Summary
여기서 Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하고 생체 내 신경 기록용으로 활용하는 방법을 설명합니다.
Abstract
이식형 마이크로전극 기술은 뇌 질환과 부상의 신경 기반에 대한 깊은 이해를 얻기 위해 마이크로 스케일에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 전극이 개별 셀의 규모로 소형화됨에 따라 인터페이스 임피던스의 상응하는 상승은 기록된 신호의 품질을 제한합니다. 또한, 기존의 전극 재료는 뻣뻣하고, 전극과 주변 뇌 조직 사이에 상당한 기계적 불일치를 초래하며, 이는 결국 장치 성능의 저하로 이어지는 염증 반응을 유도합니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 당사는 최근 발견된 나노 물질인 Ti3C2 MXene을 기반으로 유연한 마이크로 전극을 제조하는 공정을 개발했으며, 이는 수성 분산에서 매우 높은 부피 정전 용량, 전기 전도성, 표면 기능 및 가공성을 보유하고 있습니다. Ti3C2 MXene 마이크로 전극의 유연한 어레이는 Ti3C2 MXene 필름의 높은 전도도 및 높은 비표면적으로 인해 현저하게 낮은 임피던스를 가지며, 신경 활동을 기록하기 위해 정교하게 민감한 것으로 입증되었습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene을 유연한 폴리머 기판의 마이크로 전극 어레이로 마이크로 패터닝하는 새로운 방법을 설명하고 생체 내 마이크로 전극전극 기록사용에 대한 용도를 간략하게 설명합니다. 이 방법은 바이오 일렉트로닉스의 다양한 다른 응용 분야에 임의의 크기 또는 형상의 MXene 전극 어레이를 생성하기 위해 쉽게 확장 될 수 있으며 Ti3C2 MXene 이외의 다른 전도성 잉크와 함께 사용하도록 조정할 수도 있습니다. 이 프로토콜은 솔루션 기반 전도성 잉크에서 마이크로 전극의 간단하고 확장 가능한 제조를 가능하게하며, 특히 친수성 Ti3C2 MXene의 고유 특성을 활용하여 고충실도 신경 마이크로 전자에 대한 탄소 기반 나노 물질의 광범위한 채택을 오랫동안 방해한 많은 장벽을 극복 할 수 있습니다.
Introduction
신경 회로의 기본 메커니즘과 질병 이나 부상에서 역학이 어떻게 변경 되는지 이해 하는 것은 광범위 한 신경 및 신경 근육 질환에 대 한 효과적인 치료 개발을 위한 중요 한 목표. 마이크로 전극 기술은 미세한 공간 및 시간적 척도에서 신경 역학을 해명하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 마이크로 스케일 전극에서 높은 신호 대 잡음 비(SNR)로 안정적인 기록을 얻는 것은 특히 어려운 것으로 입증되었습니다. 전극의 치수가 감소되어 셀룰러 스케일에 가까워지면 전극 임피던스의 상응하는 상승은 신호 품질1을저하시게 됩니다. 또한, 수많은 연구는 기존의 실리콘과 금속 전자 재료로 구성된 단단한 전극이 신경 조직에 상당한 손상과 염증을 생성한다는 것을 보여주었습니다, 이는 장기기록2,3,4,5에대한 그들의 유용성을 제한합니다. 이러한 사실을 감안할 때, 전극 조직 인터페이스 임피던스를 감소시키고 부드럽고 유연한 폼 팩터에 통합 할 수있는 새로운 재료로 마이크로 전극을 개발하는 데 상당한 관심이 있었습니다.
전극-조직 계면 임피던스를 감소시키기 위한 하나의 일반적으로 사용되는 방법은 세포외 유체의 이온 종들이 전극, 또는 전극의 "유효 표면적"과 상호 작용할 수 있는 영역을 증가시키고 있다. 이것은 나노 패터닝6,표면 거칠게7,또는 다공성 첨가제8,9와전기 도금을 통해 달성 될 수있다. 나노물질은 본질적으로 높은 비표면적이고 유리한 전기적 및 기계적성질(10)의독특한 조합을 제공하기 때문에 이 분야에서 상당한 주목을 받고 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 전극 임피던스11,12,13,그래핀 옥사이드를 부드럽고 유연한 독립형 프로브전극(14)으로가공하여, 레이저-파이롤리징 다공성 그래핀을 유통, 저임피안스 마이크로전지(micro-ECoG) 전극(15)에 활용하여 온 코팅으로 사용되어 왔다. 그들의 약속에도 불구하고, 확장 가능한 조립 방법의 부족은 신경 상호 파는 전극을 위한 나노 물질의 광범위한 채택을 제한했습니다. 탄소계 나노물질은 특히 소수성이며, 따라서 계면활성제16,초산제17,또는 표면 기능화(18)를 사용하여 용액 처리 제조 방법을 위한 수성 분산을 형성하는 반면, 화학적 증착(CVD)과 같은 대체 제조 방법은 일반적으로 많은 중합체 기질(19,20, 20, 20) 및 양면성 기질과 호환되지 않는 고온을 필요로 한다. ,22.
