Herstellung von Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays für In Vivo Neural Recording

Bioengineering

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Summary

Wir beschreiben hier eine Methode zur Herstellung von Ti3C2 MXene Mikroelektroden-Arrays und deren Verwendung für die in vivo-neurale Aufnahme.

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Driscoll, N., Maleski, K., Richardson, A. G., Murphy, B., Anasori, B., Lucas, T. H., Gogotsi, Y., Vitale, F. Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording. J. Vis. Exp. (156), e60741, doi:10.3791/60741 (2020).

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Abstract

Implantierbare Mikroelektrodentechnologien wurden weit verbreitet eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf der Mikroskala aufzuklären, um ein tieferes Verständnis der neuronalen Grundlagen von Hirnerkrankungen und Verletzungen zu gewinnen. Da Elektroden auf die Skala einzelner Zellen miniaturisiert werden, begrenzt ein entsprechender Anstieg der Grenzflächenimpedanz die Qualität der aufgezeichneten Signale. Darüber hinaus sind herkömmliche Elektrodenmaterialien steif, was zu einer signifikanten mechanischen Diskrepanz zwischen der Elektrode und dem umgebenden Hirngewebe führt, was eine Entzündungsreaktion hervorruft, die schließlich zu einer Verschlechterung der Geräteleistung führt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir ein Verfahren zur Herstellung flexibler Mikroelektroden auf Basis von Ti3C2 MXene entwickelt, einem kürzlich entdeckten Nanomaterial, das eine bemerkenswert hohe volumetrische Kapazität, elektrische Leitfähigkeit, Oberflächenfunktionalität und Verarbeitbarkeit in wässrigen Dispersionen besitzt. Flexible Arrays von Ti3C2 MXene Mikroelektroden haben aufgrund der hohen Leitfähigkeit und der hohen spezifischen Oberfläche der Ti3C2 MXene-Folien eine bemerkenswert geringe Impedanz und haben sich als exquisit empfindlich für die Aufzeichnung neuronaler Aktivität erwiesen. In diesem Protokoll beschreiben wir eine neuartige Methode zum Mikromustern von Ti3C2 MXen e in Mikroelektroden-Arrays auf flexiblen polymeren Substraten und skizzieren deren Verwendung für die In-vivo-Mikroelektrokortikographie-Aufzeichnung. Diese Methode kann leicht erweitert werden, um MXene-Elektroden-Arrays beliebiger Größe oder Geometrie für eine Reihe anderer Anwendungen in der Bioelektronik zu erstellen und es kann auch für den Einsatz mit anderen leitfähigen Tinten neben Ti3C2 MXen angepasst werden. Dieses Protokoll ermöglicht die einfache und skalierbare Herstellung von Mikroelektroden aus lösungsbasierten leitfähigen Tinten und ermöglicht es speziell, die einzigartigen Eigenschaften von hydrophilen Ti3C2 MXene zu nutzen, um viele der Barrieren zu überwinden, die die weit verbreitete Verbreitung von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien für hochtreue neuronale Mikroelektroden lange behindert haben.

Introduction

Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die neuronalen Schaltkreisen zugrunde liegen, und wie ihre Dynamik bei Krankheiten oder Verletzungen verändert wird, ist ein entscheidendes Ziel für die Entwicklung wirksamer Therapeutika für eine breite Palette von neurologischen und neuromuskulären Erkrankungen. Mikroelektrodentechnologien wurden häufig eingesetzt, um die neuronale Dynamik auf feinen räumlichen und zeitlichen Skalen aufzuklären. Die Aufnahme stabiler Aufnahmen mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Mikroelektroden hat sich jedoch als besonders anspruchsvoll erwiesen. Da die Abmessungen der Elektroden auf eine zelluläre Skala reduziert werden, verschlechtert ein entsprechender Anstieg der Elektrodenimpedanz die Signalqualität1. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien gezeigt, dass starre Elektroden aus herkömmlichen Silizium- und Metallelektronikmaterialien erhebliche Schäden und Entzündungen im Nervengewebe verursachen, was ihre Nützlichkeit für die Langzeitaufzeichnung2,3,4,5begrenzt. Angesichts dieser Fakten besteht ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von Mikroelektroden mit neuen Materialien, die die Impedanz der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle reduzieren und in weiche und flexible Formfaktoren einfließen lassen können.

Eine häufig verwendete Methode zur Reduzierung der Elektroden-Gewebe-Grenzianz-Impedanz ist die Erhöhung des Bereichs, über den ionische Arten in der extrazellulären Flüssigkeit mit der Elektrode oder der "effektiven Oberfläche" der Elektrode interagieren können. Dies kann durch Nanomusterung6, Oberflächenaufrauung7oder Galvanik mit porösen Additiven8,9erreicht werden. Nanomaterialien haben in diesem Bereich große Aufmerksamkeit gewonnen, weil sie an sich hohe spezifische Oberflächen und einzigartige Kombinationen von günstigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften bieten10. Zum Beispiel wurden Kohlenstoff-Nanoröhren als Beschichtung verwendet, um die Elektrodenimpedanz deutlich zu reduzieren11,12,13, Graphenoxid wurde zu weichen, flexiblen freistehenden Sondenelektroden14verarbeitet, und laserpyrolysiertes poröses Graphen wurde für flexible, niedrig impedante Mikroelektrokortikographie (Mikro-ECoG)-Elektroden15verwendet. Trotz ihres Versprechens hat der Mangel an skalierbaren Montagemethoden die weit verbreitete Verbreitung von Nanomaterialien für neuronale Verbindungselektroden eingeschränkt. Insbesondere kohlenstoffbasierte Nanomaterialien sind typischerweise hydrophob und erfordern daher die Verwendung von Tensiden16, Supersäuren17oder Oberflächenfunktionalisierung18, um wässrige Dispersionen für lösungsverarbeitende Herstellungsverfahren zu bilden, während alternative Herstellungsverfahren wie chemische Dampfabscheidung (CVD) in der Regel hohe Temperaturen erfordern, die mit vielen polymeren Substraten unvereinbar sind19,20,21 ,22.

