用于Vivo神经记录的 Ti3C2 MXene 微电极阵列的制造

Bioengineering

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Summary

在这里,我们描述了一种制造Ti3C2 MXene微电极阵列并利用它们进行体内神经记录的方法。

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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

植入式微电极技术已广泛用于阐明微尺度的神经动力学,从而更深入地了解脑病和损伤的神经基础。由于电极与单个电池的尺度小型化,接口阻抗的相应上升会限制记录信号的质量。此外,传统的电极材料是僵硬的,导致电极和周围脑组织之间的机械不匹配,导致炎症反应,最终导致设备性能下降。为了应对这些挑战,我们开发了一种基于 Ti3C2 MXene 的柔性微电极的制造工艺,这是一种最近发现的纳米材料,具有非常高的体积电容、导电性、表面功能和水分散物的可加工性。Ti3C2 MXene 微电极的柔性阵列具有极低的阻抗,因为 Ti3C2 MXene 薄膜的电导率高,特异性表面积高,并且已证明它们对记录神经元活动非常敏感。在该协议中,我们描述了一种将Ti3C2 MXene微阵列微阵列微阵列到柔性聚合物基板上的新方法,并概述了它们用于体内微电理学记录。该方法可轻松扩展,以创建任意尺寸或几何形状的 MXene 电极阵列,用于生物电子领域的一系列其他应用,并且除 Ti3C2 MXene 外,还可与其他导电油墨一起使用。该协议支持从基于解决方案的导电油墨中简单和可扩展地制造微电极,并特别允许利用亲水性 Ti3C2 MXene 的独特特性来克服长期以来阻碍高保真神经微电极广泛采用碳基纳米材料的许多障碍。

Introduction

了解神经回路的基本机制,以及它们在疾病或损伤中如何改变其动力学,是开发针对各种神经和神经肌肉疾病的有效疗法的关键目标。微电极技术已广泛用于阐明精细空间和时间尺度上的神经动力学。然而,从微尺度电极获得高信噪比(SNR)的稳定记录已证明特别具有挑战性。随着电极尺寸减小到接近蜂窝规模,电极阻抗的相应增加会降低信号质量1。此外,许多研究表明,由传统硅和金属电子材料组成的硬电极在神经组织中产生严重的损伤和炎症,这限制了它们对长期记录2、3、4、5的有用性。鉴于这些事实,人们一直对开发具有新材料的微电极非常感兴趣,这种材料可以减少电极组织界面阻抗,并可以融入软和灵活的外形中。

减少电极组织接口阻抗的一个常用方法是增加细胞外流体中的离子物种与电极相互作用的面积,或电极的"有效表面积"。这可以通过纳米图案6,表面粗加工7,或电镀与多孔添加剂8,9。纳米材料在这一领域得到了很大的关注,因为它们提供了内在高的特异性面积和独特的有利的电气和机械特性组合10。例如,碳纳米管已被用作涂层,以显著减少电极阻抗11,12,13,氧化石墨烯氧化物已加工成柔软,灵活的独立探头电极14,和激光热解多孔石墨烯已用于柔性,低阻抗微电化学(微-ECoG)电极15。尽管它们有希望,但缺乏可扩展的装配方法限制了纳米材料在神经接口电极中的广泛应用。碳基纳米材料尤其具有疏水性,因此需要使用表面活性剂16、超酸17或表面功能化18,形成用于溶液加工制造方法的水分散体,而化学气相沉积(CVD)等替代制造方法通常需要与许多聚合物基材19、20、21不相容的高温, 22.

最近,一类二维(2D)纳米材料,称为MXenes,已被描述,它提供了高导电性,灵活性,体积电容和固有的亲水性的特殊组合,使其成为一个有前途的一类纳米材料的神经接口电极23。MXenes 是一个 2D 过渡金属碳化物和硝化物系列,最常见的是选择性地从分层前体蚀刻 A 元素。这些通常是 MAX 相位与一般公式 Mn_1AXn,其中 M 是早期过渡金属,A 是周期表的组 12-16 元素,X 是碳和/或氮,n = 1、2 或 324。二维 MXene 片具有表面终止功能组,可包括羟基 (+OH)、氧 (+O) 或氟 (+F)。这些功能组使 MXenes 具有固有的亲水性,并实现灵活的表面改性或功能化。在大类MXenes中,Ti3C2的研究范围最广,特征为25、26、27。Ti3C2显示的体积电容 (1,500 F/cm328比活性石墨烯 (+60+100 F/cm329,硬质合金衍生碳素 (180 F/cm330,和石墨烯凝胶薄膜 (+260 F/cm331。此外,Ti3C2表现出极高的电子电导率 (+10,000 S/cm)32,其生物相容性已在若干研究中证明33、34、35、36。Ti3C2薄膜的高容积电容有利于生物传感和刺激应用,因为具有电容电荷转移的电极可以避免潜在的有害水解反应。