최근에는 MXenes로 알려진 2차원(2D) 나노 물질의 부류가 높은 전도도, 유연성, 체적 정전 용량 및 고유의 친수성의 뛰어난 조합을 제공하는 것으로 기술되어 신경 간광 전극23에대한 유망한 나노 물질 클래스가 되었습니다. MXenes는 계층화된 전구체에서 A 소소를 선택적으로 에칭하여 가장 일반적으로 생성되는 2D 전이 금속 탄화및 질화 제품군입니다. 이들은 일반적으로 일반적인 수식 Mn+1AXn을가진 MAX 단계이고, 여기서 M은 초기 전이 금속이고, A는 주기율표의 그룹 12-16 원소이고, X는 탄소 및/또는 질소, 및 n =1, 2, 또는 324이다. 2차원 MXene 플레이크는 하이드록실(−OH), 산소(−O) 또는 불소(−F)를 포함할 수 있는 표면 종료 작용기들을 갖는다. 이러한 작용기는 MXenes를 본질적으로 친수성으로 만들고 유연한 표면 수정 또는 기능화를 가능하게 합니다. MXenes의 큰 클래스의, Ti3C2는 가장 광범위하게 연구되고특징 25,26,27. Ti3C2는 활성파(~60-100 F/cm3)29,초경 유래 탄소(180F/cm3)30,그래핀 겔 필름(~260 F/cm 3)31보다28개(1,500F/cm 3)상당히 높은 부피 정전 용량을 나타낸다. 또한 Ti3C2는 매우 높은 전자 전도도 (~ 10,000 S /cm)를 나타내며, 그 생체 적합성은 여러연구에서33,34,35,36에서입증되었습니다. Ti3C2 필름의 대용량 정전 용량은 정전 용량 전하 전달을 나타내는 전극이 잠재적으로 유해한 가수 분해 반응을 피할 수 있기 때문에 생물학적 감지 및 자극 응용 분야에 유리합니다.
우리 그룹은 최근 높은 SNR36을가진 생체 내에서 마이크로 전극질 (micro-ECoG) 및 피질 내 신경 스파이크 활동을 모두 기록 할 수있는 솔루션 처리 방법을 사용하여 제조 된 유연한 박막 Ti3C2 마이크로 전극 어레이를 입증했습니다. 이러한 MXene 전극은 MXene의 높은 전도도 및 전극의 높은 표면적에 기인할 수 있는 크기 일치금(Au) 전극에 비해 임피던스를 현저히 감소시켰습니다. 이 프로토콜에서는 Ti3C2 MXene의 평면 미세 전극 어레이를 유연한 파릴렌-C 기판에서 제작하고 수술 중 마이크로 ECoG 기록을 위해 생체 내에서 활용하는 주요 단계를 설명합니다. 이 방법은 MXene의 친수성 특성을 활용하여 안정적이고 수성 현탁액을 달성하기 위해 계면 활성제 또는 초산제를 사용하지 않아도 간단하고 확장 가능한 솔루션 처리 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 처리성 용이성은 다른 탄소 나노 물질을 기반으로 하는 장치의 광범위한 채택에 큰 제약이 되어 온 산업 규모의 MXene 바이오 센서의 비용 효율적인 생산을 가능하게 할 수 있습니다. 전극 제조의 주요 혁신은 스핀 코팅 후 MXene을 마이크로 패턴화하는 희생 중합체 층의 사용에 있으며, 용액 처리 폴리에 대한 문헌으로부터 적응된 방법(3,4-에틸렌디옥시티오텐):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) 마이크로전극(PEDOT:PSS)마이크로전극37,이전에는 설명되지 않았지만, 이전에는 MX에 대해 설명되지 않았다. Ti3C2의뛰어난 전기적 특성은 가공성 및 2D 형태와 결합되어 신경 인터페이스에 매우 유망한 재료입니다. 특히 Ti3C2는 마이크로 스케일 전극 성능을 위한 1차 제한 인자인 전극 기하학적 영역과 전기 화학 적 인터페이스 임피던스 사이의 근본적인 절충을 극복하는 경로를 제공합니다. 또한 이 프로토콜에 설명된 제조 절차는 다양한 기록 패러다임에 대한 다양한 크기와 형상의 MXene 전극 어레이를 생산하도록 조정할 수 있으며 MXene 외에 다른 전도성 잉크를 통합하도록 쉽게 조정할 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
모든 생체 내 절차는 국립 보건원 (NIH) 실험실 동물의 관리 및 사용을위한 가이드를 준수하고 펜실베니아 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인되었습니다.
1. Ti3C2 MXene의 합성
참고: 이 섹션에 설명된 반응 절차는 화학 연기 후드 내부에서 사용하기 위한 것입니다. 이 절차에 포함된 세척 단계는 균형 잡힌 원심분리기 튜브와 함께 사용됩니다. 생산된 모든 폐기물은 유해 폐기물로 간주되며 대학 지침에 따라 적절하게 폐기해야 합니다.
주의: 수소불화산(HF)은 매우 위험하고 부식성이 높은 산입니다. 사용 전에 MXenes를 합성하는 데 사용되는 화학 물질에 대한 재료 안전 데이터 시트(MSDS)를 참조하고 적절한 안전 조치를 이행하고 따르십시오. HF를 취급하기위한 적절한 개인 보호 장비 (PPE)는 실험실 코트, 내산 성 앞치마, 발가락이 가까운 신발, 긴 바지, 고글, 전체 얼굴 방패, 니트릴 장갑 및 부틸 고무 또는 네오프렌 고무로 만든 HF 저항 장갑을 포함한다.
- MAX 위상 합성
- 공 밀링TiC (2 μm), Ti (44 μm), 및 Al (44 μm) 분말을 치르코니아 볼을 사용하여 18 시간 동안 2 :1 : 1 : 1의 어금니 비율 (TiC:Ti : Al)으로 합성하십시오. 알루미나 도가니에 분말을 놓고 1,380 °C (5 °C 가열 속도)로 가열하고 아르곤 에서 2 시간 동안 유지하십시오. 분말을 냉각 한 후 MAX 블록을 밀링하고 200 메쉬 체 (<74 μm 입자 크기)를 통해 체질하십시오.