Kürzlich wurde eine Klasse von zweidimensionalen (2D) Nanomaterialien, bekannt als MXenes, beschrieben, die eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Leitfähigkeit, Flexibilität, volumetrischer Kapazität und inhärenter Hydrophilität bietet, was sie zu einer vielversprechenden Klasse von Nanomaterialien für neuronale Schnittstellenelektrodenmacht 23. MXenes sind eine Familie von 2D-Übergangsmetallcarbiden und Nitriden, die am häufigsten durch selektives Ätzen des A-Elements aus geschichteten Vorläufern hergestellt werden. Dies sind in der Regel MAX-Phasen mit der allgemeinen Formel Mn+1AXn, wobei M ein Frühübergangsmetall ist, A ein Element der Gruppe 12-16 des Periodensystems ist, X Kohlenstoff und/oder Stickstoff ist und n = 1, 2 oder 324. Zweidimensionale MXen-Flocken haben oberflächenbeendende funktionelle Gruppen, die Hydroxyl (-OH), Sauerstoff (-O) oder Fluor (-F) umfassen können. Diese funktionellen Gruppen machen MXenes von Natur aus hydrophil und ermöglichen eine flexible Oberflächenmodifikation oder -funktionalisierung. Von der großen Klasse von MXenes wurde Ti3C2 am umfangreichsten untersucht undgekennzeichnet 25,26,27. Ti3C2 zeigt eine bemerkenswert höhere volumetrische Kapazität (1.500 F/cm3)28 als aktiviertes Graphen (ca. 60 x 100 F/cm3)29, Hartmetall-kohlenstoffabgeleitete Kohlenstoffe (180 F/cm3)30, und Graphen-Gel-Filme (ca. 260 F/cm3)31. Darüber hinaus weist Ti3C2 eine extrem hohe elektronische Leitfähigkeit auf (ca. 10.000 S/cm)32, und seine Biokompatibilität wurde in mehreren Studien33,34,35,36nachgewiesen. Die hohe Volumetritrienkapazität von Ti3C2-Folien ist für biologische Sensor- und Stimulationsanwendungen von Vorteil, da Elektroden mit kapazitiver Ladungsübertragung potenziell schädliche Hydrolysereaktionen vermeiden können.

Unsere Gruppe hat vor kurzem flexible, dünnschichtigeTi3C2 Mikroelektroden-Arrays gezeigt, die mit Lösungsverarbeitungsmethoden hergestellt wurden, die sowohl die Mikroelektrocortikographie (Mikro-ECoG) als auch die intracortische neuronale Spiking-Aktivität in vivo mit hohem SNR36aufzeichnen können. Diese MXene-Elektroden zeigten eine signifikant reduzierte Impedanz im Vergleich zu größenangepassten Goldelektroden (Au), was auf die hohe Leitfähigkeit von MXene und die hohe Oberfläche der Elektroden zurückzuführen ist. In diesem Protokoll beschreiben wir die wichtigsten Schritte zur Herstellung planarer Mikroelektroden-Arrays von Ti3C2 MXene auf flexiblen Parylen-C-Substraten und deren Einsatz in vivo für die intraoperative Mikro-ECoG-Aufnahme. Diese Methode nutzt die hydrophile Natur von MXene, die die Verwendung von Lösungsverarbeitungsmethoden ermöglicht, die einfach und skalierbar sind, ohne die Verwendung von Tensiden oder Supersäuren zu erfordern, um stabile wässrige Suspensionen zu erreichen. Diese einfache Verarbeitbarkeit kann die kostengünstige Herstellung von MXene-Biosensoren in industriellen Maßstäben ermöglichen, was eine wesentliche Einschränkung für die weit verbreitete Einführung von Geräten auf Der Basis anderer Kohlenstoff-Nanomaterialien darstellt. Die wichtigste Innovation in der Elektrodenherstellung liegt in der Verwendung einer Opferpolymerschicht zum Mikromustern der MXene nach der Spin-Beschichtung, einem Verfahren, das aus der Literatur über lösungsbearbeitetes Poly(3,4-ethylenedioxythiophen):poly(Styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) Mikroelektroden37angepasst wurde, aber zuvor nicht für die Musterung von MXen beschrieben worden war. Die außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften von Ti3C2, gepaart mit seiner Verarbeitbarkeit und 2D-Morphologie machen es zu einem sehr vielversprechenden Material für neuronale Schnittstellen. Insbesondere bietet Ti3C2 einen Weg zur Überwindung des grundlegenden Kompromisses zwischen Elektrodengeometriefläche und elektrochemischer Grenzflächenimpedanz, einem primären Limitierungsfaktor für die Mikroelektrodenleistung. Darüber hinaus kann das in diesem Protokoll beschriebene Herstellungsverfahren angepasst werden, um MXene-Elektroden-Arrays unterschiedlicher Größe und Geometrie für verschiedene Aufnahmeparadigmen zu erzeugen, und kann auch leicht angepasst werden, um neben MXene auch andere leitfähige Tinten zu integrieren.

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Protocol

Alle In-vivo-Verfahren entsprachen dem Leitfaden der National Institutes of Health (NIH) für die Pflege und Verwendung von Labortieren und wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of Pennsylvania genehmigt.

1. Synthese von Ti3C2 MXene

HINWEIS: Die in diesem Abschnitt beschriebenen Reaktionsverfahren sind für den Einsatz in einer chemischen Rauchhaube bestimmt. Die in diesem Verfahren enthaltenen Waschschritte sind für die Verwendung mit ausgewogenen Zentrifugenrohren vorgesehen. Alle erzeugten Abfälle gelten als gefährliche Abfälle und sollten entsprechend den Richtlinien der Universität entsorgt werden.

VORSICHT: Flusssäure (HF) ist eine extrem gefährliche, hochkorrosive Säure. Konsultieren Sie die Sicherheitsdatenblätter (MSDS) für die Chemikalien, die verwendet werden, um MXenes vor der Verwendung zu synthetisieren und geeignete Sicherheitsmaßnahmen umzusetzen und zu befolgen. Zur geeigneten persönlichen Schutzausrüstung (PSA) für den Umgang mit HF gehören ein Labormantel, eine säurebeständige Schürze, dicht angeschnallte Schuhe, lange Hosen, Schutzbrillen, Vollgesichtsschild, Nitrilhandschuhe und HF-resistente Handschuhe aus Butylkautschuk oder Neoprengummi.

