Open-source Toolkit: Benchtop Carbon Fiber Microelectrode Array voor zenuwopname
Summary
Hier beschrijven we de fabricagemethodologie voor aanpasbare koolstofvezelelektrode-arrays voor het opnemen in vivo in zenuwen en hersenen.
Abstract
Conventionele perifere zenuwsondes worden voornamelijk vervaardigd in een cleanroom, waarvoor meerdere dure en zeer gespecialiseerde gereedschappen nodig zijn. Dit artikel presenteert een cleanroom “licht” fabricageproces van koolstofvezel neurale elektrode arrays die snel kunnen worden geleerd door een onervaren cleanroomgebruiker. Dit fabricageproces van koolstofvezelelektrode-arrays vereist slechts één cleanroomtool, een Parylene C-afzettingsmachine, die snel kan worden geleerd of tegen marginale kosten kan worden uitbesteed aan een commerciële verwerkingsfaciliteit. Dit fabricageproces omvat ook het met de hand vullen van printplaten, isolatie en tipoptimalisatie.
De drie verschillende tipoptimalisaties die hier worden onderzocht (Nd: YAG-laser, blowtorch en UV-laser) resulteren in een reeks tipgeometrieën en 1 kHz-impedanties, waarbij blowtorched vezels resulteren in de laagste impedantie. Hoewel eerdere experimenten de werkzaamheid van laser- en blowtorch-elektroden hebben bewezen, toont dit artikel ook aan dat UV-lasergesneden vezels neurale signalen in vivo kunnen opnemen. Bestaande koolstofvezelarrays hebben ofwel geen geïndividualiseerde elektroden ten gunste van bundels of vereisen door cleanroom gefabriceerde gidsen voor populatie en isolatie. De voorgestelde arrays gebruiken alleen hulpmiddelen die op een tafelblad kunnen worden gebruikt voor vezelpopulatie. Dit koolstofvezel elektrode array fabricageproces maakt het mogelijk om de fabricage van bulkarrays snel aan te passen tegen een gereduceerde prijs in vergelijking met commercieel verkrijgbare sondes.
Introduction
Veel van neurowetenschappelijk onderzoek is gebaseerd op het opnemen van neurale signalen met behulp van elektrofysiologie (ePhys). Deze neurale signalen zijn cruciaal voor het begrijpen van de functies van neurale netwerken en nieuwe medische behandelingen zoals hersenmachine en perifere zenuwinterfaces1,2,3,4,5,6. Onderzoek rond perifere zenuwen vereist op maat gemaakte of commercieel beschikbare neurale opname-elektroden. Neurale opname-elektroden – unieke gereedschappen met afmetingen op micronschaal en fragiele materialen – vereisen een gespecialiseerde set vaardigheden en apparatuur om te fabriceren. Een verscheidenheid aan gespecialiseerde sondes zijn ontwikkeld voor specifieke eindtoepassingen; dit houdt echter in dat experimenten moeten worden ontworpen rond momenteel beschikbare commerciële sondes, of dat een laboratorium moet investeren in de ontwikkeling van een gespecialiseerde sonde, wat een langdurig proces is. Vanwege de grote verscheidenheid aan neuraal onderzoek in perifere zenuwen, is er veel vraag naar een veelzijdige ePhys-sonde4,7,8. Een ideale ePhys-sonde zou een kleine opnamelocatie, lage impedantie9 en een financieel realistisch prijspunt voor implementatie in een systeem3 hebben.