참고: MXenes를 합성하는 데 사용되는 Ti3AlC2 MAX 위상 전구체는 생성된 Ti3C2 MXene 속성38에직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 신경 전극을 제조하는 데 사용되는Ti3C2는 이전절차(26)에따라 준비된 MAX로부터 선택적으로 에칭되었다.
- 공 밀링TiC (2 μm), Ti (44 μm), 및 Al (44 μm) 분말을 치르코니아 볼을 사용하여 18 시간 동안 2 :1 : 1 : 1의 어금니 비율 (TiC:Ti : Al)으로 합성하십시오. 알루미나 도가니에 분말을 놓고 1,380 °C (5 °C 가열 속도)로 가열하고 아르곤 에서 2 시간 동안 유지하십시오. 분말을 냉각 한 후 MAX 블록을 밀링하고 200 메쉬 체 (<74 μm 입자 크기)를 통해 체질하십시오.
- 에칭: 산성 에칭 용액에서 Ti3AlC2에서 Al 층의 제거(그림 1A)
- 먼저 12 mL의 탈이온수(DIH2O)를 첨가하고 24 mL의 염산(HCl)을 첨가하여 125 mL 플라스틱 용기에 선택적 에칭 용액을 준비합니다. 모든 적절한 HF 에칭 PPE를 착용하고, 에칭 용기에 HF 4 mL을 추가합니다. 반응 용기에 Ti3AlC2 MAX 상 2 g을 천천히 첨가하고 400 rpm에서 35°C에서 24시간 동안 테플론 마그네틱 막대로 교반하여 선택적 에칭을 수행합니다.
- 세척: 재료를 중성 pH로 가져오기.
- DI H2O. 100 mL의 100 mL로 175 mL 원심 분리튜브 2개를 채우고 에칭 반응 혼합물을 175 mL 원심분리관으로 분할하고 3,500 rpm (2,550 x g)에서반복된 원심분리로 재료를 5 분 동안 플라스틱 유해 폐기물 용기로 장식하십시오. pH가 6에 도달할 때까지 반복합니다.
- 인터칼레이션: 평면 외 상호 작용을 깨우기 위해 다층 MXene 입자 사이에 분자 삽입(그림 1B)
- DIH2O 100 mL에 염화리튬(LiCl) 2g을 넣고 용해될 때까지 200rpm에서 저어줍니다. LiCl/H2O 의 100 mL을 Ti3C2/Ti3AlC2 퇴적물을 혼합하고 25°C에서 12시간 동안 반응을 저어줍니다.
- 박리: 대량 다층 입자에서 단일 층에서 몇 층 Ti3C2 MXene로 각질 제거(그림 1C)
- 175 mL 원심분리기 튜브에서 원심분리에 의해 5분 동안 2,550 x g로 감간 반응을 세척한다. 어두운 상급제가 발견될 때까지 반복합니다.
- 2,550 x g에서1 시간 동안 원심 분리기를 계속합니다. 희석 녹색 상월제를 장식합니다.
- 150 mL의 DI H2O. 50 mL 원심 분리튜브및 원심분리기로 10분 동안 10분 동안 부은 퇴적물을 MXene(supernatant)에서 분리하여 재분산시켰다.
참고 : 퇴적물의 재 분산이 어려워지고 교반 또는 수동 흔들림이 필요합니다. - Ti 3 C2 MXene로 상급수집. 1시간 동안 2,550 x g에서 원심분리 단계를 따르는 상층을 수집하여 단일 층에서 소수 층까지 플레이크를 분리하는 솔루션의 추가 크기 선택 및 최적화를 수행합니다.
- 용액 저장: MXene 잉크를 장기간 보관할 수 있도록포장(그림 1D)
- 아르곤 은 아르곤 밀봉 헤드 스페이스 바이알 (주사기를 통해 전송)에 포장하기 전에 30 분 동안 용액을 거품. 수명을 보장하기 위해 고농도(>5 mg/mL) 및 햇빛으로부터 멀리 떨어진 저온(≤5°C)에서 솔루션을 보관하십시오.
2. Ti3C2 MXene 마이크로 전극 어레이의 제조
참고: 이 섹션에 설명된 절차는 펜실베니아 대학의 Singh Nano technology 센터와 같은 표준 대학 클린룸 시설 내에서 사용하기 위한 것입니다. 이 시설과 유사한 시설은 국립 과학 재단 (NSF)이 지원하는 국립 나노 기술 인프라 네트워크 (NNIN)의 일환으로 외부 사용자가 접근 할 수 있습니다. 이러한 시설에서는 이 섹션에 설명된 많은 도구, 장비 및 자재가 클린룸 시설에 대한 액세스와 함께 제공되며 별도의 구매가 필요하지 않습니다.
주의: MXene 전극 제조에 사용되는 많은 화학 물질은 포토레지스트, RD6 개발자, 리무버 PG, 알루미늄 에칭 솔루션 및 완충된 산화물 에칭을 포함하여 유해합니다. 사용 전에 이러한 화학 물질에 대해 MSDS에 문의하고 항상 적절한 안전 조치를 시행하고 따르십시오. 모든 화학 물질은 연기 후드에서 처리해야합니다.
- 깨끗한 Si 웨이퍼에 파릴렌-C의 4 μm 두께의 바닥층을 침전시한다(도 2A참조).
- 제1 포토마스크(mask-1)를 사용하여 디바이스의 금속 상호연결뿐만 아니라 웨이퍼 의 가장자리 주위의 금속 링을 정의하여 이후의 리프트 오프 단계를 돕습니다(그림2B).
- 스핀 코트 NR71-3000p를 3,000 rpm에서 40초 동안 웨이퍼에 돌판에 넣고 95°C에서 14.5분 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 굽습니다.
