Açık Kaynaklı Araç Seti: Sinir Kaydı için Tezgah Üstü Karbon Fiber Mikroelektoğr Dizisi
29 Ekim 2021
Burada, sinir ve beyinde in vivo kayıt için özelleştirilebilir karbon fiber elektrot dizileri için imalat metodolojisi açıklanmaktadır.
Karbon fiber elektrotlar, nöronlardan daha küçüktür ve minimum hasar verir. Ek olarak, tezgah üstünde minimum özel ekipman ile üretilebilirler. Bu tekniğin temel avantajı basitliğidir.
Kullanıcıların temiz oda deneyimi olmadan sinir dizileri oluşturmasına ve özelleştirmesine olanak tanır. Karbon fiberleri manipüle etmek ve gümüş epoksiyi yerleştirmek zor ve kritiktir. Bu iki parça çok fazla pratik ve ince motor kontrolü gerektirir.
İlk gün her zaman en kötüsüdür, ancak pratikle, yaklaşık bir hafta sonra, işlevsel bir sinir dizisi oluşturacaksınız. Başlamak için, bir havyayı 315 santigrat dereceye ayarlayın. Tüm lehimleme pedlerine akı uygulayın.
Esnek dizinin arka pedlerinde küçük lehim höyükleri oluşturun, ardından konektörün her iki tarafındaki pimleri lehimleyin. Sabitlendikten sonra, arkada kalan bağlantıları lehimlemek için havya ucunu ön pimlerin arasına yavaşça itin. Lehimleme uzun zaman alırsa, ek bir akı tabakası uygulayın, ardından pimlerin ön sırasını tahtaya lehimleyin.
Fazla akıyı% 100 izopropil alkol ve kısa kıllı bir fırça ile temizleyin. Daha sonra, lehimli bağlantıyı kapsüllemek için döşenen set epoksisini bir şırınga ile yavaşça itin, eğimli tarafı pimlerin üzerine yerleştirin. Epoksinin küçük bir çizgisini kartın arka tarafına yerleştirin ve sabitlemek için konektörün kenarlarına çekin.
Bir cam çektirme ve filament ile kılcal damarlar yapın. Çekilmiş bir cam kılcal damarı kesin, böylece ucu dizinin izleri arasına sığar. Daha sonra, iki pamuklu uçlu aplikatörün ahşap uçları ile plastik bir kaba yaklaşık bire bir oranında gümüş epoksi alın ve karıştırın.
Aplikatörleri karıştırdıktan sonra atın. Bir karbon fiber demetinin ucundan iki ila dört milimetreyi tıraş bıçağı ile bir yazıcı kağıdına kesin. Lifleri ve demetleri ayırmak için lamine bir kağıdı yavaşça demetin üstüne çekin.
Ardından, çekilen kılcal damarın ucuna biraz epoksi alın. Ve yavaşça diğer tüm izler arasında, tahtanın ucunda, boşluğu doldurarak uygulayın. Her epoksi izine, teflon kaplı cımbızla bir karbon fiber yerleştirin.
Ardından, esnek dizi kartının sonuna dik hale getirmek ve epoksinin altına gömmek için karbon fiberleri temiz çekilmiş bir kılcal damarla ayarlayın. Dizileri, bloğun kenarını sarkan lifli uçlarla ahşap bir blok üzerine yerleştirin. Gümüş epoksiyi iyileştirmek ve lifleri yerine kilitlemek için ahşap bloğu ve dizileri 20 dakika boyunca 140 santigrat derecede pişirin.
Gümüş epoksi şort iki veya daha fazla elyafı bir araya getirirse, temiz bir cam kılcal damar kullanılarak çıkarılabilir ve tahtadan yavaşça kazınabilir. Bitmiş levhaları, lif kırılmasını önlemek için kartın lifli uçlarını askıya almak için yükseltilmiş platformlu bir kutuda saklayın. Temiz bir kılcal damarla maruz kalan izlerin üzerine küçük bir UV epoksi damlacığı uygulayın ve izler tamamen kaplanana kadar damlacıklar eklemeye devam edin.
UV epoksisini bir UV kalemi altında iki dakika boyunca kürleyin ve tahtanın diğer tarafı için tekrarlayın. Lifleri stereoskop nişangahı ve cerrahi makasla bir milimetreye kesin. Elektrik bağlantılarını kontrol etmek için, potansiyostatı beş saniye boyunca sıfır volta ayarlayın ve kaydedilen sinyali stabilize edin.