  1. MAX-Phasensynthese
    1. Synthesize Ti3AlC2 durch Kugelfräsen TiC (2 m), Ti (44 m) und Al (44 m) Pulver mit einem Molar-Verhältnis (TiC:Ti:Al) von 2:1:1 für 18 h mit Zirkonia-Kugeln. Die Pulver in einen Aluminiumoxid-Tiegel geben, auf 1.380 °C erhitzen (5 °C Heizrate) und 2 h unter Argon halten. Nachdem die Pulver gekühlt wurden, fräsen Sie den MAX-Block und sieben sieben sie durch ein 200-Mesh-Sieb (<74 m Partikelgröße).
      HINWEIS: Der Ti3AlC2 MAX-Phasenvorläufer zur Synthese von MXenes hat nachweislich direkte Auswirkungen auf die resultierenden Ti3C2 MXene-Eigenschaften38. Die Ti3C2 zur Herstellung von neuronalen Elektroden wurde selektiv aus MAX geätzt, die nach einem vorherigen Verfahren hergestellt wurde26.
  2. Ätzung: Entfernung der Al-Schicht in Ti3AlC2 in einer sauren Etchant-Lösung (Abbildung 1A)
    1. Bereiten Sie die selektive Ätzlösung in einem 125 ml Kunststoffbehälter vor, indem Sie zunächst 12 ml entionisiertes Wasser (DI H2O) hinzufügen, gefolgt von der Zugabe von 24 ml Salzsäure (HCl). Tragen Sie alle geeigneten HF-Ätz-PSA, fügen Sie 4 ml HF in den Etchant-Behälter. Selektives Ätzen durchführen, indem man dem Reaktionsbehälter langsam 2 g Ti3AlC2 MAX-Phase hinzufügt und mit einem Teflon-Magnetstab für 24 h bei 35 °C bei 400 U/min rührt.
  3. Waschen: Das Material auf neutralen pH-Wert bringen.
    1. Füllen Sie zwei 175 ml Zentrifugenrohre mit 100 ml DIH2O. Das Ätzreaktionsgemisch in 175 ml Zentrifugenrohre aufteilen und das Material durch wiederholte Zentrifugation bei 3.500 U/min (2.550 x g)5 min waschen. Den sauren Überstand in einen Kunststoff-Sondermüllbehälter dekannieren. Wiederholen Sie dies, bis der pH-Wert 6 erreicht.
  4. Interkalation: Einsetzen von Molekülen zwischen mehrschichtigen MXen-Partikeln, um Wechselwirkungen a-plane zu wecken (Abbildung 1B)
    1. 2 g Lithiumchlorid (LiCl) auf 100 ml DIH2O geben und bei 200 Umdrehungen rühren, bis sie aufgelöst sind. 100 ml LiCl/H2O mit dem Sediment Ti3C2/Ti3AlC2 mischen und die Reaktion 12 h bei 25 °C rühren.
  5. Delamination: Peeling von mehrschichtigen Massenpartikeln in ein- bis einschichtige Ti3C2 MXene (Abbildung 1C)
    1. Waschen Sie die Interkalationsreaktion in 175 ml Zentrifugenrohren durch Zentrifugation bei 2.550 x g für 5 min. Decant den klaren Überstand. Wiederholen Sie dies, bis ein dunkler Überstand gefunden wird.
    2. Weiter zur Zentrifuge für 1 h bei 2.550 x g. Dekant den verdünnten grünen Überstand.
    3. Redisperse das geschwollene Sediment mit 150 ml DI H2O. Überstand auf 50 ml Zentrifugenrohre und Zentrifuge bei 2.550 x g für 10 min übertragen, um verbleibende MAX (Sediment) von MXene (Überstand) zu trennen.
      HINWEIS: Die Redispersion des Sediments wird schwierig und erfordert Eine Erregung oder manuelles Schütteln.
    4. Sammeln Sie Überstand als Ti3C2 MXene. Führen Sie eine weitere Größenauswahl und Optimierung der Lösung durch, um ein- bis einschichtige Flocken zu isolieren, indem Sie den Überstand nach einem Zentrifugationsschritt bei 2.550 x g für 1 h sammeln.
  6. Lösungslagerung: Verpackung der MXene-Tinte für langzeitgelagerte Speicher (Abbildung 1D)
    1. Argon blase die Lösungen für 30 min vor der Verpackung in einer Argon versiegelten Kopfraumdurchstechflasche (Transfer über eine Spritze). Lagern Sie Lösungen in hohen Konzentrationen (>5 mg/ml), weg vom Sonnenlicht und bei niedrigen Temperaturen (ca. 5 °C), um die Langlebigkeit zu gewährleisten.

2. Herstellung von Ti3C2 MXene Mikroelektroden-Arrays

HINWEIS: Das in diesem Abschnitt beschriebene Verfahren ist für den Einsatz in einer Standard-Reinraumanlage an Universitäten vorgesehen, z. B. im Singh Center for Nanotechnology an der University of Pennsylvania. Diese Einrichtung sowie ähnliche Einrichtungen sind für externe Nutzer als Teil des National Nanotechnology Infrastructure Network (NNIN) zugänglich, das von der National Science Foundation (NSF) unterstützt wird. In diesen Einrichtungen werden viele der in diesem Abschnitt beschriebenen Werkzeuge, Geräte und Materialien zusammen mit dem Zugang zur Reinraumeinrichtung bereitgestellt und erfordern keinen separaten Kauf.

VORSICHT: Viele der Chemikalien, die bei der Herstellung von MXene-Elektroden verwendet werden, sind gefährlich, einschließlich Photoresists, RD6-Entwickler, Entferner PG, Aluminiumätzlösung und gepuffertes Oxid etchant. Konsultieren Sie MSDS für diese Chemikalien vor der Verwendung und implementieren und befolgen Sie geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu jeder Zeit. Alle Chemikalien sollten in einer Dunstabzugshaube behandelt werden.

