مجموعة أدوات مفتوحة المصدر: مصفوفة الأقطاب الكهربائية الدقيقة من ألياف الكربون على الطاولة للتسجيل العصبي
Summary
هنا ، نصف منهجية التصنيع لمصفوفات أقطاب ألياف الكربون القابلة للتخصيص للتسجيل في الجسم الحي في الأعصاب والدماغ.
Abstract
يتم تصنيع مجسات الأعصاب الطرفية التقليدية في المقام الأول في غرف الأبحاث ، مما يتطلب استخدام العديد من الأدوات باهظة الثمن والمتخصصة للغاية. تقدم هذه الورقة عملية تصنيع “خفيفة” في غرف الأبحاث لمصفوفات الأقطاب الكهربائية العصبية المصنوعة من ألياف الكربون والتي يمكن تعلمها بسرعة من قبل مستخدم غرف الأبحاث عديم الخبرة. تتطلب عملية تصنيع مصفوفة قطب ألياف الكربون هذه أداة واحدة فقط في غرف الأبحاث ، وهي آلة ترسيب الباريلين C ، التي يمكن تعلمها بسرعة أو الاستعانة بمصادر خارجية إلى منشأة معالجة تجارية بتكلفة هامشية. تتضمن عملية التصنيع هذه أيضا لوحات الدوائر المطبوعة التي تملأ يدويا ، والعزل ، وتحسين الأطراف.
تؤدي تحسينات الأطراف الثلاثة المختلفة التي تم استكشافها هنا (ليزر Nd: YAG وموقد اللحام وليزر الأشعة فوق البنفسجية) إلى مجموعة من هندسات الطرف ومعاوقات 1 كيلو هرتز ، مع ألياف مشعلة تؤدي إلى أقل معاوقة. في حين أثبتت التجارب السابقة فعالية قطب الليزر وموقد اللحام ، تظهر هذه الورقة أيضا أن الألياف المقطوعة بالليزر بالأشعة فوق البنفسجية يمكنها تسجيل الإشارات العصبية في الجسم الحي. صفائف ألياف الكربون الحالية إما لا تحتوي على أقطاب كهربائية مخصصة لصالح الحزم أو تتطلب أدلة مصنعة في غرف الأبحاث للسكان والعزل. تستخدم المصفوفات المقترحة فقط الأدوات التي يمكن استخدامها على سطح الطاولة لسكان الألياف. تسمح عملية تصنيع مصفوفة الأقطاب الكهربائية المصنوعة من ألياف الكربون هذه بالتخصيص السريع لتصنيع الصفيف السائب بسعر مخفض مقارنة بالمجسات المتاحة تجاريا.
Introduction
يعتمد الكثير من أبحاث علم الأعصاب على تسجيل الإشارات العصبية باستخدام الفيزيولوجيا الكهربية (ePhys). هذه الإشارات العصبية ضرورية لفهم وظائف الشبكات العصبية والعلاجات الطبية الجديدة مثل آلة الدماغ والواجهات العصبية الطرفية1،2،3،4،5،6. تتطلب الأبحاث المحيطة بالأعصاب الطرفية أقطاب تسجيل عصبية مخصصة أو متاحة تجاريا. تتطلب أقطاب التسجيل العصبية – وهي أدوات فريدة ذات أبعاد على نطاق ميكرون ومواد هشة – مجموعة متخصصة من المهارات والمعدات لتصنيعها. وقد وضعت مجموعة متنوعة من المجسات المتخصصة لاستخدامات نهائية محددة؛ ومع ذلك ، فإن هذا يعني أنه يجب تصميم التجارب حول المجسات التجارية المتاحة حاليا ، أو يجب على المختبر الاستثمار في تطوير مسبار متخصص ، وهي عملية طويلة. نظرا للتنوع الواسع في الأبحاث العصبية في الأعصاب الطرفية ، هناك طلب كبير على مسبار ePhys متعدد الاستخدامات4،7،8. وسيضم مسبار ePhys المثالي موقعا صغيرا للتسجيل، ومقاومة منخفضة9، ونقطة سعر واقعية ماليا للتنفيذ في النظام3.
