Настоящий протокол описывает инструменты для обработки кремний-планарных внутрикортикальных микроэлектродов во время обработки модификации поверхности посредством газового осаждения и реакций водного раствора. Подробно объясняется сборка компонентов, используемых для обработки устройств на протяжении всей процедуры.
Интракортикальные микроэлектроды обладают большим терапевтическим потенциалом. Но они сталкиваются со значительным снижением производительности после скромной продолжительности имплантации. Существенным фактором наблюдаемого снижения является повреждение нервной ткани, близкой к имплантату, и последующая нейровоспалительная реакция. Усилия по улучшению долговечности устройства включают химические модификации или нанесение покрытий на поверхность устройства для улучшения реакции тканей. Разработка таких поверхностных обработок обычно завершается с использованием нефункциональных «фиктивных» зондов, в которых отсутствуют электрические компоненты, необходимые для предполагаемого применения. Перевод на функциональные устройства требует дополнительного рассмотрения, учитывая хрупкость внутрикортикальных микроэлектродных массивов. Погрузочно-разгрузочные инструменты значительно облегчают обработку поверхности собранных устройств, особенно для модификаций, требующих длительного процедурного времени. Описанные здесь погрузочно-разгрузочные средства используются для обработки поверхности путем газофазного осаждения и воздействия водного раствора. Характеризация покрытия выполняется с помощью эллипсометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Сравнение записей электрической импедансной спектроскопии до и после процедуры нанесения покрытия на функциональные устройства подтвердило целостность устройства после модификации. Описанные инструменты могут быть легко адаптированы для альтернативных электродных устройств и методов обработки, которые поддерживают химическую совместимость.
Нейропротезные устройства направлены на восстановление нарушенных или отсутствующих сенсорных и двигательных способностей в широком диапазоне популяций пациентов, включая пациентов с травмой спинного мозга, боковым амиотрофическим склерозом (БАС), церебральным параличом и ампутациями 1,2,3. Интракортикальные микроэлектроды (IME) могут устанавливать коммуникационный путь между кортикальными нейронами и устройствами, используемыми для управления нейропротезированием. Явным преимуществом интракортикальных микроэлектродов является их способность записывать нейронные сигналы с высоким пространственным и временным разрешением, что предпочтительно для последующей обработки сигналов и управления интерфейсами мозг-компьютер 4,5. К сожалению, показатели внутрикортикальных микроэлектродов резко снижаются в течение нескольких месяцев до года после имплантации 2,6,7,8. Потеря качества и стабильности сигнала негативно сказывается на применении технологии.
Значительный вклад в наблюдаемое снижение производительности вносит биотическая реакция на связанное с имплантацией повреждение тканей и хроническое нейровоспаление 9,10,11. Имплантация IME наносит повреждение ткани мозга, в результате чего высвобождаются сигнальные молекулы, которые инициируют каскады реакционных клеточных защитных процессов. Хроническое сопряжение усугубляет реакцию инородного тела, что приводит к устойчивому нейровоспалению, которое повреждает ткани, расположенные проксимально к устройству; часто распознаются как симптомы нейровоспаления, рубцевания, так и местной нейродегенерации, способствующие снижению качества записи сигнала 12,13,14,15. Состоящий из плотного конгломерата астроцитов с вовлеченной активированной микроглией и макрофагами, рубец, инкапсулирующий электрод, создает неблагоприятную местную среду со сниженным транспортом материала и локальным накоплением воспалительных факторов 16,15,16,17,18.
