Vi beskriver her en metode for å fabrikkere Ti3C2 MXene mikroelektrode arrayer og utnytte dem for in vivo nevrale opptak.
Implanterbare mikroelektrodeteknologier har blitt mye brukt til å belyse nevrale dynamikker på mikroskalaen for å få en dypere forståelse av nevrale underbyggelse av hjernesykdom og skade. Ettersom elektroder miniatyriseres til omfanget av individuelle celler, begrenser en tilsvarende økning i grensesnittimpedansen kvaliteten på registrerte signaler. I tillegg er konvensjonelle elektrodematerialer stive, noe som resulterer i en betydelig mekanisk mismatch mellom elektroden og det omkringliggende hjernevevet, noe som fremkaller en inflammatorisk respons som til slutt fører til en nedbrytning av enhetens ytelse. For å løse disse utfordringene har vi utviklet en prosess for å fremstille fleksible mikroelektroder basert på Ti3C2 MXene, et nylig oppdaget nanomateriale som besitter bemerkelsesverdig høy volumetrisk kapasitans, elektrisk ledningsevne, overflatefunksjonalitet og prosessabilitet i vandige dispersjoner. Fleksible arrayer av Ti3C2 MXene mikroelektroder har bemerkelsesverdig lav impedans på grunn av høy ledningsevne og høyt spesifikt overflateareal av Ti3C2 MXene-filmene, og de har vist seg å være utsøkt følsomme for opptak av nevronal aktivitet. I denne protokollen beskriver vi en ny metode for mikromønster Ti3C2 MXene i mikroelektrodearrayer på fleksible polymeriske substrater og skisserer bruken for in vivo mikroelektrocorticography opptak. Denne metoden kan enkelt utvides til å lage MXene elektrode arrays av vilkårlig størrelse eller geometri for en rekke andre applikasjoner i bioelektronikk, og det kan også tilpasses for bruk med andre ledende blekk i tillegg til Ti3C2 MXene. Denne protokollen muliggjør enkel og skalerbar fabrikasjon av mikroelektroder fra løsningsbaserte ledende blekk, og gjør det spesielt mulig å utnytte de unike egenskapene til hydrofile Ti3C2 MXene for å overvinne mange av barrierene som lenge har hindret den utbredte innføringen av karbonbaserte nanomaterialer for høy-fidelity nevrale mikroelektroder.
Å forstå de grunnleggende mekanismene som ligger til grunn for nevrale kretser, og hvordan deres dynamikk endres i sykdom eller skade, er et kritisk mål for å utvikle effektive terapeutiske midler for et bredt spekter av nevrologiske og nevromuskulære lidelser. Mikroelektrodeteknologier har blitt mye brukt til å belyse nevrale dynamikker på fine romlige og timelige skalaer. Men å skaffe stabile opptak med høyt signal-til-støy-forhold (SNR) fra mikroskalaelektroder har vist seg å være spesielt utfordrende. Etter hvert som dimensjonene til elektrodene reduseres for å nærme seg mobilskala, forringer en tilsvarende økning i elektrodeimpedanssignalkvalitet1. I tillegg har mange studier vist at stive elektroder bestående av konvensjonelle silisium og metall elektroniske materialer gir betydelig skade og betennelse i nevrale vev, noe som begrenser deres nytte for langsiktig opptak2,3,4,5. Gitt disse fakta, det har vært betydelig interesse i å utvikle mikroelektroder med nye materialer som kan redusere elektrode-vev grensesnitt impedans og kan innlemmes i myke og fleksible formfaktorer.
En vanlig brukt metode for å redusere elektrodevevsgrensesnittets impedans øker området over hvilke ioniske arter i den ekstracellulære væsken kan samhandle med elektroden, eller det “effektive overflateområdet” av elektroden. Dette kan oppnås gjennom nanopatterning6, overflate roughening7,eller elektroplating med porøse tilsetningsstoffer8,9. Nanomaterialer har fått betydelig oppmerksomhet på dette feltet fordi de tilbyr iboende høye spesifikke overflateområder og unike kombinasjoner av gunstige elektriske og mekaniske egenskaper10. For eksempel har karbonnanorør blitt brukt som et belegg for å redusere elektrodeimpedansen11,12,13, grafenoksid har blitt behandlet til myke, fleksible frittstående sondeelektroder14,og laserpyrolyserte porøse grafen er benyttet for fleksible, lavimpedans mikro-elektrocorticography (mikro-ECoG) elektroder15. Til tross for deres løfte har mangel på skalerbare monteringsmetoder begrenset den utbredte innføringen av nanomaterialer for nevrale grensesnittelektroder. Karbonbaserte nanomaterialer er spesielt hydrofobe, og krever dermed bruk av overflateaktive stoffer16,supersyrer17eller overflatefunksjonalisering18 for å danne vandige dispersjoner for løsningsprosesseringsfabrikasjonsmetoder, mens alternative metoder for fabrikasjon, for eksempel kjemisk dampdeponering (CVD), vanligvis krever høye temperaturer som er uforenlige med mange polymere substrater19,20,21 ,22.