تميل الأقطاب الكهربائية التجارية الحالية إما إلى أن تكون أقطاب كهربائية خارج العصبون أو الكفة (Neural Cuff10 ، MicroProbes Nerve Cuff Electrode11) ، والتي تقع خارج العصب ، أو داخل اللفافة ، التي تخترق العصب وتجلس داخل اللفافة محل الاهتمام. ومع ذلك ، نظرا لأن أقطاب الكفة تجلس بعيدا عن الألياف ، فإنها تلتقط المزيد من الضوضاء من العضلات القريبة والكراسات الأخرى التي قد لا تكون الهدف. تميل هذه المجسات أيضا إلى انقباض العصب ، مما قد يؤدي إلى الحشف الحيوي – تراكم الخلايا الدبقية والأنسجة الندبية – في واجهة القطب الكهربائي أثناء شفاء الأنسجة. تضيف الأقطاب الكهربائية داخل اللفافة (مثل LIFE12 و TIME13 و Utah Arrays14) ميزة انتقائية الكراسة ولها نسب إشارة إلى ضوضاء جيدة ، وهو أمر مهم في تمييز الإشارات لتفاعل الآلات. ومع ذلك ، فإن هذه المجسات لديها مشاكل في التوافق الحيوي ، حيث تصبح الأعصاب مشوهة بمرور الوقت3،15،16. عند شرائها تجاريا ، يكون لكل من هذه المجسات تصميمات ثابتة مع عدم وجود خيار للتخصيص الخاص بالتجربة وهي مكلفة للمختبرات الأحدث.
استجابة لقضايا التكلفة العالية والتوافق الحيوي التي تقدمها المجسات الأخرى ، قد توفر أقطاب ألياف الكربون وسيلة لمختبرات علم الأعصاب لبناء مجسات خاصة بها دون الحاجة إلى معدات متخصصة. ألياف الكربون هي مادة تسجيل بديلة ذات عامل شكل صغير يسمح بإدخال منخفض الضرر. توفر ألياف الكربون توافقا حيويا أفضل واستجابة ندبة أقل بكثير من السيليكون17،18،19 بدون معالجة غرف الأبحاث المكثفة5،13،14. ألياف الكربون مرنة ومتينة ومدمجة بسهولة مع المواد الحيوية الأخرى19، ويمكن أن تخترق وتسجل من الأعصاب7,20. على الرغم من المزايا العديدة لألياف الكربون ، تجد العديد من المختبرات أن التصنيع اليدوي لهذه المصفوفات شاق. تجمع بعض المجموعات21 ألياف الكربون في حزم تؤدي مجتمعة إلى قطر أكبر (~ 200 ميكرومتر) ؛ ومع ذلك ، على حد علمنا ، لم يتم التحقق من هذه الحزم في الأعصاب. قام آخرون بتصنيع صفائف أقطاب ألياف الكربون الخاصة بهم ، على الرغم من أن أساليبهم تتطلب أدلة ألياف الكربون المصنعة في غرف الأبحاث 22،23،24 والمعدات اللازمة لملء صفائفهم17،23،24. لمعالجة هذا ، نقترح طريقة لتصنيع مصفوفة من ألياف الكربون يمكن إجراؤها على سطح المختبر تسمح بإجراء تعديلات مرتجلة. تحافظ المجموعة الناتجة على أطراف القطب الكهربائي الفردية دون أدوات متخصصة لتعبئة الألياف. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقديم أشكال هندسية متعددة لتتناسب مع احتياجات التجربة البحثية. بناء على العمل السابق8،17،22،25 ، توفر هذه الورقة منهجيات مفصلة لبناء وتعديل عدة أنماط من المصفوفات يدويا مع الحد الأدنى من وقت التدريب في غرف الأبحاث اللازمة.