Во многих исследованиях описывается реакция мозга на внутричерепные микроэлектроды или подходы к смягчению ответа7. Исследования и разработки по улучшению реакции тканей включали в себя ряд стратегий, включая модификации общей структуры, топологии поверхности, материалов и нанесения покрытий. Эти усилия направлены на минимизацию ущерба, полученного в результате имплантации, введение более благоприятного интерфейса между устройством и проксимальными клетками или снижение деформации тканей после имплантации устройств7. Методы, специально нацеленные на хронический биологический ответ, привели к созданию нескольких биологически активных покрытий, которые направлены на стабилизацию места имплантации и химическое укрепление здоровья клеток. Примеры включают проводящие полимеры, такие как поли(этилендиокситиофен) (PEDOT)19,20, углеродные нанотрубки21, гидрогели22 и добавление биологически активных молекул и лекарственных средств для нацеливания на специфические клеточные процессы 23,24,25. Наша исследовательская группа, в частности, изучила множество механизмов, способствующих снижению воспалительной реакции на имплантированные микроэлектроды, включая, но не ограничиваясь, минимизацией травмы, связанной с имплантацией устройства26, минимизацией несоответствия жесткости устройства / ткани 27,28,29,30,31,32,33, оптимизацией стерилизации процедуры34,35, снижение окислительного стресса/повреждения 28,36,37,38,39,40,41,42, изучение альтернативных электродных материалов43 и имитация наноархитектуры естественного внеклеточного матрикса 44,45,46 . Недавний интерес представляет разработка биомиметических поверхностных покрытий для смягчения нейровоспалительного ответа на микроэлектродном тканевом интерфейсе непосредственно39.
Модификация интерфейса обеспечивает уникальное преимущество непосредственного нацеливания на рану и проксимальную ткань, необходимую для регистрации сигнала. Поверхностная обработка, которая способствует заживлению, не усугубляя иммунный ответ, может принести пользу в течение всей жизни качественной записи и устранить ограничения в реализации терапевтического и исследовательского потенциала внутрикортикальных микроэлектродов. Представленная работа детализирует методы нанесения обработки поверхности на микроэлектродные массивы, которые требуют длительного времени реакции при одновременном приспособлении к хрупкости устройств. Представленный метод предназначен для совместного использования методов модификации поверхности с функциональными устройствами, где устройство не может быть обработано на протяжении всего применения обработки. Представлены инструменты для работы с нефункциональными фиктивными зондами и функциональными кремниевыми планарными микроэлектродными массивами.
Представленный подход к модификации поверхности электрода позволяет надежно суспендировать нефункциональные муляжи зондов или функциональные кремниевые плоские электродные решетки для газофазного осаждения и реакции с водными растворами. Несколько 3D-печатных частей используются для обработки этих хрупких устройств (рисунок 1 и рисунок 2). Приведен пример процедуры, в которой используются как газовые, так и фазовые стадии раствора для модификации поверхности с антиоксидантным покрытием, включающим иммобилизацию Mn(III)тетракиса (4-бензойной кислоты) порфирина (MnTBAP). MnTBAP – синтетический металлопорфирин, обладающий антиоксидантными свойствами с доказанным опосредованием воспаления47,48. Приведенный пример на функциональных кремниевых планарных электродных массивах подтверждает обновление ранее сообщенного протокола для нефункциональных устройств40. Адаптация метода газофазного осаждения от Munief et al. поддерживает совместимость протокола с функциональными электродами49. Газофазное осаждение используется для функциональной обработки поверхности амином при подготовке к водной реакции с участием химии карбодиимидных сшивающих веществ для иммобилизации активного MnTBAP. Разработанная здесь методология обработки предоставляется в качестве платформы, которая может быть модифицирована для размещения других покрытий и аналогичных устройств.
Протокол иллюстрирует подход с использованием нефункциональных фиктивных зондов, содержащих кремниевый хвостовик и 3D-печатную вкладку с размерами, аналогичными функциональным кремниевым планарным электродным решеткам. Упаковка разъема прибора в предоставленной инструкции считается аналогом 3D-печатной вкладки нефункционального фиктивного зонда.