Nylig har en klasse av todimensjonale (2D) nanomaterialer, kjent som MXenes, blitt beskrevet som gir en eksepsjonell kombinasjon av høy ledningsevne, fleksibilitet, volumetrisk kapasitans og iboende hydrofilitet, noe som gjør dem til en lovende klasse av nanomaterialer for nevrale grensesnittelektroder23. MXenes er en familie av 2D overgang metall karbider og nitrider som er oftest produsert ved selektivt etsing A-elementet fra lagdelte forløpere. Dette er vanligvis MAX-faser med den generelle formelen Mn+1AXn, der M er et tidlig overgangsmetall, A er et gruppe 12-16-element i den periodiske tabellen, X er karbon og/eller nitrogen, og n = 1, 2 eller 324. Todimensjonale MXene flak har overflateavsluttende funksjonelle grupper som kan omfatte hydroksyl (−OH), oksygen (−O) eller fluor (−F). Disse funksjonelle gruppene gjør MXenes iboende hydrofil og muliggjør fleksibel overflatemodifisering eller funksjonalisering. Av den store klassen av MXenes har Ti3C2 vært den mest omfattende studerte og karakteriserte25,26,27. Ti3C2 viser bemerkelsesverdig høyere volumetrisk kapasitans (1500 F /cm3)28 enn aktivert grafen (~ 60−100 F/cm3)29, karbidavledet karboner (180 F / cm3)30,og grafen gel filmer (~ 260 F / cm3)31. Videre viser Ti3C2 ekstremt høy elektronisk ledningsevne (~ 10.000 S / cm)32, og dens biokompatibilitet har blitt vist i flere studier33,34,35,36. Den høye volumetriske kapasitansen til Ti3C2-filmer er en fordel for biologiske sensing- og stimuleringsapplikasjoner, fordi elektroder som viser kapasitive ladeoverføring, kan unngå potensielt skadelige hydrolysereaksjoner.
Vår gruppe har nylig vist fleksible, tynnfilm Ti3C2 mikroelektrode arrays, utarbeidet ved hjelp av løsningsbehandlingsmetoder, som er i stand til å registrere både mikro-elektrocorticography (micro-ECoG) og intrakortikal neuronal spiking aktivitet in vivo med høy SNR36. Disse MXene elektrodene viste betydelig redusert impedans sammenlignet med størrelsestilpassede gull (Au) elektroder, som kan tilskrives den høye ledningsevnen til MXene og det høye overflatearealet av elektrodene. I denne protokollen beskriver vi de viktigste trinnene for å fabrikkere planar mikroelektrodearrayer av Ti3C2 MXene på fleksible paryl-C-substrater og bruk dem på vivo for intraoperativ mikro-ECoG-opptak. Denne metoden utnytter den hydrofile naturen til MXene, noe som gjør det mulig å bruke løsningsbehandlingsmetoder som er enkle og skalerbare, samtidig som den ikke krever bruk av overflateaktive stoffer eller supersyrer for å oppnå stabile vandige suspensjoner. Denne enkle prosessen kan muliggjøre kostnadseffektiv produksjon av MXene biosensorer i industrielle skalaer, noe som har vært en stor begrensning for den utbredte innføringen av enheter basert på andre karbonnanomaterialer. Den viktigste innovasjonen i elektrodefabrikasjonen ligger i bruk av et offerpolymerlag for å mikromønstre MXene etter spin-belegg, en metode tilpasset fra litteratur om løsningsbehandlet poly(3,4-etyledioxythiophene):poly(styren) (PEDOT:PSS) mikroelektroder37, men som ikke tidligere hadde blitt beskrevet for mønstermxen. De eksepsjonelle elektriske egenskapene til Ti3C2, kombinert med sin processability og 2D morfologi gjør det til et svært lovende materiale for nevrale grensesnitt. Spesielt tilbyr Ti3C2 en rute mot å overvinne den grunnleggende avveiningen mellom elektrodegeometrisk område og elektrokjemisk grensesnittimpedans, en primær begrensende faktor for mikroskala elektrodeytelse. I tillegg kan fabrikasjonsprosedyren som er beskrevet i denne protokollen tilpasses for å produsere MXene elektrodearrayer av varierende størrelser og geometrier for ulike opptaksparadigmer, og kan også enkelt tilpasses for å innlemme andre ledende blekk i tillegg til MXene.
MXene-syntesen og dellamineringsprosedyren som er beskrevet i denne protokollen (HF/HCl/LiCl), ble bygget fra MILD etsningsmetoden som brukte en LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26. MILD-tilnærmingen gjør det mulig for store Ti3C2 flak (flere μm i lateral størrelse) som spontant kan dellegges under vasking når pH ~ 5−6 er oppnådd. Sammenlignet med etsing med HF alene, resulterer dette i materiale med høyere kvalitet og forbedrede materialegenskaper, som elektronisk…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av National Institutes of Health (grant no. R21-NS106434), Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, Mirowski Family Foundation og Neil og Barbara Smit (F.V.); National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (tilskuddsnr. DGE-1845298 til N.D. og B.M.); Hærens forskningskontor (Samarbeidsavtale nummer W911NF-18-2-0026 til K.M.); og av den amerikanske hæren via Surface Science Initiative Program ved Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 til Y.G. og K.M.). Dette arbeidet ble utført delvis ved Singh Center for Nanotechnology, som støttes av National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).
