की तस्वीर। वेफर के बाहरी किनारे के चारों ओर सोने की अंगूठी पर ध्यान दें, जो चरण 2.7 प्रभावी ढंग से प्रदर्शन करने के लिए उपयोगी है। (ख)ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि जो कि एमकेन माइक्रोइलेक्ट्रोड की सरणी को दिखाने वाली डीआई एच2ओ(सी)ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि की एक छोटी मात्रा का उपयोग करके वेफर से एक पूर्ण डिवाइस के छीलने को दिखाती है। (D)एक व्यक्ति के MXene इलेक्ट्रोड की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि । स्केल बार = 1 सेमी, 3 मिमी, 500 माइक्रोन, 20 माइक्रोन (बाएं से दाएं)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: एडाप्टर बोर्ड के साथ MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी इंटरफेसिंग। (A)ओनेटिक्स और जेडआईएफ कनेक्टर्स के लिए पैड के साथ पीसीबी। (ख)ओनेटिक्स और जेडआईएफ कनेक्टर्स की टांका लगाने के बाद पीसीबी । (ग)जैफ कनेक्टर के लिए पर्याप्त मोटाई देने के लिए डिवाइस के Au बॉन्डिंग पैड के पीछे की ओर पॉलीइमिड परतों को जोड़ना । पॉलीइमिड की दो परतें (ऊपर) जोड़ी जाती हैं और फिर किनारों (नीचे) के चारों ओर छंटनी की जाती हैं। (डी)मिक्सेन माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी को उचित संरेखण के साथ जेडआईएफ कनेक्टर में डाला गया। (ई)एडाप्टर बोर्ड से जुड़े और रिकॉर्डिंग प्रयोग के लिए तैयार एमज़ेन माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी का शीर्ष दृश्य। स्केल बार = 2 मिमी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: प्रतिनिधि तंत्रिका रिकॉर्डिंग परिणाम। (A)एनेस्थेटाइज्ड चूहे की कॉर्टिकल सतह पर माइक्रो-ईकोग सरणी के प्लेसमेंट का चित्रण। (ख)9 इलेक्ट्रोड के लिए दिखाए गए रिकॉर्डेड कॉर्टिकल एक्टिविटी का सेगमेंट । धीमी दोलन (1−2 हर्ट्ज) के गर्त के आधार पर ख्यात कॉर्टिकल "डाउन" राज्यलाल हलकों द्वारा इंगित किए जाते हैं। (ग)प्रत्येक रिकॉर्डिंग चैनल के लिए पावर स्पेक्ट्रल घनत्व। (घ)प्रतिनिधि माइक्रो-ईकोजी चैनल के लिए राज्य-ट्रिगर स्केलोग्राम "डाउन" । "डाउन" राज्य और चयनात्मक बैंड (15−30 हर्ट्ज) और "अप" राज्य के दौरान "डाउन" के दौरान ब्रॉडबैंड पावर क्षीणन पर ध्यान दें। मढ़ा काले ट्रेस औसत धीमी गति से दोलन से पता चलता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल (एचएफ/एचसीएल/एलसीएल) में वर्णित एमज़ेन संश्लेषण और delamination प्रक्रिया का निर्माण हल्के नक़्क़ाशी दृष्टिकोण से किया गया था जिसने एक LiF/HCl (सीटू एचएफ में) etchant मध्यम26को नियोजित किया था । हल्के दृष्टिकोण बड़े टीआई3सी2 गुच्छे (पार्श्व आकार में कई μm) के लिए अनायास धोने के दौरान delaminated के लिए अनुमति देता है एक बार पीएच ~ 5 −6 प्राप्त किया गया है । अकेले एचएफ के साथ नक़्क़ाशी की तुलना में, इसके परिणामस्वरूप उच्च गुणवत्ता और बेहतर सामग्री गुणों के साथ सामग्री होती है, जैसे इलेक्ट्रॉनिक चालकता और रासायनिक स्थिरता। एचएफ/एचसीएल/एलसीएल विधि हल्के संश्लेषण सुधारों का लाभ उठाती है, जबकि इसके अतिरिक्त प्रत्येक चरण (नक़्क़ाशी, अंतरकालन और डेलामिनेशन) को अलग करती है जो अधिक उपयोगकर्ता नियंत्रण के लिए अनुमति देती है ।