  1. Legen Sie eine 4 m dicke Unterschicht aus Parylen-C auf einen sauberen Si-Wafer ab (siehe Abbildung 2A).
  2. Verwenden Sie die erste Fotomaske (Maske-1), um die Metallverbindungen der Geräte sowie einen Metallring um den Rand des Wafers zu definieren, um spätere Abhebeschritte zu unterstützen (Abbildung 2B).
    1. Spin Coat NR71-3000p auf den Wafer bei 3.000 U/min für 40 s. Weich backen den Wafer auf einer Kochplatte für 14,5 min bei 95 °C.
    2. Legen Sie den Wafer und die Maske-1 in einen Maskenausrichter. Positionieren Sie den Wafer so, dass sich der Ring auf der Fotomaske mit allen Rändern des Wafers überlappt.
    3. Mit i-Linie (365 nm Wellenlänge) in einer Dosis von 90 mJ/cm2aussetzen. Den Wafer bei 115 °C 1 min auf einer Kochplatte hart backen.
    4. Tauchen Sie den Wafer für 2 min in den RD6-Entwickler ein und rühren Sie die Lösung kontinuierlich auf. Mit DI H2O gründlich abspülen und mit einem N2 Geschütz trocken blasen.
    5. Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um 10 nm Ti abzulagern, gefolgt von 100 nm Au auf den Wafer.
      HINWEIS: Typische Abscheidungsparameter sind ein Grunddruck von 5 x 10-7 Torr und eine Rate von 2 x/s.
    6. Tauchen Sie den Wafer in entferner PG für 10 min ein, bis sich der Photowiderstand aufgelöst hat und das überschüssige Metall vollständig abgehoben ist, sodass Ti/Au nur noch in den gewünschten Verbindungsspuren und dem Ring um den Rand des Wafers bleibt. Sobald das Abheben vollständig erscheint, beschallen Sie 30 s, um alle verbleibenden Spuren von unerwünschtem Metall zu entfernen. Wafer zuerst in Clean Remover PG-Lösung abspülen, dann in DI H2O gründlich ausspülen und den Wafer mit einer N2 Pistole trocknen.
  3. Legen Sie die Opferparylen-C-Schicht ab (Abbildung 2C).
    1. Setzen Sie den Wafer für 30 s demO2-Plasma aus, um die darunter liegende Parylen-C-Schicht hydrophil zu machen. Spin Coat 2% Reinigungslösung (z.B. Micro-90) in DI H2O auf den Wafer bei 1.000 U/min für 30 s. Wafer mindestens 5 min trocknen lassen.
      HINWEIS: Die verdünnte Seifenlösung wirkt als Anti-Klebstoff, so dass die Opferparylen-C-Schicht später im Prozess geschält werden kann.
    2. Legen Sie 3 m Parylen-C auf den Wafer ab.
  4. Verwenden Sie die zweite Fotomaske (Maske-2), um die MXene-Muster und einen Ring um den Rand des Wafers zu definieren (Abbildung 2D).
    1. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.1-2.2.4, diesmal mit Maske-2 und sorgfältiges Ausrichten der Ausrichtungsmarkierungen zwischen Wafer und Fotomaske vor der Belichtung.
    2. Verwenden SieO2 Plasma-Reaktive Ionenätzung (RIE), um durch die Opferparylen-C-Schicht in den Bereichen zu ätzen, die nicht vom Photoresist abgedeckt sind, um die MXene-Elektroden und -Spuren zu definieren, die sich teilweise mit den Ti/Au-Verbindungen sowie dem Ring um die Ränder des Wafers überlappen sollten. Bestätigen Sie die vollständige Ätzung der Opferparylen-C-Schicht, indem Sie ein Profilometer verwenden, um das Profil zwischen den freiliegenden Ti/Au-Verbindungen und der unteren Parylen-C-Schicht zu messen.
      HINWEIS: Wenn die Radierung abgeschlossen ist, ist das Profil über die freiliegende Metalloberfläche glatt, während die untere Parylen-C-Schicht rau und teilweise geätzt ist. Dieser Ätzschritt sollte in einem planaren Ätz-RIE-System abgeschlossen werden, nicht in einem Fass-Asher, und Ätzzeiten und Parameter sind stark vom RIE-System abhängig.
  5. Verschichten Sie die MXene-Lösung auf den Wafer (Abbildung 2E).
    1. Pipette MXene-Lösung auf jedes der gewünschten MXene-Muster, drehen Sie den Wafer dann bei 1.000 U/min für 40 s. Trocknen Sie den Wafer auf einer 120 °C-Heißplatte für 10 min, um Restwasser aus der MXene-Folie zu entfernen.
  6. Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um 50 nm SiO2 auf den Wafer abzulagern, um als Schutzschicht über den MXene-Mustern für nachfolgende Verarbeitungsschritte zu fungieren.
    HINWEIS: Typische Abscheidungsparameter sind ein Grunddruck von 5 x 10-7 Torr und eine Rate von 2 x/s.
  7. Entfernen Sie die Opfer-Parylen-C-Schicht, um die Schichten MXene und SiO2 zu mustern (Abbildung 2F).
    1. Tragen Sie einen kleinen Tropfen DI H2O auf den Rand des Wafers auf und verwenden Sie eine Pinzette, um die Opferparylen-C-Schicht zu schälen, beginnend dort, wo ihre Kanten im Ring um die Außenseite des Wafers definiert sind.
      HINWEIS: Das Wasser wird mit dem Seifenrückstand unter der Opferparylen-C-Schicht kombiniert, um diesen Abhebe zu ermöglichen.
    2. Spülen Sie den Wafer gründlich in DI H2O, um restliche Reinigungslösungsrückstände zu entfernen. Trocknen Sie den Wafer mit einem N2 Geschütz, und legen Sie dann auf eine 120 °C-Kochplatte für 1 h, um Restwasser aus den gemusterten MXene-Folien zu entfernen.
  8. Legen Sie die 4 m dicke Deckschicht aus Parylen-C ab (Abbildung 2G).
  9. Verwenden Sie die dritte Fotomaske (Maske-3), um Geräteumrisse und Öffnungen über Elektroden und Au-Bindungspads (VIAs) zu definieren (Abbildung 2H).
    1. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.1-2.2.4, diesmal mit Maske-3 und sorgfältiges Ausrichten der Ausrichtungsmarkierungen zwischen Wafer und Fotomaske vor der Belichtung.
    2. Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um 100 nm Al auf den Wafer abzulagern.
      HINWEIS: Typische Abscheidungsparameter sind ein Grunddruck von 5 x 10-7 Torr und eine Rate von 2 x/s.
    3. Tauchen Sie den Wafer in entferner PG für 10 min, bis das Metall vollständig abgehoben ist, so dass Al die Geräte mit Öffnungen für die Elektroden und Klebepads bedeckt. Wenn das Abheben abgeschlossen ist, beschallen Sie 30 s, um alle verbleibenden Spuren von unerwünschtem Metall zu entfernen. Wafer zuerst in Clean Remover PG-Lösung abspülen, dann in DI H2O gründlich ausspülen und den Wafer mit einer N2 Pistole trocknen.
  10. Ätzen Sie das Parylen-C, um die Geräteumriss und Öffnungen über Elektroden und Au-Bindungspads (VIAs) zu mustern (Abbildung 2I). Verwenden Sie O2 Plasma RIE, um durch die Parylen-C-Schichten zu ätzen, die die Geräte umgeben, und durch die obere Parylen-C-Schicht, die sowohl die MXene-Elektrodenkontakte als auch die Au-Bindungspads abdeckt.
    HINWEIS: Die Radierung ist abgeschlossen, wenn keine Parylen-C-Rückstände auf dem Wafer zwischen den Geräten verbleiben. Die SiO2-Schicht, die das MXene bedeckt, fungiert als Ätz-Stopp-Schicht und verhindert, dass dasO2-Plasma in die MXene-Elektrodenkontakte ätzt oder diese beschädigt.
  11. Ätzen Sie die Al-Schicht, die die Geräte mit einem nassen chemischen Ätz in Al etchant Typ A bei 50 °C entweder für 10 min oder für 1 min Vergangenheit bedeckt, wenn alle visuellen Spuren von Al verschwunden sind, je nachdem, was zuerst eintritt. Ätzen Sie den SiO2, der die MXene-Elektroden mit einem nassen chemischen Ätz in 6:1 gepufferter Oxid-Etchant (BOE) für 30 s abdeckt (Abbildung 2J).
    HINWEIS: Die MXene-Mikroelektroden-Arrays sind jetzt vollständig.
  12. Lösen Sie die Geräte aus dem Si-Substrat-Wafer, indem Sie einen kleinen Tropfen DI H2O am Rand eines Geräts platzieren, und schälen Sie das Gerät sanft nach oben, da das Wasser durch Kapillarwirkung darunter abgelassen wird (Abbildung 2K und Abbildung 3).