- 웨이퍼와 마스크-1을 마스크 얼라이너에 로드합니다. 포토마스크의 링이 웨이퍼의 모든 가장자리와 겹치도록 웨이퍼를 배치합니다.
- 90 mJ / cm2의용량으로 i 라인 (365 nm 파장)으로 노출하십시오. 115 °C에서 1 분 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 하드 베이킹합니다.
- 웨이퍼를 RD6 개발자에게 2분 동안 담그고 솔루션을 지속적으로 교반합니다. DI H2O로 철저히 헹구고 N2 건으로 건조시십시오.
- 전자 빔 증발기를 사용하여 10 nm Ti를 증착한 다음 웨이퍼에 100 nm Au를 증착합니다.
참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다. - 포토레지스트가 용해되고 여분의 금속이 완전히 벗겨질 때까지 ~10분 동안 리무버 PG에 웨이퍼를 담그고, Ti/Au는 원하는 상호 연결 트레이스와 웨이퍼 가장자리 주변의 링에만 남습니다. 리프트 오프가 완료되면, 원치 않는 금속의 남아있는 흔적을 제거하기 위해 30 s에 대한 초음파 처리. 먼저 클린 리무버 PG 용액으로 웨이퍼를 헹구고 DI H2O로 완전히 헹구고 N2 건으로 웨이퍼를 건조시다.
- 희생 파릴렌-C 층을 입금한다(그림2C).
- 웨이퍼를O2 플라즈마에 30s에 노출하여 기본 파릴렌-C 층을 친수성으로 렌더링합니다. 스핀 코트 2% 세정 용액(예를 들어, DIH2O에서 30초 동안 1,000 rpm)에서 웨이퍼상에 30초 동안 웨이퍼를 5분 이상 공기 건조시키십시오.
참고: 희석 비누 용액은 점착 방지 제 역할을 하여 희생 파릴렌-C 층이 나중에 벗겨질 수 있게 합니다. - 파릴렌-C의 3 μm를 웨이퍼에 증착한다.
- 웨이퍼를O2 플라즈마에 30s에 노출하여 기본 파릴렌-C 층을 친수성으로 렌더링합니다. 스핀 코트 2% 세정 용액(예를 들어, DIH2O에서 30초 동안 1,000 rpm)에서 웨이퍼상에 30초 동안 웨이퍼를 5분 이상 공기 건조시키십시오.
- 제2 포토마스크(mask-2)를 사용하여 웨이퍼의 가장자리 주위의 MXene 패턴과 링을 정의한다(도2D).
- 2.2.1-2.2.4 단계를 반복하면 이번에는 mask-2를 사용하여 노출 전에 웨이퍼와 포토 마스크 사이의 정렬 마크를 신중하게 정렬합니다.
- O2 플라즈마 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 포토레지스트가 다루지 않는 영역에서 희생 파릴렌-C 층을 에칭하여 Ti/Au 상호 연결및 웨이퍼 가장자리 주변의 링과 부분적으로 겹쳐야 하는 MXene 전극 및 트레이스를 정의합니다. profilometer를 사용하여 노출된 Ti/Au 상호 연결과 하단 파릴렌-C 층 사이의 프로파일을 측정하여 희생 파릴렌-C 층의 완전한 에칭을 확인합니다.
참고: 에칭이 완료되면 노출된 금속 표면의 프로파일이 매끄럽고 하단 parylene-C 레이어는 거칠고 부분적으로 에칭됩니다. 이 식각 단계는 배럴 애셔가 아닌 평면 식각 RIE 시스템에서 완료되어야 하며, 식각 시간 및 파라미터는 RIE 시스템에 크게 의존할 것입니다.
- MXene 용액을 웨이퍼에 스핀코팅합니다(그림 2E).
- 피펫 MXene 용액을 원하는 각 MXene 패턴에, 40s. 1,000 rpm에서 웨이퍼를 회전시고, 120°C 핫 플레이트상에서 웨이퍼를 10분 동안 건조하여 MXene 필름에서 잔류물을 제거합니다.
- 전자 빔 증발기를 사용하여 웨이퍼 에 50 nm SiO2를 증착하고, 후속 처리 단계를 위해 MXene 패턴 위에 보호 층으로서 작용한다.
참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다. - MXene 및 SiO2 층을 패턴화하는 희생 파릴렌-C 층을 제거합니다(도2F).
- 웨이퍼 가장자리에 DI H2O를 조금 떨어뜨리고 핀셋을 사용하여 웨이퍼 외부 링에서 가장자리가 정의되는 곳에서 시작하여 희생 파릴렌-C 층을 벗겨냅니다.
참고: 물은 희생 파릴렌-C 층 아래에 있는 비누 잔류물과 결합하여 이 리프트 오프를 가능하게 합니다. - DIH2O에서 웨이퍼를 완전히 헹구어 남은 세척액 잔여물을 제거합니다. N2 건으로 웨이퍼를 건조한 다음, 패턴MXene 필름으로부터 잔류수를 제거하기 위해 120°C 핫 플레이트에 1시간 동안 놓습니다.
- 웨이퍼 가장자리에 DI H2O를 조금 떨어뜨리고 핀셋을 사용하여 웨이퍼 외부 링에서 가장자리가 정의되는 곳에서 시작하여 희생 파릴렌-C 층을 벗겨냅니다.
- 4 μm 두께의 상부 층인 파릴렌-C(그림2G)를증착한다.
- 세 번째 포토마스크(mask-3)를 사용하여 전극 및 Au 본딩 패드(VIA)(그림2H)에대한 장치 윤곽선 및 개구부를 정의합니다.
- 2.2.1-2.2.4 단계를 반복하면 이번에는 mask-3을 사용하여 노출 전에 웨이퍼와 포토 마스크 사이의 정렬 마크를 신중하게 정렬합니다.