चरण 1.1 के दौरान, कच्चे माल (टीआईसी, अल, टीआई), तापमान, तापमान रैंप दर और समय का अनुपात सही अधिकतम चरण को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। नक़्क़ाशी से पहले मैक्स चरण की Sieving अधिक समरूप नक़्क़ाशी सुनिश्चित करेगा। एटेट मीडिया (चरण 1.2) में मैक्स चरण को जोड़ने को धीरे-धीरे आयोजित किया जाना चाहिए ताकि ओवरहीटिंग को रोका जा सके और अधिकतम के प्रति 1 ग्राम 5 मिन का सामान्य नियम सुझाया जा सके। यदि ओवरहीटिंग एक चुनौती बन जाती है, तो टीआई3एएलसी2 मैक्स चरण के अलावा आइस बाथ को नियोजित किया जाना चाहिए। तटस्थ पीएच (चरण 1.3) के लिए नक़्क़ाशी प्रतिक्रिया धोते समय, केंद्रीकरण के बाद प्रत्येक अम्लीय अधिनात पारदर्शी होना चाहिए। यदि अपकेंद्रित्र के बाद अधिस्थान अंधेरा या पतला हरा है, तो अपकेंद्रित्र समय और/या तलछट सामग्री की गति बढ़ाएं । क्योंकि एच2ओ के लिए LiCl के अलावा exothermic है, कुछ हीटिंग हो जाएगा (चरण १.४) । इस प्रक्रिया में, इंटरकैलेशन समय (चरण 1.4) 12 घंटे है, हालांकि इसे संशोधित किया जा सकता है या 15 मिनट तक छोटा किया जा सकता है। डेलामिनेशन की गुणवत्ता (चरण 1.5) धोने के दौरान उपयोग किए जाने वाले पानी की मात्रा और आंदोलन की डिग्री के लिए विशिष्ट है। इस चरण के दौरान दिए गए सुपरनेटेंट पारदर्शी के बजाय पतला हो सकते हैं। यदि सामग्री की तलछट एक चुनौती बन जाती है, तो अपकेंद्रित्र गति/आरसीएफ को बढ़ाना चाहिए । पॉलीडिस्फैलाव नमूनों से बचने के लिए सेंट्रलाइज्ड (चरण 1.5) द्वारा पृथक्करण और आकार चयन करना महत्वपूर्ण है। इस कदम को करने में विफलता के परिणामस्वरूप एक स्याही होगी जिसमें टीआई3एएलसी2 मैक्स चरण संदूषण और बड़े मल्टीलेयर टीआई3सी2 कण दोनों हैं। चरण 1.6 के दौरान, यह महत्वपूर्ण है कि शीशी की हेडस्पेस मात्रा को कम किया जाए।

MXene माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणी के निर्माण के दौरान, कई महत्वपूर्ण कदम हैं जो कामकाज, उच्च गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रोड के उत्पादन के लिए आवश्यक हैं। पहले फोटोमास्क को डिजाइन करना महत्वपूर्ण है कि वेफर (चरण 2.2) के बाहरी किनारे के चारों ओर एक धातु की अंगूठी है और दूसरा फोटोमास्क ऐसा है कि एक संबंधित, थोड़ा बड़ा व्यास अंगूठी है जिसे बलि को हटाने में सहायता करने के लिए बलि पैरालीन-सी (चरण 2.4) परत के माध्यम से नक़्क़ाशीदार किया जाएगा। इस अंगूठी के बिना, चरण 2.7 में बलि पैरालीन-सी परत को छीलने के लिए एक बढ़त स्थापित करना मुश्किल हो सकता है। चरण 2.3 के दौरान, ओ2 प्लाज्मा के वेफर को बेनकाब करना महत्वपूर्ण है ताकि कमजोर सफाई समाधान को ठीक से गीला करने और वेफर का पालन करने की अनुमति दी जा सके। इस कदम को करने में विफलता के परिणामस्वरूप वेफर के क्षेत्रों में एक विरोधी चिपकने वाली परत जमा नहीं होगी, जो चरण 2.7 असंभव में बलि पैरालीन-सी परत को हटाने को प्रदान करता है। चरण 2.7 में बलि पैरालीन-सी परत को हटाने के दौरान, नीचे पैरालीन-सी परत को खरोंचने या नुकसान पहुंचाने से बचने के लिए सावधान रहना महत्वपूर्ण है, क्योंकि इससे नीचे पैरालीन-सी और एसआई वेफर और बाद में डेलामिनेशन के बीच बुलबुले का गठन हो सकता है। यदि बलि पैरालीन-सी परत आसानी से छील नहीं है, तो चरण 2.3.1 में थोड़ा अधिक केंद्रित सफाई समाधान (डीआई में 4%) का उपयोग किया जा सकता है, या चरण 2.3.1 में ओ2 प्लाज्मा एक्सपोजर अंतर्निहित पैरालीन-सी परत के हाइड्रोफिलीसिटी में सुधार करने के लिए लंबे समय तक किया जा सकता है।