3. Adapterkonstruktion und -anbindung

HINWEIS: An dieser Stelle müssen die Dünnschicht-Mikroelektroden-Arrays mit einem Adapter verbunden sein, um eine Verbindung zum elektrophysiologischen Aufzeichnungssystem herzustellen. Der in diesem Protokoll verwendete 128-Fach-Stimulations-/Aufnahmeregler mit dem in diesem Protokoll verwendeten 128-Fach-Stimulations-/Aufnahmeregler mit dem 16-Fach-Stim/Record-Headstage (Table of Materials) erfordert eine Eingabe über einen Mitstecker, der mit dem 18-poligen Stecker A79039-001 kompatibel ist. In diesem Abschnitt wird eine Leiterplatte (PCB, Abbildung 4A) mit einem Null-Einsteckkraft-Anschluss (ZIF) für die Verbindung mit den Au-Bindungspads am Mikroelektroden-Array und dem Stecker A79040-001 für die Verbindung mit der Kopfstufe des Aufnahmesystems verwendet. Je nach Datenerfassungssystem können auf der Leiterplatte unterschiedliche Steckverbinder verwendet werden, um die Anbindung an die Elektrophysiologie-Kopfbühne zu ermöglichen.

  1. Löten Sie die Omnetics- und ZIF-Anschlüsse an die Leiterplatte, indem Sie einen dünnen Film aus Lötpaste auf jedes der Kontaktpads auf der Leiterplatte auftragen, die Teile an ihren geeigneten Stellen platzieren und auf einer Kochplatte erwärmen, bis das Lot zu Verbindungen zurückfließt (Abbildung 4B).
    HINWEIS: Reflow-Löten kann sehr einfach auf einer Kochplatte oder in einem Toasterofen durchgeführt werden und erfordert nicht die Verwendung eines teuren Reflow-Ofens.
  2. Tragen Sie zwei Schichten Polyimidband (Materialtabelle) auf die Rückseite des Au-Bindungspad-Bereichs des MXene-Mikroelektroden-Arrays auf, um dem Gerät genügend Dicke zu geben, um im ZIF-Stecker gesichert zu werden. Nach dem Auftragen des Bandes, schneiden Sie überschüssige über die Ränder des Parylen-C-Geräts mit einer Rasierklinge oder Präzisionsschere(Abbildung 4C).
  3. Richten Sie entweder unter einem Inspektionsbereich oder mit Lupen das MXene-Mikroelektroden-Array im ZIF-Stecker so aus, dass die Au-Bindungspads mit den Stiften innerhalb des ZIF-Steckers ausgerichtet sind, und schließen Sie dann den ZIF, um eine sichere Verbindung herzustellen (Abbildung 4D,E).
    HINWEIS: Der hier verwendete ZIF-Anschluss ist ein 18-Kanal-Anschluss, während das hier verwendete Gerät 16 Kanäle hat. Die extra unkontaktierten Kanäle lassen sich durch Impedanztests während der Aufnahmesitzungen leicht als offener Schaltkreis identifizieren.
  4. Testen Sie die elektrochemische Impedanz der MXene-Elektroden mit einem Potentiostat, um eine erfolgreiche Fertigung und Verbindung zum Leiterplattenadapter zu gewährleisten.
    HINWEIS: Angemessene Impedanzwerte werden im Diskussionsabschnitt angegeben, um die Fehlerbehebung zu unterstützen.

4. Akute Implantation und neuronale Aufzeichnung

HINWEIS: Operationen an erwachsenen männlichen Sprague Dawley Ratten werden mit sterilen Instrumenten und mit aseptischer Technik durchgeführt. Atemfrequenz, palpebrale Reflex und Pedal Pinch Reflex werden alle 10 min überprüft, um die Tiefe der Anästhesie zu überwachen. Die Körpertemperatur wird mit einem Heizkissen gehalten.

  1. Verabreichen Sie präventive Analgesie (subkutane Injektion von Buprenorphin-sustained Release [SR], 1,2 mg/kg).
  2. Anästhesie verabreichen (intraperitoneale Injektion einer Mischung aus 60 mg/kg Ketamin und 0,25 mg/kg Dexmedetomidin).
  3. Bestätigen Sie das richtige Niveau der Anästhesie alle 10 min während des Experiments, indem Sie auf Das Fehlen von palpebralen und Pedalpinch Reflexen überprüfen.
  4. Sichere Ratte im stereotaxic Rahmen, Okularschmierstoff auf die Augen auftragen und rasierte Kopfhaut mit 10% Povidon-Jod.
  5. Setzen Sie die Calvaria mit einem einzigen Mittellinien-Kopfhautschnitt und stumpfer Zerlegung des darunter liegenden Gewebes aus.
  6. Legen Sie eine 00-90 Schraube in den Schädel, um als Boden für Aufnahmen zu dienen.
  7. Mit einem Zahnbohrer mit einem kleinen Grat, machen Sie eine Kraniotomie an der gewünschten kortikalen Aufnahmestelle.
  8. Befestigen Sie den Array-Anschluss an einem stereotaxic-Manipulator und positionieren Sie das Gerät über der Kraniotomie. Senken Sie vorsichtig, bis das gesamte Array mit dem freiliegenden Kortex in Kontakt ist.
  9. Wickeln Sie den Erddraht um die Schädelschraube.
  10. Schließen Sie die Kopfbühne des Aufzeichnungssystems an das Array an und beginnen Sie mit der Aufzeichnung spontaner Aktivitäten.