- 전자 빔 증발기를 사용하여 웨이퍼에 100 nm Al을 증착합니다.
참고: 일반적인 증착 파라미터는 5 x 10-7 Torr의 기본 압력과 2 Å/s의 비율입니다. - 금속이 완전히 벗겨질 때까지 ~10 분 동안 리무버 PG에 웨이퍼를 담그고 Al은 전극과 접합 패드의 개구부로 장치를 덮습니다. 리프트 오프가 완료되면, 원치 않는 금속의 남아있는 흔적을 제거하기 위해 30 s에 대한 초음파 처리. 먼저 클린 리무버 PG 용액으로 웨이퍼를 헹구고 DI H2O로 완전히 헹구고 N2 건으로 웨이퍼를 건조시다.
- 파릴렌-C를 에칭하여 디바이스 윤곽을 패턴화하고 전극 및 Au 접합 패드(VIA)에 걸쳐 개구부를 패턴화한다(도2I). O2 플라즈마 RIE를 사용하여 장치를 둘러싼 파릴렌-C 층을 통해 에칭하고, MXene 전극 접점과 Au 본딩 패드를 모두 덮는 상부 파릴렌-C 층을 통해.
참고: 장치 간 웨이퍼에 파릴렌-C 잔류물이 남아 있지 않은 경우 에칭이 완료됩니다. MXene를 덮는 SiO2 층은 에칭 스톱 층으로 작용하여 O2 플라즈마가 MXene 전극 접점으로 에칭하거나 손상되는 것을 방지합니다. - 알 에칭 타입 A에서 습식 화학 식각을 사용하여 장치를 덮는 Al 층을 10 분 동안 또는 Al의 모든 시각적 흔적이 사라졌을 때 1 분 동안, 둘 중 먼저 오는. SiO2는 습식 화학 식각을 이용하여 MXene 전극을 덮고 30s에 대해 6:1 완충산화물 에산트(BOE)를 덮는다(도2J).
참고: 이제 MXene 마이크로 전극 어레이가 완성되었습니다. - Si 기판 웨이퍼로부터 장치를 장치 가장자리에 DI H2O의 작은 방울을 놓고, 모세관 작용에 의해 물이 그 아래에 사악해짐에 따라 장치를 부드럽게 벗겨냅니다(그림2K 및 그림 3).
3. 어댑터 건설 및 인터페이싱
참고: 이 시점에서 박막 마이크로전극 어레이는 전기생리학 기록 시스템에 연결하려면 어댑터와 인터페이스해야 합니다. 이 프로토콜에 사용되는 RHS2000 16-ch 스팀/레코드 헤드스테이지(표)가있는 128ch 자극/레코딩 컨트롤러는 18핀 커넥터 A79039-001과 호환되는 커넥터를 통해 입력해야 합니다. 이 섹션에서는 마이크로 전극 어레이의 Au 본딩 패드와 인터페이싱을 위한 제로 삽입력(ZIF) 커넥터가 있는 인쇄 회로 기판(PCB, 그림 4A)을사용하며, 커넥터 A79040-001은 기록 시스템의 헤드 스테이지와 인터페이싱합니다. 데이터 수집 시스템에 따라 PCB에서 다양한 커넥터를 사용하여 전기 생리학 헤드스테이지와 인터페이싱할 수 있습니다.
- Omnetics 및 ZIF 커넥터를 PCB의 각 접촉 패드에 솔더 페이스트의 박막필름을 적용하고, 부품을 적절한 위치에 배치하고, 솔더가 연결체를 형성하기 위해 리플로우될 때까지 핫 플레이트에 가열하여 PCB에 솔더링합니다(그림4B).
참고 : 리플로우 납땜은 핫 플레이트 또는 토스터 오븐에서 매우 쉽게 수행 할 수 있으며 비용이 많이 드는 리플로우 오븐을 사용할 필요가 없습니다. - MXene 마이크로 전극 어레이의 Au 본딩 패드 영역의 뒷면에 폴리이미드테이프(재료 표)의두 층을 적용하여 ZIF 커넥터에 고정될 수 있는 충분한 두께를 장치에 부여합니다. 테이프를 바른 후 면도날 또는 정밀 가위를 사용하여 parylene-C 장치의 가장자리를 넘어 서 있는 여분의 부분을 다듬습니다(그림4C).
- 검사 범위 에서 또는 돋보기 사용, Au 본딩 패드ZIF 커넥터 내부의 핀에 정렬되도록 ZIF 커넥터에 MXene 마이크로 전극 배열을 정렬 한 다음 보안 연결을 형성하기 위해 ZIF를 닫습니다(그림 4D, E).
참고: 여기에 사용된 ZIF 커넥터는 18채널 커넥터이며 여기에 사용된 장치에는 16개의 채널이 있습니다. 추가 비접촉 채널은 레코딩 세션 중에 임피던스 테스트를 통해 개방 회로로 쉽게 식별됩니다. - PCB 어댑터에 성공적으로 제작 및 연결을 보장하기 위해 전위치를 사용하여 MXene 전극의 전기 화학 적 임피던스를 테스트합니다.
참고: 문제 해결을 돕기 위해 토론 섹션에 적절한 임피던스 값이 제공됩니다.
4. 급성 이식 및 신경 기록
참고 : 성인 남성 Sprague Dawley 쥐에 대한 수술은 멸균 기구와 무균 기술을 사용하여 수행됩니다. 호흡 속도, palpebral 반사 및 페달 핀치 반사는 마취의 깊이를 모니터링하기 위해 10 분마다 검사됩니다. 체온은 가열 패드로 유지됩니다.