Bir potansiyostat ile her fiber için bir kilohertz empedans taraması yapın. Ölçümleri potansiyostat ile ilişkili yazılım aracılığıyla kaydedin. Daha sonra lifleri durulamak için üç kez bir beherde deiyonize suya batırın.
Parilen C'yi yerden yavaşça kazıyın ve karttaki referans tellerini cımbızla kazıyın. Ardından, iki beş santimetre uzunluğundaki yalıtımlı gümüş teli jiletli bir bıçakla kesin. İki ila üç milimetre teli, bir uçtan ve karşı uçtan yaklaşık 10 milimetre yalıtın.
Daha sonra, havyayı 315 santigrat dereceye ısıtın ve tellere küçük bir akı uygulayın. Tahtadaki her elektrofizyoloji teline iki ila üç milimetre bir tel yerleştirin ve tellerin üstüne lehim uygulayın. Probun soğumasına izin verdikten sonra, telin arka tarafına biraz lehim uygulamak için ters çevirin.
Arka lehim höyüğünden yapışan açıkta kalan telleri kesin. Dizileri depolama kutusuna yerleştirin, kabloları geriye doğru bükün, fiberden uzaklaştırın ve potansiyel fiber tel etkileşimlerini önlemek için telleri yapışkan bant üzerine sabitleyin. Açıkta kalan karbon uzunluğunu ve uç geometrisini belirlemek için uçların SEM görüntüleri kullanıldı.
Makaslı kesilmiş lifler, Parilen C'nin ucunun üzerine katlanmasıyla tutarsız uç geometrilerine sahiptir. NDYAG lazer kesim elyafları, kayıt sahası alanında, şeklinde ve empedansında tutarlı kalır. Üflemeli yakılmış lifler en büyük elektrot boyutuna, şekil değişkenliğine ve keskinleştirilmiş bir uca yol açar.
Ortalama olarak, 140 mikrometre karbon yeniden açığa çıkarıldı. UV lazer kesim lifleri, uçtan açığa çıkan 120 mikro metre karbon gösteren üflemeli meşaleli liflere benziyordu. Ortaya çıkan empedanslar elektrofizyolojik kayıt için aralık dahilindeydi.
NDYAG lazer kesim lifleri en küçük yüzey alanına ancak en yüksek empedanslara sahipti. Ardından üflemeli meşaleli ve UV lazer kesim lifleri gelir. Bununla birlikte, her durumda, PEDOT: pTS kaplı lifler, 110 kilo ohm eşiğinin altına düştü.
Aynı anda sıçan motor korteksine implante edilen iki milimetre uzunluğundaki dört UV lazer tedavi lifinden elde edilen akut kayıtlar, tüm lifler arasında üç birim gösterdi ve bu da liflerin ucuz UV lazerle işlenmesinin diğer kesme yöntemlerine benzer olduğunu düşündürdü. Bu protokolü denerken, karbon fiberleri doldururken kendinize geniş ve temiz bir alan verin. Tüm liflerinizi yanlışlıkla masadan süpürmek kolaydır, çünkü yeterli manevra alanı yoktur.
Bu diziler artık beyinden sinyal birimi kayıtları için uygundur. Bu yapı teknikleri, Michigan Üniversitesi'ndeki Dr. Barnes'ın grubunun rapor vermesine ve Case Western Reserve Üniversitesi'ndeki Dr. Chiel'in grubunun hücre içi rapor vermesine izin verdi.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, sinir ve beyin içinde kayıt yapılmasında kullanılan özelleştirilebilir karbon fiber elektrot dizilerinin üretim metodolojisini açıklamaktadır. Üretim sürecinin basitliği, araştırmacıların temiz oda deneyimine ihtiyaç duymadan nöral dizileri oluşturmalarını sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Elektrofizyoloji
Arka Plan
- Karbon fiber elektrotlar nöronlardan daha küçüktür.
- Dokulara minimal hasar verirler.
- Üretim, minimal özel ekipman ile yapılabilir.
- Teknik, temiz oda deneyimi olmayan araştırmacılar için erişilebilirdir.
Çalışmanın Amacı
- Özelleştirilebilir nöral elektrot dizileri oluşturma metodolojisi sağlamak.
- Araştırmacılar için elektrot üretim sürecini basitleştirmek.