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Representative Results

Beispiel-Mikro-ECoG-Daten, die auf einem MXene-Mikroelektroden-Array aufgezeichnet wurden, sind in Abbildung 5dargestellt. Nach dem Auftragen des Elektrodenarrays auf den Kortex waren auf den Aufnahmeelektroden sofort klare physiologische Signale zu erkennen, wobei auf allen MXene-Elektroden etwa 1 mV Amplitude ECoG-Signale auftauchten. Leistungsspektren dieser Signale bestätigten das Vorhandensein von zwei Gehirnrhythmen, die häufig bei Ratten unter Ketamin-Dexmedetomidin-Anästhesie beobachtet werden: 1-2 Hz langsame Schwingungen und Schwingungen bei 40 bis 70 Hz. Zusätzlich wurden während des "Down"-Zustands der langsamen Schwingung eine charakteristische Breitband-Leistungsdämpfung und eine selektive -band-(15-30 Hz) und eine -Band-Verstärkung (40-120 Hz) während des "Up"-Zustands der langsamen Schwingung beobachtet. Die Ergebnisse können je nach der in der Studie verwendeten Tierart, der Zielhirnregion, dem Anästhesietyp und der verstrichenen Zeit seit der Verabreichung der Anästhesie variieren.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des MXene-Syntheseverfahrens. (A) Ti3AlC2 MAX wird einer selektiven Etchant-Lösung (HF, HCl und DI H2O) zugesetzt, was zur Entfernung von Aluminium (Al) führt. (B) Nach dem Waschen der Ätzlösung auf neutralen pH-Wert mit DIH2O wird mehrschichtiges Ti3C2 erhalten. Mehrschichtig Ti3C2 wird mit Li+ aus einer wässrigen Lösung von Lithiumchlorid (LiCl) interkaliert. (C) Nach dem Waschen der Interkalationsreaktion wird eine Sedimentschwellung beobachtet, die den Austausch von Li+ mit H2O darstellt. Die Erregung des geschwollenen Sediments führt zu exfoliierten (oder delaminierten) ein- bis einschichtigen Flocken von Ti3C2 MXen e in H2O. Größenauswahl und Trennung des delaminierten Ti3C2 MXene aus mehrschichtigen Ti3C2 und Ti3AlC2 MAX-Phase tritt in dieser Phase auf. (D) Ti3C2 MXene Tinte wird per Spritze in eine Argon versiegelte Kopfraumdurchstechflasche zur Langzeitlagerung übertragen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Schemata des Herstellungsverfahrens für MXene-Mikroelektroden-Arrays. (A) Die untere Parylen-C-Schicht wird auf einem sauberen Si-Wafer abgelagert. (B) Ti/Au (10 nm/100 nm) leitfähige Spuren werden durch Photolithographie, E-Strahlabscheidung und Abheben gemustert. (C) Es wird eine Antiklebeschicht von 1% Reinigungslösung in DIH2O aufgetragen, gefolgt von der Ablagerung einer Opferparylen-C-Schicht. (D) Die Opferparylen-C-Schicht ist durch Photolithographie und O2 RIE Radierung gemustert. (E) Ti3C2 MXene wird auf den Wafer gegliedert, gefolgt von der E-Strahlabscheidung von 50 nm SiO2. (F) Die Opferparylen-C-Schicht wird abgehoben, Rückstände der Reinigungslösung abgeschmolzen und der Wafer trocken gebacken. (G) Die obere Parylen-C-Schicht wird abgelagert. (H) Eine Al-Etch-Maskenschicht wird durch Photolithographie, E-Beam-Abscheidung und Abheben gemustert, um VIAs und Geräteumrisse zu definieren. (I) Parylen-C über Elektrodenkontakte und umliegende Geräte wird durch O2 RIE weggeätzt. (J) Al Ätzmaske und SiO2 Schutzschicht über MXene werden durch nasse Ätzverfahren weggeätzt. (K) Fertiges Gerät wird vom Wafer abgehoben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Fotos und optische Mikroskopiebilder von MXene-Mikroelektroden-Arrays. (A) Foto eines 3 Zoll Si Wafers mit 14 abgeschlossenen MXene-Mikroelektroden-Arrays. Beachten Sie den Goldring um den äußeren Rand des Wafers, was hilfreich ist, um Schritt 2.7 effektiv durchzuführen. (B) Optisches Mikroskopbild, das das Abschälen eines fertigen Geräts aus dem Wafer mit einer kleinen Menge di H2O. (C) Optisches Mikroskopbild zeigt, das die Anordnung von MXene-Mikroelektroden zeigt. (D) Optisches Mikroskopbild einer einzelnen MXene-Elektrode. Skalenstäbe = 1 cm, 3 mm, 500 m, 20 m (von links nach rechts). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Anbindung des MXene-Mikroelektroden-Arrays an die Adapterplatine. (A) Leiterplatte mit Pads zum Löten von Omnetics- und ZIF-Steckverbindern. (B) Leiterplatte nach dem Löten von Omnetics- und ZIF-Steckverbindern. (C) Zugabe von Polyimidschichten auf der Rückseite der Au-Klebepads der Vorrichtung, um eine ausreichende Dicke für den ZIF-Stecker zu geben. Zwei Schichten Polyimid werden hinzugefügt (oben) und dann um die Kanten (unten) getrimmt. (D) MXene Mikroelektroden-Array in den ZIF-Stecker mit der richtigen Ausrichtung eingesetzt. (E) Obere Ansicht des MXene-Mikroelektroden-Arrays, das mit adapterboard verbunden ist und für ein Aufnahmeexperiment bereit ist. Skalenbalken = 2 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Repräsentative ergebnisse der neuronalen Aufzeichnung. (A) Abbildung der Platzierung des Mikro-ECoG-Arrays auf der kortikalen Oberfläche einer anästhesierten Ratte. (B) Segment der aufgezeichneten kortikalen Aktivität, die für 9 Elektroden dargestellt wird. Vermeintliche kortikale "Down"-Zustände, die auf dem Trog der langsamen Schwingung (1-2 Hz) basieren, werden durch rote Kreise angezeigt. (C) Leistungsspektraldichten für jeden Aufnahmekanal. (D) "Down" staatlich ausgelöstes Scalogram für repräsentativen Micro-ECoG-Kanal. Beachten Sie die Breitband-Leistungsdämpfung während des "Down"-Zustands und der selektiven -bandbreiten (15-30 Hz) und der -band (40-120 Hz) Leistungsverstärkung während des "up"-Zustands. Überlagerte schwarze Spur zeigt durchschnittliche langsame Schwingung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Das in diesem Protokoll beschriebene MXene-Synthese- und Delaminationsverfahren (HF/HCl/LiCl) wurde aus dem MILD-Ätzansatz aufgebaut, der ein LiF/HCl (in situ HF) etchant medium26verwendete. Der MILD-Ansatz ermöglicht es, große Ti3C2-Flocken (mehrere m in seitenseitiger Größe) beim Waschen spontan zu delaminisieren, sobald der pH-Wert von 5 bis 6 erreicht wurde. Im Vergleich zur Radierung allein mit HF führt dies zu Material mit höherer Qualität und verbesserten Materialeigenschaften, wie z. B. elektronischer Leitfähigkeit und chemischer Stabilität. Die HF/HCl/LiCl-Methode nutzt die VERBESSERUNGEN der MILD-Synthese und trennt zusätzlich jeden Schritt (Ätzen, Interkalieren und Delamination) und ermöglicht so eine mehr Benutzersteuerung.

In Schritt 1.1 sind das Verhältnis von Rohstoffen (TiC, Al, Ti), Temperatur, Temperaturrampenrate und Zeit entscheidend, um die richtige MAX-Phase zu erreichen. Das Sieben der MAX-Phase vor dem Ätzen sorgt für eine homogenere Ätzung. Das Hinzufügen der MAX-Phase zu den etchant-Medien (Schritt 1.2) muss langsam durchgeführt werden, um eine Überhitzung zu verhindern, und es wird eine allgemeine Regel von 5 min pro 1 g MAX vorgeschlagen. Wenn Überhitzung zur Herausforderung wird, sollte während der Ti3AlC2 MAX Phase ein Eisbad eingesetzt werden. Beim Waschen der Ätzreaktion auf neutralen pH-Wert (Schritt 1,3) sollte jeder saure Überstand nach zentrifugierentransparent sein. Wenn der Überstand nach der Zentrifugation dunkel oder grün verdünnt ist, erhöhen Sie die Zentrifugenzeit und/oder Geschwindigkeit auf Sedimentmaterial. Da die Zugabe von LiCl zuH2O exotherm ist, wird etwas erhitzt (Schritt 1.4). Bei diesem Verfahren beträgt die Intercalationszeit (Schritt 1.4) 12 h, kann jedoch auf nur 15 Minuten geändert oder verkürzt werden. Die Qualität der Delamination (Schritt 1.5) ist spezifisch für die Wassermenge, die beim Waschen verwendet wird, und auf den Grad der Rührung. Die überdiesen Schritt dekantierten Überräube können verdünnt werden, anstatt transparent zu sein. Wenn die Sedimentation des Materials zu einer Herausforderung wird, sollte die Zentrifugengeschwindigkeit/rcf erhöht werden. Es ist wichtig, die Trennung und Größenauswahl durch Zentrifugierung (Schritt 1.5) durchzuführen, um Polydisperse Proben zu vermeiden. Wenn dieser Schritt nicht ausgeführt wird, entsteht eine Tinte, die sowohl Ti3AlC2 MAX-Phasenkontamination als auch große mehrschichtige Ti3C2-Partikel enthält. In Schritt 1.6 ist es wichtig, dass das Kopfraumvolumen der Durchstechflasche minimiert wird.