- 선제 진통을 관리 (buprenorphine 서방 방출의 피하 주입 [SR], 1.2 mg/kg).
- 마취 를 관리 (60 mg / kg 케타민과 0.25 mg / kg 덱스 메데토 미딘의 혼합물의 복강 내 주입).
- 팔목과 페달 핀치 반사신경이 없는지 확인하여 실험 기간 동안 10분마다 적절한 수준의 마취를 확인합니다.
- 입체 적 프레임에 쥐를 고정, 눈에 안구 윤활유를 적용하고, 10 % 포비동 요오드로 깨끗한 면도 두피.
- 기본 조직의 단일 중간 선 두피 절개 및 무딘 해부로 calvaria를 노출하십시오.
- 00-90 나사를 두개골에 넣고 녹음을 위한 토대역할을 합니다.
- 작은 버와 치과 드릴을 사용하여 원하는 피질 기록 사이트에서 개두체를 만듭니다.
- 어레이 커넥터를 입체 연결 조작기에 고정하고 장치를 개두술 위에 배치합니다. 전체 배열이 노출된 피질과 접촉할 때까지 부드럽게 낮춥습니다.
- 두개골 나사 주위에 접지 와이어를 감싸.
- 레코딩 시스템 헤드스테이지를 어레이에 연결하고 자발적인 활동을 기록하기 시작합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
MXene 마이크로 전극 어레이에 기록된 샘플 마이크로-ECoG 데이터는 그림 5에나타내고 있습니다. 피질에 전극 어레이를 적용한 후, 모든 MXene 전극에 약 1mV 진폭 ECoG 신호가 나타나는 기록 전극에서 명확한 생리학적 신호가 즉시 명백해졌습니다. 이 신호의 전력 스펙트럼은 케타민 덱스메데토미딘 마취 하에 쥐에서 흔히 관찰되는 두 가지 뇌 리듬의 존재를 확인했습니다: 1-2 Hz 느린 진동 및 40-70 Hz에서 γ 진동. 부가적으로, 느린 진동의 "다운" 상태 동안의 시그니처 광대역 전력 감쇠, 및 선택적 β 밴드(15−30 Hz) 및 γ-밴드(40−120 Hz) 전력 증폭 동안 "업" 상태의 느린 진동이 관찰되었다. 결과는 연구에서 사용된 동물 종, 표적 뇌 영역, 마취 유형 및 마취 투여 이후 경과 시간에 따라 달라질 수 있다.
그림 1: MXene 합성 절차를 묘사하는 회로도. (A)Ti3AlC2 MAX는 선택적 에칭 용액(HF, HCl 및 DIH2 O)에첨가되어 알루미늄(Al)을 제거한다. (B)DIH2O를 사용하여 중성 pH에 에칭 용액을 세척한 후, 다층Ti3C2를 얻었다. 다층 Ti3C2는 염화리튬(LiCl)의 수성 용액으로부터Li+와 인터클로드된다. (C) 세척 후 간반응, 퇴적물 팽윤은H2O. 팽윤의 교환을 나타내는 것으로 관찰된다 2. 부어 된 퇴적물의 교반 결과 각질 제거 (또는 박리) 단일 - H 2O. 크기 선택 및 다층 Ti3 C2 에서 MXene의 분리는 다층 Ti3C 2 및이 3단계에서 다층Ti2 에서 MXene의 분리. (D)Ti3C2 MXene 잉크는 주사기를 통해 아르곤 밀봉 헤드스페이스 바이알로 옮겨져 장기간 보관합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: MXene 마이크로 전극 어레이에 대한 제조 절차의 회로도. (a)바닥 파릴렌-C 층은 깨끗한 Si 웨이퍼 상에 증착된다. (B)Ti/Au(10 nm/100 nm) 전도성 트레이스는 포토리소그래피, 전자빔 증착 및 리프트 오프를 통해 패턴화됩니다. (C)DIH2O에서 1% 세정제의 항접착층을 도포하고, 희생파릴렌-C층의 증착이 뒤따른다. (D)희생 파릴렌-C 층은 포토리소그래피 및O2 RIE 에칭을 통해 패턴화된다. (E)Ti3C2 MXene은 웨이퍼 에 스핀 코팅되고, 그 다음에 SiO2의50 nm의 전자 빔 증착이 뒤따른다. (F)희생 파릴렌-C 층이 벗겨지고, 세정액의 잔여물이 헹구고, 웨이퍼가 건조하게 구워졌다. (G)상단 파릴렌-C 층이 증착됩니다. (H)Al 식각 마스크 레이어는 포토리소그래피, e-빔 증착 및 리프트 오프를 통해 패턴화되어 VI 및 장치 윤곽선을 정의합니다. (I)전극 접자 및 주변 장치를 통해 Parylene-C는 O2 RIE를 통해 멀리 에칭됩니다. (J)알 에칭 마스크와 MXene 위에 SiO2 보호 층은 젖은 식각 공정을 통해 멀리 에칭됩니다. (K)완성된 장치가 웨이퍼에서 해제됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: MXene 마이크로 전극 어레이의 사진 및 광학 현미경 이미지. (A)14개의 완성된 MXene 마이크로 전극 어레이를 포함하는 3인치 Si 웨이퍼의 사진. 웨이퍼의 바깥쪽 가장자리 주위에 있는 골드 링은 2.7 단계를 효과적으로 수행하는 데 유용합니다. (B)광 현미경 이미지는 MXene 마이크로 전극의 어레이를 나타내는 소량의 DIH2O.(C)광학 현미경 이미지를 사용하여 웨이퍼로부터 완성된 장치의 박리를 시상하는 것을 보여준다. (D)개별 MXene 전극의 광학 현미경 이미지. 배율 막대 = 1cm, 3mm, 500 μm, 20 μm(왼쪽에서 오른쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: MXene 마이크로 전극 어레이를 어댑터 보드와 인터페이싱합니다. (A)Omnetics 및 ZIF 커넥터를 납땜하기 위한 패드가 있는 PCB. (B)Omnetics 및 ZIF 커넥터의 납땜 후 PCB. (C)장치의 Au 본딩 패드의 뒷면에 폴리이미드 층을 첨가하여 ZIF 커넥터에 충분한 두께를 제공합니다. 