- In vivo kayıt tekniklerinin erişilebilirliğini artırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Karbon fiber elektrot dizilerinin üretimi.
- Elektrot montajı için gümüş epoksinin kullanımı.
- Karbon liflerinin manuel manipülasyonu.
- Hassas yerleştirme için ince motor kontrol pratiği.
Ana Sonuçlar
- Açıklanan metodoloji, nöral dizilerin özelleştirilmesine olanak tanır.
- Kullanıcılar, pratik yaparak başarılı bir şekilde elektrot oluşturabilir.
- Teknik, kayıtlar sırasında doku hasarını en aza indirir.
- Çeşitli ortamlardaki araştırmacılar için erişilebilirlik artırılır.
Sonuçlar
- Özelleştirilebilir karbon fiber elektrot dizileri etkili bir şekilde üretilebilir.
- Sürecin sadeliği, nörobilimdeki araştırmalarda daha geniş kullanımı teşvik eder.
- Daha fazla pratik, elektrot yerleştirme hassasiyetinin artırılmasına yardımcı olabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This benchtop carbon fiber microelectrode array fabrication method enables rapid, low-cost prototyping of neural recording tools without cleanroom dependency, supporting early-stage target validation in neuroscience drug discovery. By reducing fabrication barriers, it accelerates iterative design cycles for electrode geometry optimization, directly impacting preclinical model fidelity and mechanistic de-risking of CNS-targeted therapeutics. The approach enhances translational continuity by allowing in vivo signal acquisition from peripheral and central nervous systems using accessible, customizable hardware.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of neural circuit hypotheses through precise, minimally invasive extracellular recording in disease-relevant systems.
- Operational Value: Supports rapid iteration of electrode design to optimize signal-to-noise ratio for target engagement assays.
- Translational Value: Facilitates functional validation of neuromodulatory targets in vivo, improving predictive confidence for CNS drug candidates.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative electrophysiological readouts (e.g., 1 kHz impedance, unit detection) suitable for high-content screening of compound effects on neural activity.
- Operational Value: Enables standardization of recording arrays across labs via documented benchtop protocol, improving reproducibility in phenotypic screening campaigns.
- Translational Value: Supports development of assay-ready neural interfaces for evaluating drug-induced changes in firing patterns or network synchrony.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: UV laser-cut fibers demonstrated in vivo neural signal recording in rat motor cortex, validating disease-relevant system applicability.
- Operational Value: Arrays accommodate individuated electrodes, enabling chronic implantation studies and longitudinal biomarker tracking in preclinical models.
- Translational Value: Bridges discovery and preclinical workflows by providing a scalable path from benchtop fabrication to in vivo efficacy testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target hypothesis testing through lead optimization, where electrophysiological readouts inform compound selection and preclinical advancement decisions.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by enabling direct measurement of neural activity as a functional biomarker of target modulation.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs (impedance, single-unit resolution) that allow comparison of test compound effects on neural excitability.
- Analytics: Potentiostat-based impedance scanning and signal stabilization provide objective, analyzable data for structure-activity relationship modeling.
- Translational Research: Demonstrated in vivo recording capability supports continuity to preclinical efficacy and safety studies.
- Enterprise Reuse: Protocol leverages widely available tools (soldering iron, UV pen, glass puller), enabling cross-site standardization and technology transfer.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in target validation by providing direct neural activity measurements in intact tissue.
- Operational Value: Eliminates cleanroom bottleneck, lowering cost and lead time for custom neural probe fabrication.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence through early, human-relevant functional data acquisition.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS candidates based on electrophysiological target engagement profiles.
Implementation Considerations
- Requires fine motor control and practice for reliable fiber placement and epoxy encapsulation.
- Depends on access to a Parylene C deposition machine for insulation, which may be outsourced.
- Necessitates standardization of tip optimization method (e.g., UV laser) to ensure consistent impedance and recording performance.
- Involves manual steps that may limit throughput without automation of fiber alignment and epoxy dispensing.
- Performance depends on proper curing of silver and UV epoxies to prevent signal drift or fiber detachment.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:49
Soldering the Connector to the Circuit Board
1:50
Fiber Population
3:34
Insulating the Carbon Fibers and Checking Electrical Connections
4:27
Connecting Ground and Reference Wires
5:35
Results: Validation of Carbon Fiber Microelectrode Array
7:06
Conclusion