निर्माण पूरा होने के बाद, कनेक्टर बोर्ड के साथ एमक्सी डिवाइस को ठीक से इंटरफेसिंग करना आवश्यक है। चरण 3.2 में पॉलीइमिड टेप की दो परतों के अलावा ZIF कनेक्टर में सम्मिलन के लिए उचित मोटाई सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है, हालांकि टेप जोड़ा जाता है, जबकि पतली पैरालीन-सी डिवाइस के आकस्मिक तह या उखड़ से बचने के लिए देखभाल की जानी चाहिए, क्योंकि डिवाइस को नुकसान पहुंचाए बिना टेप को हटाना संभव नहीं है। इसके बाद, ZIF कनेक्टर(चित्रा 4डी)के अंदर पिन के साथ MXene डिवाइस पर Au बॉन्डिंग पैड का उचित संरेखण एक मजबूत कनेक्शन (चरण 3.3) बनाने के लिए आवश्यक है। इस स्तर पर, MXene इलेक्ट्रोड की बाधा को मापने समस्या निवारण के लिए उपयोगी है । एक 50 μm x 50 μm वर्ग MXene इलेक्ट्रोड 1x पीबीएस में 1 kHz की आवृत्ति पर 50 kω के पास एक बाधा परिमाण होना चाहिए, और एक 25 μm व्यास परिपत्र MXene इलेक्ट्रोड एक ही मापदंडों के तहत 200 k के पास एक बाधा परिमाण होना चाहिएΩ36. इससे काफी बड़ा एक बाधा यह इंगित कर सकती है कि इलेक्ट्रोड जेडआईएफ कनेक्टर में ठीक से जुड़ा नहीं है, या कि एमज़ेन इलेक्ट्रोड उजागर नहीं होता है, जैसा कि हो सकता है यदि या तो शीर्ष पैरालीन-सी परत चरण 2.10 में पूरी तरह से नक़्क़ाशीदार नहीं थी या एसआईओ2 सुरक्षात्मक परत पूरी तरह से चरण 2.11 में नक़्क़ाशीदार नहीं थी।

इस विधि की एक सीमा MXene फिल्म मोटाई में परिवर्तनशीलता है कि कई बार स्पिन के बाद मनाया जाता है वेफर पर MXene कास्टिंग । यदि इलेक्ट्रोड बड़े क्षेत्रों तक पहुंचा या जाए तो यह परिवर्तनशीलता और अधिक स्पष्ट हो सकती है । इस सीमा को स्पिन-कोटिंग के बजाय स्प्रे-कोटिंग का उपयोग करके आसानी से दूर किया जा सकता है ताकि वेफर पर एमएसईन लागू किया जा सके, एक और सरल, कम लागत वाले समाधान प्रसंस्करण विधि का प्रतिनिधित्व किया जा सके जिसके साथ एमज़ेन, और यह प्रोटोकॉल, संगत39हैं।

यहां वर्णित प्रोटोकॉल तंत्रिका विज्ञान में और बायोइलेक्ट्रॉनिक्स के बड़े क्षेत्र में रोमांचक नए अवसर प्रस्तुत करता है। हालांकि तंत्रिका माइक्रोइलेक्ट्रोड के लिए कार्बन आधारित नैनोमैटेरियल्स का लाभ उठाने में लंबे समय से रुचि रही है, लेकिन इस तरह के इलेक्ट्रोड में टीआई3सी2 एमकेने के समावेश ने अन्य कार्बन-आधारित नैनोमैटेरियल्स के साथ संभव की तुलना में काफी सरल और अधिक उच्च-थ्रूपुट निर्माण को सक्षम किया है। इसके अलावा, टीआई3सी2 एमएक्सने के उत्कृष्ट गुण इलेक्ट्रोड को उनके आकार के लिए उल्लेखनीय रूप से कम बाधा के साथ प्रदान करते हैं, इस प्रकार संवेदनशीलता और संकेत गुणवत्ता में सुधार होता है। साहित्य का एक बढ़ता हुआ शरीर माइक्रोपैटर्निंग एमज़ेन के लिए कई तरीकों का भी वर्णन करता है, जिन्हें भविष्य में एमएसकेन माइक्रोइलेक्ट्रोड बनाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिसमें माइक्रो-कॉन्टैक्ट प्रिंटिंग40,इंकजेट प्रिंटिंग41,42और स्वचालित स्केलपेल उत्कीर्णन43शामिल हैं। बायोसेंसिंग अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला के लिए मनमाने आकार और ज्यामिति के टीआई3सी2 एमकेन इलेक्ट्रोड बनाने के लिए इस प्रोटोकॉल का विस्तार करने की अपार क्षमता मौजूद है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (अनुदान नं) ने समर्थन दिया । R21-NS106434), मिर्गी में अनुसंधान के लिए नागरिक ों उड़ान पुरस्कार लेने, Mirowski परिवार फाउंडेशन और नील और बारबरा स्मिट (F.V.); नेशनल साइंस फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फैलोशिप प्रोग्राम (ग्रांट नं. DGE-1845298 से एन.डी. और बी.एम.; सेना अनुसंधान कार्यालय (सहकारी समझौता संख्या W911NF-18-2-0026 से केएम); और एजवुड केमिकल बायोलॉजिकल सेंटर (पीई 0601102ए प्रोजेक्ट VR9 से वाईजी और केएम) में भूतल विज्ञान पहल कार्यक्रम के माध्यम से अमेरिकी सेना द्वारा। यह काम सिंह सेंटर फॉर नैनोटेक्नोलॉजी में भाग में किया गया था, जिसे नेशनल साइंस फाउंडेशन नेशनल नैनोटेक्नोलॉजी समन्वित इंफ्रास्ट्रक्चर प्रोग्राम (एनएनएससीआई-1542153) द्वारा समर्थित किया जाता है।

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

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References

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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).

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