Huidige commerciële elektroden hebben de neiging om extraneurale of manchetelektroden te zijn (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), die buiten de zenuw zitten, of intrafascicular, die de zenuw binnendringen en in de fascikel van belang zitten. Naarmate manchetelektroden echter verder van de vezels zitten, vangen ze meer geluid op van nabijgelegen spieren en andere fascikels die mogelijk niet het doelwit zijn. Deze sondes hebben ook de neiging om de zenuw te vernauwen, wat kan leiden tot biofouling – een opeenhoping van gliacellen en littekenweefsel – op het elektrode-interface terwijl het weefsel geneest. Intrafascicular elektroden (zoals LIFE12, TIME13 en Utah Arrays14) voegen het voordeel van fascikelselectiviteit toe en hebben goede signaal-ruisverhoudingen, wat belangrijk is bij het onderscheiden van signalen voor machine-interfacing. Deze sondes hebben echter problemen met biocompatibiliteit, waarbij zenuwen in de loop van de tijd vervormd raken3,15,16. Wanneer ze commercieel worden gekocht, hebben beide sondes statische ontwerpen zonder optie voor experimentspecifieke aanpassing en zijn ze duur voor nieuwere laboratoria.
Als reactie op de hoge kosten en biocompatibiliteitsproblemen van andere sondes, kunnen koolstofvezelelektroden een mogelijkheid bieden voor neurowetenschappelijke laboratoria om hun eigen sondes te bouwen zonder de noodzaak van gespecialiseerde apparatuur. Koolstofvezels zijn een alternatief opnamemateriaal met een kleine vormfactor die het mogelijk maakt om weinig schade in te brengen. Koolstofvezels zorgen voor een betere biocompatibiliteit en aanzienlijk lagere littekenrespons dan silicium17,18,19 zonder de intensieve cleanroomverwerking5,13,14. Koolstofvezels zijn flexibel, duurzaam, gemakkelijk te integreren met andere biomaterialen19 en kunnen doordringen en opnemen vanuit zenuw7,20. Ondanks de vele voordelen van koolstofvezels, vinden veel laboratoria de handmatige fabricage van deze arrays moeilijk. Sommige groepen21 combineren koolstofvezels tot bundels die gezamenlijk resulteren in een grotere (~ 200 μm) diameter; voor zover wij weten, zijn deze bundels echter niet geverifieerd in zenuwen. Anderen hebben geïndividualiseerde koolstofvezelelektrode-arrays gefabriceerd, hoewel hun methoden cleanroom-gefabriceerde koolstofvezelgidsen22,23,24 en apparatuur vereisen om hun arrays te vullen17,23,24. Om dit aan te pakken, stellen we een methode voor voor het fabriceren van een koolstofvezelarray die kan worden uitgevoerd op het laboratoriumbankblad dat geïmproviseerde wijzigingen mogelijk maakt. De resulterende array onderhoudt geïndividualiseerde elektrodepunten zonder gespecialiseerde vezelbevolkingsgereedschappen. Bovendien worden meerdere geometrieën gepresenteerd om aan de behoeften van het onderzoeksexperiment te voldoen. Voortbouwend op eerder werk8,17,22,25, biedt dit artikel gedetailleerde methodologieën om verschillende stijlen van arrays handmatig te bouwen en aan te passen met minimale cleanroom-trainingstijd die nodig is.
Protocol
Representative Results
Discussion
Materiaalvervangingen
Hoewel alle gebruikte materialen zijn samengevat in de tabel met materialen, zijn er maar heel weinig materialen nodig om van specifieke leveranciers te komen. Het Flex Array-bord moet afkomstig zijn van de vermelde leverancier, omdat zij het enige bedrijf zijn dat het flexibele bord kan afdrukken. De Flex Array-connector moet ook worden besteld bij de vermelde leverancier, omdat het een eigen connector is. Paryleen C wordt ten zeerste aanbevolen als isolatiemate…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd financieel ondersteund door de National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (UF1NS107659 en UF1NS115817) en de National Science Foundation (1707316). De auteurs erkennen financiële steun van het University of Michigan College of Engineering en technische ondersteuning van het Michigan Center for Materials Characterization en het Van Vlack Undergraduate Laboratory. De auteurs bedanken Dr. Khalil Najafi voor het gebruik van zijn Nd:YAG laser en de Lurie Nanofabrication Facility voor het gebruik van hun Parylene C depositie machine. We willen ook Specialty Coating Systems (Indianapolis, IN) bedanken voor hun hulp bij de commerciële coatingvergelijkingsstudie.
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).