폴리이미드의 두 레이어가 추가되고(위쪽) 가장자리(아래쪽)를 중심으로 트리밍됩니다. (D)MXene 마이크로 전극 어레이가 ZIF 커넥터에 삽입되어 적절한 정렬을 제공합니다. (E)어댑터 보드에 연결되고 기록 실험을 위해 준비된 MXene 마이크로 전극 어레이의 상단 보기. 배율 막대 = 2mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 대표적인 신경 기록 결과. (A)마취 된 쥐의 피질 표면에 마이크로 ECoG 배열의 배치 그림. (B)9개의 전극에 대해 표시된 기록된 피질 활성의 세그먼트. 느린 진동 (1-2 Hz)의 트로프에 따라 가설 피질 "다운"상태는 빨간색 원으로 표시됩니다. (C)각 레코딩 채널에 대한 전력 스펙트럼 밀도. (D)대표적인 마이크로 ECoG 채널에 대한 상태 트리거 스칼라그램 "다운". 참고 "다운" 상태 및 선택적 β 밴드(15−30 Hz) 및 γ-대역(40−120 Hz) 전력 증폭 동안 "다운" 상태 동안 광대역 전력 감쇠는 "업" 상태입니다. 오버레이된 검은색 추적은 평균 느린 진동을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
본 프로토콜에 기재된 MXene 합성 및 박리 절차(HF/HCl/LiCl)는 LiF/HCl(인 시투 HF) 에칭 배지26을채택한 MILD 에칭 접근법으로부터 구축되었다. MILD 접근법은 큰 Ti3C2 플레이크(측면 크기의 여러 μm)가 한 번 pH~5−6이 달성된 후 세척 하는 동안 자발적으로 침화될 수 있도록 한다. HF만으로도 에칭하는 것과 비교하면 전자 전도도 및 화학적 안정성과 같은 품질이 향상되고 재료 특성이 향상됩니다. HF/HCl/LiCl 방법은 MILD 합성 개선을 활용하는 동시에 각 단계(에칭, 인터칼레이션 및 박리)를 추가로 분리하여 사용자 제어를 강화합니다.
1.1단계에서 는 원자재(TiC, Al, Ti), 온도, 온도 램프 속도 및 시간의 비율이 올바른 MAX 단계를 달성하는 데 매우 중요합니다. 에칭 하기 전에 MAX 위상의 체질 더 균일 한 에칭을 보장 합니다. 에칭성 매체에 MAX 상(1.2단계)을 첨가하는 것은 과열을 방지하기 위해 천천히 진행되어야 하며 MAX 1 g당 5분의 일반적인 규칙이 제안된다. 과열이 문제가 되면 Ti3AlC2 MAX 위상을 추가하는 동안 얼음 욕조를 사용해야 합니다. 중성 pH(1.3단계)에 에칭 반응을 세척할 때, 원심분리 후 각 산상체는 투명해야 한다. 원심분리 후 상급물질이 어둡거나 녹색으로 희석되면 원심분리 시간 및/또는 퇴적물 물질의 속도를 늘립니다. H2O에 LiCl을 첨가하면 발열성이 있기 때문에, 약간의 가열이 발생한다(단계 1.4). 이 절차에서, 인터칼레이션 시간(단계 1.4)은 12시간이지만, 수정되거나 15분으로 단축될 수 있다. 박리의 질 (단계 1.5)은 세척 중에 사용되는 물의 양과 교반 정도에 따라 다릅니다. 이 단계에서 디칸트된 상피제는 투명하지 않고 희석될 수 있다. 물질의 침전이 도전이 될 경우, 원심 분리기 속도 / rcf를 증가하는 데 사용되어야한다. 다분산 시료를 피하기 위해 원심분리(1.5단계)로 분리 및 크기 선택을 수행하는 것이 중요합니다. 이 단계를 수행하지 않으면 Ti3AlC2 MAX 상 오염 및 대형 다층 Ti3C2 입자를 모두 가지는잉크가 생성됩니다. 1.6 단계에서는 바이알의 헤드스페이스 볼륨을 최소화하는 것이 중요합니다.
MXene 마이크로 전극 어레이를 제조하는 동안 작동하는 고품질 전극을 생산하는 데 필수적인 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 제1 포토마스크는 웨이퍼의 바깥쪽 가장자리(단계 2.2)를 중심으로 패턴화된 금속 링이 되도록 설계하고, 제2 포토마스크는 희생층을 제거하는 데 도움을 주는 희생 파릴렌-C(step 2.4) 층을 통해 에칭될 상응하는, 약간 더 큰 직경의 링이 되도록 한다. 이 링이 없으면 2.7단계에서 희생 파릴렌-C 층을 박리하기 시작하는 가장자리를 확립하는 것이 어려울 수 있습니다. 단계 2.3 동안, 희석 된 세정 용액이 제대로 젖은 웨이퍼에 부착 할 수 있도록 O2 플라즈마에 웨이퍼를 노출하는 것이 중요하다. 이 단계를 수행하지 않으면 웨이퍼 영역이 접착 방지 층을 축적하지 않게 되어 2.7단계에서 희생 파릴렌-C 층의 제거가 불가능하게 됩니다. 2.7 단계에서 희생 파릴렌-C 층을 제거하는 동안, 바닥 parylene-C 층을 긁거나 손상시키지 않도록주의하는 것이 중요합니다, 이것은 바닥 parylene-C와 시 웨이퍼 사이의 기포 형성으로 이어질 수 있으므로, 및 후속 박리. 희생 파릴렌-C 층이 쉽게 박리되지 않는 경우, 약간 더 농축된 세정용액(DI에서 4%)을 단계 2.3.1에서 사용할 수 있거나, 2.3.1단계에서O2 플라즈마 노출을 연장하여 기본 파릴렌-C 층의 친수성을 향상시킬 수 있다.