Bei der Herstellung der MXene-Mikroelektroden-Arrays gibt es mehrere kritische Schritte, die für die Herstellung funktionierender, hochwertiger Elektroden unerlässlich sind. Es ist wichtig, die erste Fotomaske so zu entwerfen, dass es einen Metallring um den äußeren Rand des Wafers (Schritt 2.2) und die zweite Fotomaske so gestaltet, dass es einen entsprechenden, etwas größeren Durchmesserring gibt, der durch die Opferparylen-C-Schicht (Schritt 2.4) geätzt wird, um die Opferschicht zu entfernen. Ohne diesen Ring kann es schwierig sein, eine Kante zu etablieren, um die Opferparylen-C-Schicht in Schritt 2.7 zu schälen. In Schritt 2.3 ist es wichtig, den WaferO2-Plasma auszusetzen, damit die verdünnte Reinigungslösung richtig nass wird und am Wafer haftet. Wenn dieser Schritt nicht ausgeführt wird, werden Bereiche des Wafers nicht zu einer Anti-Klebstoffschicht angesammelt, was die Entfernung der Opferparylen-C-Schicht in Schritt 2.7 unmöglich macht. Bei der Entfernung der Opferparylen-C-Schicht in Schritt 2.7 ist es wichtig, darauf zu achten, dass die untere Parylen-C-Schicht nicht zerkratzt oder beschädigt wird, da dies zur Bildung von Blasen zwischen dem unteren Parylen-C und dem Si-Wafer und der anschließenden Delamination führen kann. Wenn sich die Opferparylen-C-Schicht nicht leicht schälen lässt, kann in Schritt 2.3.1 eine etwas konzentriertere Reinigungslösung (4% in DI) verwendet werden, oder dieO2-Plasmaexposition in Schritt 2.3.1 kann verlängert werden, um die Hydrophilie der darunter liegenden Parylen-C-Schicht zu verbessern.

Nach Abschluss der Fertigung ist die ordnungsgemäße Anbindung des MXene-Geräts an die Anschlussplatine unerlässlich. Die Zugabe von zwei Schichten Polyimidband in Schritt 3.2 ist wichtig, um die richtige Dicke für das Einführen in den ZIF-Stecker zu gewährleisten, jedoch sollte darauf geachtet werden, versehentliches Falten oder Knirschen des dünnen Parylen-C-Geräts zu vermeiden, während das Band hinzugefügt wird, da es nicht möglich ist, das Band zu entfernen, ohne das Gerät zu beschädigen. Anschließend ist die richtige Ausrichtung der Au-Klebepads am MXene-Gerät mit Stiften innerhalb des ZIF-Steckers (Abbildung 4D) für die Bildung einer robusten Verbindung unerlässlich (Schritt 3.3). In diesem Stadium ist die Messung der Impedanz der MXene-Elektroden hilfreich für die Fehlerbehebung. Eine MXen-Elektrode von 50 x 50 x 50 m sollte bei einer Frequenz von 1 kHz bei 1x PBS eine Impedanzgröße von nahe 50 kHz haben, und eine kreisförmige MXenelektrode mit einem Durchmesser von 25 m sollte unter den gleichen Parametern36eine Impedanzgröße nahe 200 k° aufweisen. Eine deutlich größere Impedanz kann darauf hindeuten, dass die Elektrode im ZIF-Steckverbinder nicht richtig angeschlossen ist oder dass die MXene-Elektrode nicht belichtet ist, wie es passieren kann, wenn entweder die obere Parylen-C-Schicht in Schritt 2.10 nicht vollständig geätzt wurde oder die SiO 2-Schutzschicht in Schritt 2.11 nicht vollständig geätzt wurde.

Eine Einschränkung dieser Methode ist die Variabilität der MXene-Foliendicke, die manchmal beobachtet wird, nachdem MXene auf den Wafer gegossen wurde. Diese Variabilität kann stärker ausgeprägt werden, wenn Elektroden auf größere Flächen skaliert werden. Diese Einschränkung kann leicht überwunden werden, indem Manier-Beschichtung anstelle von Spin-Coating verwenden, um MXene auf den Wafer aufzutragen, was eine weitere einfache, kostengünstige Lösungsverarbeitungsmethode darstellt, mit der MXene und dieses Protokoll kompatibel sind39.

Das hier beschriebene Protokoll bietet spannende neue Möglichkeiten in der Neurowissenschaft und im größeren Bereich der Bioelektronik. Während es seit langem Interesse an der Nutzung kohlenstoffbasierter Nanomaterialien für neuronale Mikroelektroden gibt, ermöglicht die Integration von Ti3C2 MXene in solche Elektroden eine deutlich einfachere und durchsatzstärkere Fertigung, als dies bei anderen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien möglich war. Darüber hinaus verleihen die hervorragenden Eigenschaften von Ti3C2 MXene den Elektroden eine bemerkenswert geringe Impedanz für ihre Größe und verbessern so die Empfindlichkeit und Signalqualität. Ein wachsender Literaturkörper beschreibt auch eine Reihe von Methoden zum Mikromustern von MXen, die für die Herstellung von MXene-Mikroelektroden in der Zukunft angepasst werden können, einschließlich Mikrokontaktdruck40, Inkjet-Druck41,42und automatisierte Skalpellgravur43. Es besteht ein großes Potenzial, dieses Protokoll auf die Herstellung von Ti3C2 MXene Elektroden beliebiger Größe und Geometrie für eine Reihe von Biosensing-Anwendungen zu erweitern.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (Grant-Nr. R21-NS106434), der Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, die Mirowski Family Foundation und Neil und Barbara Smit (F.V.); des National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (Grant-Nr. DGE-1845298 zu N.D. und B.M.); das Heeresforschungsamt (Kooperationsvereinbarungsnummer W911NF-18-2-0026 an K.M.); und von der US Army über das Surface Science Initiative Program am Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 to Y.G. and K.M.). Diese Arbeit wurde teilweise am Singh Center for Nanotechnology durchgeführt, das vom National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153) unterstützt wird.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