Protocol
Representative Results
Discussion
بدائل المواد
وفي حين أن جميع المواد المستخدمة ملخصة في جدول المواد، فإن عددا قليلا جدا من المواد مطلوب أن يأتي من بائعين محددين. يجب أن تأتي لوحة Flex Array من البائع المدرج لأنها الشركة الوحيدة التي يمكنها طباعة اللوحة المرنة. يجب أيضا طلب موصل Flex Array من المورد المدرج لأنه م…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل ماليا من قبل المعاهد الوطنية للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (UF1NS107659 و UF1NS115817) والمؤسسة الوطنية للعلوم (1707316). يعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من كلية الهندسة بجامعة ميشيغان والدعم الفني من مركز ميشيغان لتوصيف المواد ومختبر فان فلاك الجامعي. يشكر المؤلفون الدكتور خليل نجفي على استخدام ليزر Nd:YAG الخاص به ومرفق Lurie Nanofabrication لاستخدام آلة ترسيب الباريلين C. نود أيضا أن نشكر أنظمة الطلاء المتخصصة (إنديانابوليس ، IN) لمساعدتهم في دراسة مقارنة الطلاء التجاري.
Materials
| 3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
| 3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) |
96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
| 353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) |
353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
| Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
| Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
| Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
| Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
| Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
| Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
| Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
| Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Hirose Connector (ZIF Only) |
H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
| Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics Connector* (Flex Array Only) |
A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
| Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Pin Terminal Connector (Wide Board Only) |
ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
| Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
| SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
| Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
| Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
| Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
| Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
| Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
| SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
| Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
| Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
| TDT Shroud (ZIF Only) |
Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
| Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
| UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
| UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) |
OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
| UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
| Weigh boat (pack of 500) |
08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
| Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
| ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
| ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
| ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
References
- Szostak, K. M., Grand, L., Constandinou, T. G. Neural interfaces for intracortical recording: Requirements, fabrication methods, and characteristics. Frontiers in Neuroscience. 11, 665 (2017).
- Cunningham, J. P., et al. A closed-loop human simulator for investigating the role of feedback control in brain-machine interfaces. Journal of Neurophysiology. 105 (4), 1932-1949 (2011).
- Yoshida, K., Bertram, M. J., Hunter Cox, T. G., Riso, R. R., Horch, K., Kipke, D. Peripheral nerve recording electrodes and techniques. Neuroprosthetics: Theory and Practice. , 377-466 (2017).
- Dweiri, Y. M., Stone, M. A., Tyler, D. J., McCallum, G. A., Durand, D. M. Fabrication of high contact-density, flat-interface nerve electrodes for recording and stimulation applications. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (116), e54388 (2016).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. 336, 108602 (2020).
- Ciancio, A. L., et al. Control of prosthetic hands via the peripheral nervous system. Frontiers in Neuroscience. 10, 116 (2016).
- Jiman, A. A., et al. Multi-channel intraneural vagus nerve recordings with a novel high-density carbon fiber microelectrode array. Scientific Reports. 10 (1), 15501 (2020).
- Welle, E. J., et al. Sharpened and mechanically robust carbon fiber electrode arrays for neural interfacing. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 29, 993-1003 (2021).
- Moffitt, M. A., McIntyre, C. C. Model-based analysis of cortical recording with silicon microelectrodes. Clinical Neurophysiology. 116 (9), 2240-2250 (2005).
- Nerve-cuff electrodes. Micro-Leads Neuro Available from: https://www.microleadsneuro.com/research-products/?jumpto=nerve-cuff (2021)
- Mortimer, J. T., et al. Perspectives on new electrode technology for stimulating peripheral nerves with implantable motor prostheses. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 3 (2), 145-154 (1995).
- Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors & Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
- Grill, W. M., Norman, S. E., Bellamkonda, R. V. Implanted neural interfaces biochallenges and engineered solutions. Annual Review of Biomedical Engineering. 11, 1-24 (2009).
- Larson, C. E., Meng, E. A review for the peripheral nerve interface designer. Journal of Neuroscience Methods. 332, 108523 (2020).
- Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
- Patel, P. R., et al. Chronic in vivo stability assessment of carbon fiber microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066002 (2016).
- Yoshida Kozai, T. D., et al. Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces. Nature Materials. 11 (12), 1065-1073 (2012).