00-90 screw | McMaster-Carr | 90910A630 | Skull screw around which ground wire is wrapped |
128ch stimulation/recording controller | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes | Falcon | REF: 352076 | Used for washing |
18 position 0.5 mm pitch ZIF connector | Molex | 505110-1892 | Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board. |
18 position dual row male nano-miniature (.025"/.64mm) connector | Omnetics Connector Corporation | A79008-001 | Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage. |
3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes | Rienar | Rienar-3ML-20PCS | Used for transferring etchant or MXene solutions |
50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube | Falcon | REF: 352070 | Used for washing and size selection |
Al etchant Type A | Transene | 060-0026000-QT | For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch. |
Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size < 44 µm | Alfa Aesar | CAS: 7429-90-5 | Used for MAX synthesis |
AutoCAD software | Autodesk Inc. | Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor. | |
Buffered Oxide Etchant 6:1 | JT Baker | 1178-03 | For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure. |
Buprenorphine SR | Wildlife Pharmaceuticals | Analgesia for rat surgery | |
Centrifuge | Hermle | Benchmark Z 446 | Used for washing and size selection |
Dexdomitor | Midwest Veterinary Supply | 193.13250.3 | Anesthesia for rat surgery |
Drill burr | Fine Science Tools | 19007-07 | Burrs for drill |
Electric drill | Foredom | K.1070 | Micromotor drill for craniotomies |
Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker Company | Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
Ground wire | A-M Systems | 781500 | Bare silver wire |
Headspace Vial, glass | Supelco | REF: 27298 | Used for storing MXene solutions |
Hydrochloric acid (12.1N) | Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0 | Corrosive; etchant material |
Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O) | Acros | CAS: 7664-39-3 | Etchant material |
Jupiter II RIE system | March Plasma Systems Inc. | Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system. | |
Kapton standard polyimide tape, 1/4" | DuPont | Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector. | |
Ketamine | Hospital of the Univ. of Penn. | Anesthesia for rat surgery | |
KLA P-7 Stylus Profilometer | KLA Corporation | Used the measure 2D profiles to confirm complete etching through the sacrificial parylene-C layer in step 2.4.2. Most university clean rooms have this or a comparable stylus profilometer tool. | |
Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous | Acros | CAS: 7447-41-8 | Hygroscopic; delamination material |
MA6 mask aligner | Karl Suss Microtec AG | Used to align each photomask to the pattern on the wafer and expose the wafer to UV light. Most university clean rooms have this or a similar tool. | |
Micro-90 cleaning solution | International Products Corporation | M-9050-12 | Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene |
NR71-3000p photoresist | Futurrex Inc. | NR71-3000p | Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices. |
Ophthalmic ointment | Midwest Veterinary Supply | 193.63200.3 | To prevent corneal drying during surgery |
Parylene deposition system | Specialty Coating Systems | Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C | |
Parylene-C dimer | Specialty Coating Systems | 980130-c-01lbe | Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices |
Photomasks (chrome on soda lime glass) | University of Pennsylvania | Our photomasks were produced in the University clean room using a Heidelberg DWL66+ laser writer system, however several vendors manufacture photomasks from provided design files. | |
Povidone-iodine solution | Medline | MDS093901 | To help prevent infection around scalp incision |
Printed Circuit Board (PCB) | Advanced Circuits | Used to interface between the MXene electrode array and the measurement electronics such as the potentiostat and the Intan recording system. Advanced Circuits and other vendors manufacture and assemble PCBs based on the provided design files. | |
RD6 Developer | Futurrex Inc. | RD6 Developer | Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure |
Reference 600 potentiostat | Gamry Instruments | Used to measure the electrodes' impedance to assess quality of the devices | |
Remover PG | MicroChem Corp. | G050200 | Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning |
RHS2000 Stim SPI interface cable | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
RHS2116 amplifier board | Intan Technologies | A component of the neural recording system. | |
Si wafers | Wafer World | 2885 | Substrate for fabrication |
Spin Coater | Cost Effective Equipment | For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters. | |
Stereotaxic frame | Kopf Instruments | Model 902 | For positioning the rat for neurosurgery |
Teflon-coated magnetic stir bar | Corning | REF: 1233W95 | Used to stir during etching and intercalation |
Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 µm | Alfa Aesar | CAS: 12070-08-5 | Used for MAX synthesis |
Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size < 44µm | Alfa Aesar | CAS: 7440-32-6 | Used for MAX synthesis |
Ultrasonic bath sonicator | Reynolds Tech | For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals. | |
UV vis spectrophotometer | ThermoScientific | Evolution 201 | Used to determine concentration and observe absorption peak |
Zetasizer, Particle Size Analysis | Malvern Panalytical | Nano ZS | Used to determine particle lateral size distibution |