Рисунок 1: 3D-печатные образцы для работы с функциональными устройствами во время газофазного осаждения в вакуумном осушителе. (А) Основание конструкции включает держатели для 1 см х 1 см образцов кремниевых квадратов (верхняя стрелка) и отверстия для крепления к адсорбционной пластине (нижняя стрелка). (B) Табличка используется для крепления подвески устройств. С этого момента каждая часть на этом рисунке будет называться либо частью 1A, либо частью 1B. Шкала = 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: 3D-печатные куски для обработки функциональных устройств для поверхностной реакции, происходящей в водном растворе. (А) Направляющая часть должна быть приклеена к крышке культуральной пластины. (B) Настольные детали, используемые для стабилизации деталей (C) и (D) во время сборки. (C) и (D) вместе закрепляют подвеску устройств для размещения в плите скважины и (E) дополнительно крепят куски (C) и (D) к крышке плиты скважины. С этого момента отдельные части на каждой панели этого рисунка будут называться номерами деталей, соответствующими номеру панели этого рисунка. Шкала = 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Описанный протокол был разработан для обработки поверхности кремниевых планарных микроэлектродных массивов. Инструменты для 3D-печати настроены на микроэлектродные матрицы в мичиганском стиле с низкопрофильными разъемами50. Нефункциональные зонды собирались путем прик?…
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было частично поддержано наградой Merit Review Award IRX002611 (Capadona) и премией Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) от Службы исследований и разработок в области реабилитации Министерства по делам ветеранов США (США). Кроме того, эта работа также была частично поддержана Национальным институтом здравоохранения, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта R01NS110823 (Capadona / Pancrazio) и Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда (Krebs).
1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC) | Sigma-Aldrich | 165344-1G | Solid, stored desiccated at -20 °C |
15 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-70C | |
18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties | Cole-Parmer | EW-06830-66 | Length 4 inches |
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Sigma-Aldrich | 4432-31-9 | Solid |
3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) | Sigma-Aldrich | 440140-100ML | Liquid, container with Sure/Seal |
50 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213-103 | |
Aluminum weighing dishes | Fisher Scientific | 08-732-102 | Diameter 66 mm |
Bel-Art Vacuum Desiccator | Fisher Scientific | 08-594-15B | |
Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates | Millipore Sigma | CLS3527-100EA | 24-well plate, polystyrene |
Cyanoacrylate Adhesive | LocTite | N/A | |
Digital Microscope | Keyence | VHX-S750E | |
Disco DAD3350 Dicing Saw | Disco | DAD3350 | Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples |
Double-Sided Polyimide Tape | Kapton Tape | PPTDE-1/4 | ¼” x 36 yds. |
EP21LVMed – low viscosity, two component epoxy compound | Masterbond | EP21LVMed | Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity |
Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine | Epilog | N/A | CO2 laser |
Foam tape | XFasten | N/A | 1/8" Thick |
Gamry Interface 1010E Potentiostat | Gamry | 992-00129 | |
High precision 45° curved tapered very fine point tweezers/forceps | Fisher Scientific | 12-000-131 | |
Lab tape | Fisher Scientific | 15-901-10L | |
Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP) | EMD Millipore | 475870-25MG | Solid, stored at -20 °C |
N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, ≥98% (HPLC) | Sigma-Aldrich | 56485-250MG | Solid, stored desiccated at 4°C |
Platinum clad niobium mesh anode | Technic | N/A | Clad with 125μ” of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1” x 6” titanium strap centered on one 6” dimension |
Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel | NeuroNexus | A1x16-3mm-100-177-CM16LP | Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 μm |
Silicon Wafer | University Wafer | 1575 | Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade |
Silver/silver Chloride reference electrode | Gamry Instruments | 930-00015 | |
Solidworks | N/A | ||
Stainless Steel Phillips Flat Head Screws | McMaster Carr | 96877A629 | #8-32, 1 1/2", fully threaded |
Type I deionized water | ChemWorld | CW-DI1-20 | |
Ultimaker 3 3D printer | Ultimaker | N/A | |
Ultimaker Cura | Ultimaker | N/A | 3D printing software |
Ultimaker NFC ABS Filament | Dynamism, Inc. | 1621 | 2.85 mm |
Ultimaker NFC PLA Filament | Dynamism, Inc. | 1609 | 2.85 mm |
Vacuum Gauge Vacuum Gauge | Measureman Direct | N/A | Glycerin Filled, 2-1/2” Dial Size, ¼”NPT, -30” Hg/-100kpa-0 |
Wing nuts | Everbilt | 934917 | #8-32, zinc plated |