제작이 완료된 후 MXene 장치를 커넥터 보드와 적절하게 인터레이싱하는 것이 필수적입니다. 3.2단계에서 폴리이미드 테이프 2층을 추가하는 것은 ZIF 커넥터에 삽입하기에 적절한 두께를 보장하는 데 필수적이지만 테이프가 추가되는 동안 얇은 parylene-C 장치의 우발적인 접기 또는 구겨짐을 피하기 위해 주의를 기울여야 합니다. 그 후, MXene 장치에 Au 본딩 패드를 ZIF 커넥터 내부의 핀과 적절히정렬(그림 4D)은견고한 연결을 형성하는 데 필수적입니다(단계 3.3). 이 단계에서 MXene 전극의 임피던스를 측정하는 것은 문제 해결에 도움이 됩니다. 50 μm x 50 μm square MXene 전극은 1x PBS에서 1 kHz의 주파수에서 50 kΩ 에 가까운 임피던스 크기를 가져야하며, 25 μm 직경의 원형 MXene 전극은 동일한 매개 변수36에서200 kΩ 에 가까운 임피던스 크기를 가져야합니다. 이보다 훨씬 큰 임피던스는 전극이 ZIF 커넥터에 제대로 연결되지 않았거나 MXene 전극이 노출되지 않았다는 것을 나타낼 수 있으며, 상부 파릴렌-C 층이 2.10단계에서 완전히 에칭되지 않았거나 SiO2 보호 층이 2.11단계에서 완전히 에칭되지 않은 경우 발생할 수 있습니다.
이 방법의 한 가지 제한은 MXene 필름 두께의 가변성이며, 이는 때때로 MXene을 웨이퍼 상에 스핀 캐스팅 한 후에 관찰됩니다. 전극이 더 큰 영역으로 확장되면 이러한 가변성이 더욱 두드러질 수 있습니다. 이러한 한계는 스핀 코팅 대신 분무 코팅을 활용하여 MXene을 웨이퍼에 적용함으로써 쉽게 극복할 수 있으며, MXene 및 이 프로토콜이호환되는또 다른 간단하고 저렴한 솔루션 처리 방법을 나타냅니다.
여기에 설명된 프로토콜은 신경 과학과 더 큰 바이오 일렉트로닉스 분야에서 흥미로운 새로운 기회를 제시합니다. 오랫동안 신경 마이크로 전극에 탄소 기반 나노 물질을 활용하는 데 관심이 있었지만 Ti3C2 MXene을 이러한 전극에 통합하면 다른 탄소 기반 나노 물질보다 훨씬 간단하고 높은 처리량의 제조가 가능해졌습니다. 또한 Ti3C2 MXene의 뛰어난 특성은 크기에 따라 현저하게 낮은 임피던스로 전극을 부여하여 감도와 신호 품질을 향상시입니다. 문헌의 성장체는 또한 마이크로컨택트프린팅(40,잉크젯 인쇄41,42,및 자동 메스 조각43)을포함하여 미래에 MXene 마이크로 전극을 제조하기 위해 적응될 수 있는 마이크로패킹 MXene에 대한 여러 가지 방법을 설명한다. 다양한 바이오센싱 애플리케이션을 위해 임의의 크기와 형상의 Ti3C2 MXene 전극을 제작하기 위해 이 프로토콜을 확장할 수 있는 잠재력이 존재합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작품은 건강의 국가 학회에 의해 지원되었다 (부여 없음. R21-NS106434), 간질 연구를 위한 시민 연합 비행 상, 미로스키 가족 재단 과 닐과 바바라 스미트 (F.V.); 국립과학재단 대학원 연구 동호회 프로그램(교부금 없음. DGE-1845298 - N.D. 및 B.M.); 육군연구실(협력계약번호 W911NF-18-2-0026~K.M.); 그리고 에지우드 화학 생물학 센터에서 표면 과학 이니셔티브 프로그램을 통해 미국 육군에 의해 (PE 0601102A 프로젝트 VR9 Y.G. 및 K.M.). 이 작업은 국립 과학 재단 국립 나노 기술 조정 인프라 프로그램 (NNCI-1542153)에 의해 지원되는 나노 기술에 대한 싱 센터에서 부분적으로 수행되었다.
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 |
References
- Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001 (2011).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2017).
- Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8 (2014).
- Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).
- Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21 (40), 3970-4004 (2009).
- 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).
- Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31 (19), 5169-5181 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50 (1), 3-33 (2012).
- Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28 (12), 1700905 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098 (2017).
- Anasori, B., Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
- Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23 (37), 4248-4253 (2011).
- Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29 (18), 7633-7644 (2017).
- 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).
- Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105 (2017).
- Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).
- Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).
- 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).
- Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29 (36), 1702678 (2017).
- 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).
- 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).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12 (10), 10419-10429 (2018).
- Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25 (15), 2135-2139 (2013).
- 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).
- Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1600050 (2016).
- Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28 (17), 3333-3339 (2016).
- Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10 (1), 1795 (2019).
- 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).
- 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).