  1. Ludwig, K. A., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes. Journal of Neural Engineering. 8, (1), 014001 (2011).
  2. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148, (1), 1-18 (2005).
  3. Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15, (3), 031001 (2017).
  4. Castagnola, E., et al. Smaller, softer, lower-impedance electrodes for human neuroprosthesis: a pragmatic approach. Frontiers in Neuroengineering. 7, 8 (2014).
  5. Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11, (5), 056014 (2014).
  6. Boehler, C., Stieglitz, T., Asplund, M. Nanostructured platinum grass enables superior impedance reduction for neural microelectrodes. Biomaterials. 67, 346-353 (2015).
  7. Petrossians, A., Whalen, J. J., Weiland, J. D., Mansfeld, F. Surface modification of neural stimulating/recording electrodes with high surface area platinum-iridium alloy coatings. 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 3001-3004 (2011).
  8. Meyer, R. D., Cogan, S. F., Nguyen, T. H., Rauh, R. D. Electrodeposited iridium oxide for neural stimulation and recording electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 9, (1), 2-11 (2001).
  9. Ferguson, J. E., Boldt, C., Redish, A. D. Creating low-impedance tetrodes by electroplating with additives. Sensors and Actuators A: Physical. 156, (2), 388-393 (2009).
  10. Kotov, N. A., et al. Nanomaterials for Neural Interfaces. Advanced Materials. 21, (40), 3970-4004 (2009).
  11. Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F., Gross, G. W. Carbon nanotube coating improves neuronal recordings. Nature Nanotechnology. 3, (7), 434-439 (2008).
  12. Lu, Y., et al. Electrodeposited polypyrrole/carbon nanotubes composite films electrodes for neural interfaces. Biomaterials. 31, (19), 5169-5181 (2010).
  13. Green, R. A., Williams, C. M., Lovell, N. H., Poole-Warren, L. A. Novel neural interface for implant electrodes: improving electroactivity of polypyrrole through MWNT incorporation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19, (4), 1625-1629 (2008).
  14. Apollo, N. V., et al. Flexible Freestanding Neural Stimulation and Recording Electrodes Fabricated from Reduced Graphene Oxide. Advanced Functional Materials. 25, (23), 3551-3559 (2015).
  15. Lu, Y., Lyu, H., Richardson, A. G., Lucas, T. H., Kuzum, D. Flexible Neural Electrode Array Based-on Porous Graphene for Cortical Microstimulation and Sensing. Scientific Reports. 6, (1), 33526 (2016).
  16. Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. The Journal of Physical Chemistry B. 107, (48), 13357-13367 (2003).
  17. Ramesh, S., et al. Dissolution of Pristine Single Walled Carbon Nanotubes in Superacids by Direct Protonation. The Journal of Physical Chemistry B. 108, (26), 8794-8798 (2004).
  18. Kim, S. W., et al. Surface modifications for the effective dispersion of carbon nanotubes in solvents and polymers. Carbon. 50, (1), 3-33 (2012).
  19. Wang, M., et al. Nanotechnology and Nanomaterials for Improving Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 28, (12), 1700905 (2017).
  20. Wang, K., Fishman, H. A., Dai, H., Harris, J. S. Neural Stimulation with a Carbon Nanotube Microelectrode Array. Nano Letters. 6, (9), 2043-2048 (2006).
  21. Ansaldo, A., Castagnola, E., Maggiolini, E., Fadiga, L., Ricci, D. Superior Electrochemical Performance of Carbon Nanotubes Directly Grown on Sharp Microelectrodes. ACS Nano. 5, (3), 2206-2214 (2011).
  22. Nimbalkar, S., et al. Ultra-Capacitive Carbon Neural Probe Allows Simultaneous Long-Term Electrical Stimulations and High-Resolution Neurotransmitter Detection. Scientific Reports. 8, 6958 (2018).
  23. Anasori, B., Lukatskaya, M., Gogotsi, Y. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage. Nature Reviews Materials. 2, 16098 (2017).
  24. Anasori, B., Gogotsi, Y. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Structure, Properties and Applications. Springer Nature. Switzerland. (2019).
  25. Naguib, M., et al. Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2. Advanced Materials. 23, (37), 4248-4253 (2011).
  26. Alhabeb, M., et al. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene). Chemistry of Materials. 29, (18), 7633-7644 (2017).
  27. Ghidiu, M., Lukatskaya, M. R., Zhao, M. Q., Gogotsi, Y., Barsoum, M. W. Conductive two-dimensional titanium carbide ‘clay’ with high volumetric capacitance. Nature. 516, (7529), 78-81 (2014).
  28. Lukatskaya, M. R., et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy. 2, 17105 (2017).
  29. Zhu, Y., et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science. 332, (6037), 1537-1541 (2011).
  30. Heon, M., et al. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science. 4, (1), 135-138 (2011).
  31. Yang, X., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L., Li, D. Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage. Science. 341, (6145), 534-537 (2013).
  32. Zhang, C. J., et al. Transparent, Flexible, and Conductive 2D Titanium Carbide (MXene) Films with High Volumetric Capacitance. Advanced Materials. 29, (36), 1702678 (2017).
  33. Han, X., et al. 2D Ultrathin MXene-Based Drug-Delivery Nanoplatform for Synergistic Photothermal Ablation and Chemotherapy of Cancer. Advanced Healthcare Materials. 7, (9), 1701394 (2018).
  34. Dai, C., et al. Biocompatible 2D Titanium Carbide (MXenes) Composite Nanosheets for pH-Responsive MRI-Guided Tumor Hyperthermia. Chemistry of Materials. 29, (20), 8637-8652 (2017).
  35. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28, (17), 3333-3339 (2016).
  36. Driscoll, N., et al. Two-Dimensional Ti3C2 MXene for High-Resolution Neural Interfaces. ACS Nano. 12, (10), 10419-10429 (2018).
  37. Sessolo, M., et al. Easy-to-Fabricate Conducting Polymer Microelectrode Arrays. Advanced Materials. 25, (15), 2135-2139 (2013).
  38. Shuck, C. E., et al. Effect of Ti3AlC2 MAX Phase on Structure and Properties of Resultant Ti3C2Tx MXene. ACS Applied Nano Materials. 2, (6), 3368-3376 (2019).
  39. Hantanasirisakul, K., et al. Fabrication of Ti3C2Tx MXene Transparent Thin Films with Tunable Optoelectronic Properties. Advanced Electronic Materials. 2, (6), 1600050 (2016).
  40. Xu, B., et al. Ultrathin MXene-Micropattern-Based Field-Effect Transistor for Probing Neural Activity. Advanced Materials. 28, (17), 3333-3339 (2016).
  41. Zhang, C., et al. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors. Nature Communications. 10, (1), 1795 (2019).
  42. Quain, E., et al. Direct Writing of Additive-Free MXene-in-Water Ink for Electronics and Energy Storage. Advanced Materials Technologies. 4, (1), 1800256 (2019).
  43. Salles, P., Quain, E., Kurra, N., Sarycheva, A., Gogotsi, Y. Automated Scalpel Patterning of Solution Processed Thin Films for Fabrication of Transparent MXene Microsupercapacitors. Small. 14, (44), 1802864 (2018).

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