- Saito, N., et al. Application of carbon fibers to biomaterials: A new era of nano-level control of carbon fibers after 30-years of development. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3824-3834 (2011).
- Welle, E. J., et al. Fabrication and characterization of a carbon fiber peripheral nerve electrode appropriate for chronic recording. FASEB Journal. 34 (1), 1 (2020).
- Guitchounts, G., Cox, D. 64-Channel carbon fiber electrode arrays for chronic electrophysiology. Scientific Reports. 10 (1), 3830 (2020).
- Patel, P. R., et al. High density carbon fiber arrays for chronic electrophysiology, fast scan cyclic voltammetry, and correlative anatomy. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056029 (2020).
- Massey, T. L., et al. Open-source automated system for assembling a high-density microwire neural recording array. 2016 International Conference on Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales (MARSS). , 1-7 (2016).
- Schwerdt, H. N., et al. Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites. Lab Chip. 17, 1104-1115 (2017).
- Welle, E. J., et al. Ultra-small carbon fiber electrode recording site optimization and improved in vivo chronic recording yield. Journal of Neural Engineering. 17 (2), 026037 (2020).
- Guitchounts, G., Markowitz, J. E., Liberti, W. A., Gardner, T. J. A carbon-fiber electrode array for long-term neural recording. Journal of Neural Engineering. 10 (4), 046016 (2013).
- Gillis, W. F., et al. Carbon fiber on polyimide ultra-microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 15 (1), 016010 (2018).
- Dong, T., Chen, L., Shih, A. Laser sharpening of carbon fiber microelectrode arrays for brain recording. Journal of Micro and Nano-Manufacturing. 8 (4), 041013 (2020).
- Massey, T. L., et al. A high-density carbon fiber neural recording array technology. Journal of Neural Engineering. 16 (1), 016024 (2019).
- Romeni, S., Valle, G., Mazzoni, A., Micera, S. Tutorial: a computational framework for the design and optimization of peripheral neural interfaces. Nature Protocols. 15 (10), 3129-3153 (2020).
- Khani, H., Wipf, D. O. Fabrication of tip-protected polymer-coated carbon-fiber ultramicroelectrodes and pH ultramicroelectrodes. Journal of The Electrochemical Society. 166 (8), 673-679 (2019).
- El-Giar, E. E. D. M., Wipf, D. O. Preparation of tip-protected poly(oxyphenylene) coated carbon-fiber ultramicroelectrodes. Electroanalysis. 18 (23), 2281-2289 (2006).
- Venkatraman, S., et al. In vitro and in vivo evaluation of PEDOT microelectrodes for neural stimulation and recording. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 19 (3), 307-316 (2011).
- Petrossians, A., et al. Electrodeposition and Characterization of Thin-Film Platinum-Iridium Alloys for Biological Interfaces. Journal of the Electrochemical Society. 158 (6), 269-276 (2011).
- Lee, C. D., Hudak, E. M., Whalen, J. J., Petrossians, A., Weiland, J. D. Low-impedance, high surface area Pt-Ir electrodeposited on cochlear implant electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), 3015-3017 (2018).
- Cassar, I. R., et al. Electrodeposited platinum-iridium coating improves in vivo recording performance of chronically implanted microelectrode arrays. Biomaterials. 205, 120-132 (2019).
- Taylor, I. M., et al. Enhanced dopamine detection sensitivity by PEDOT/graphene oxide coating on in vivo carbon fiber electrodes. Biosensors and Bioelectronics. 89, 400-410 (2017).
- Mohanaraj, S., et al. Gold nanoparticle modified carbon fiber microelectrodes for enhanced neurochemical detection. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (147), e59552 (2019).
- Pusch, J., Wohlmann, B. Chapter 2 – Carbon fibers. Inorganic and composite fibers. Production, properties, and applications. , 31-51 (2019).
- Budai, D., Hernádi, I., Mészáros, B., Bali, Z. K., Gulya, K. Electrochemical responses of carbon fiber microelectrodes to dopamine in vitro and in vivo. Acta Biologica Szegediensis. 54 (2), 155-160 (2010).