我们小组最近展示了灵活的薄膜Ti3C2微电极阵列,使用溶液处理方法制备,能够记录微电图(微-ECoG)和皮内神经尖峰活性,体内SNR36。与尺寸匹配的金 (Au) 电极相比,这些 MXene 电极的阻抗显著减少,这可归因于 MXene 的高导电性和电极的高表面积。在该协议中,我们描述了在柔性丙烯-C基板上制造Ti3C2 MXene的平面微电极阵列并将其用于术中微ECoG记录的关键步骤。此方法利用了 MXene 的亲水性,这使得可以使用简单且可扩展的解决方案处理方法,同时无需使用表面活性剂或超酸剂来实现稳定的水悬浮液。这种易于加工性可使 MXene 生物传感器在工业规模上具有成本效益,这是广泛采用基于其他碳纳米材料的设备的主要限制。电极制造的关键创新在于使用牺牲性聚合物层对自旋涂层后的MXene进行微模式,该方法根据溶液加工的聚(3,4-乙烯二氧硫磷):p丙(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)微电极37进行了文献改编,但之前没有为MXene的图案描述。Ti3C2具有卓越的电气特性,加上其可加工性和二维形态学,使其成为神经接口非常有前途的材料。特别是,Ti3C2为克服电极几何面积和电化学接口阻抗之间的基本权衡提供了一条途径,电化学接口阻抗是微尺度电极性能的主要限制因素。此外,该协议中描述的制造过程可以调整以生产不同尺寸和几何形状的 MXene 电极阵列,以适应不同的记录模式,并且还可以轻松地进行调整,以合并除 MXene 之外的其他导电油墨。

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Protocol

所有体内程序均符合美国国家卫生研究院(NIH)《实验室动物护理和使用指南》,并经宾夕法尼亚大学动物护理和使用委员会(IACUC)批准。

1. Ti3C2 MXene 合成

注:本节中描述的反应程序适用于化学烟气罩内。本步骤中包含的清洗步骤旨在与平衡的离心管一起使用。所有产生的废物均被视为危险废物,应按照大学准则适当丢弃。

注意:氢氟酸 (HF) 是一种极其危险的高腐蚀性酸。有关用于在使用前合成 MXenes 的化学品,请参阅材料安全数据表 (MSDS),并实施并遵循相应的安全措施。处理 HF 的适当个人防护设备 (PPE) 包括实验室外套、耐酸围裙、近趾鞋、长裤、护目镜、全脸护罩、单指手套以及由但基橡胶或氯丁橡胶制成的 HF 耐手套。

  1. MAX相位合成
    1. 通过球铣 TiC (2 μm)、Ti (44 μm) 和 Al (44 μm) 粉末以 2:1:1:1 的摩尔比(TiC:Ti:Al)合成 Ti3AlC2,18小时使用氧化硅球。将粉末放入氧化铝熔炉中,加热至 1,380 °C(5 °C 加热速率),并在 argon 下保持 2 小时。粉末冷却后,通过 200 个网状筛子(<74 μm 颗粒大小)铣削 MAX 块和筛子。
      注:用于合成MXenes的Ti3AlC2 MAX相前体已被证明对由此产生的Ti3C2 MXene特性有直接影响38。用于制造神经电极的Ti3C2是从MAX中选择性地蚀刻的,按照前面的程序26进行。
  2. 蚀刻:在酸性蚀刻液溶液中去除Ti3AlC2中的Al层(1A)
    1. 先加入12 mL的去离子水(DI H2O),然后加入24 mL的盐酸(HCl),在125 mL塑料容器中制备选择性蚀刻溶液。佩戴所有合适的 HF 蚀刻 PPE,在蚀刻容器中加入 4 mL 的 HF。在 400 rpm 转速下,在 35°C 下,在 35°C 下,缓慢地向反应容器中加入 2 g Ti3AlC2 MAX 相位,并使用铁氟龙磁棒搅拌 24 小时,从而执行选择性蚀刻。
  3. 洗涤:将材料置于中性pH。
    1. 用100 mL的DI H2O填充两个175 mL的离心管,将蚀刻反应混合物分解成175 mL离心管,并在3,500rpm(2,550 x g)下反复离心,将酸性上清液分解成塑料危险废物容器5分钟。重复此操作,直到 pH 达到 6。
  4. 间联:在多层MXene粒子之间插入分子以唤醒平面外相互作用(1B)
    1. 将 2 克氯化锂 (LiCl) 加入 100 mL 的 DI H2O,在 200 rpm 转速下搅拌直至溶解。将 100 mL 的 LiCl/H2O 与 Ti3C2/Ti3AlC2沉积物混合,并在 25°C 下搅拌反应 12 小时。
  5. 分层:从散装多层颗粒到单层到几层 Ti3C2 MXene 的去角质 (图 1C
    1. 在175 mL离心管中通过离心在2,550 x g下洗5分钟的间凝反应。重复上述步骤,直到找到深色上清液。
    2. 继续以2,550 x g离心1小时。稀释绿色上清。
    3. 用150 mL的DI H2O重新分散膨胀的沉积物,将上清液转移到50 mL离心管和离心机,在2,550 x g下10分钟,将剩余的MAX(沉淀物)从MXene(上清液)中分离出来。
      注:沉积物的重新分散将变得困难,需要搅拌或手动晃动。
    4. 收集上清液为 Ti3C2 MXene。通过在 2,550 x g的离心步骤下收集上清液 1 小时,进一步选择和优化溶液以隔离单层到几层片。
  6. 解决方案存储:包装 MXene 墨水进行长期存储 (图 1D
    1. Argon 在将溶液装到 Argon 密封头空间小瓶(通过注射器转移)之前,先将溶液泡30分钟。将溶液储存在高浓度(>5 mg/mL)、远离阳光和低温(+5°C)下,以确保使用寿命。

2. 制造 Ti3C2 MXene 微电极阵列

注:本节所述程序适用于标准大学洁净室设施,如宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心。作为国家科学基金会(NSF)支持的国家纳米技术基础设施网络(NNIN)的一部分,该设施以及类似的设施可供外部用户使用。在这些设施中,本节中描述的许多工具、设备和材料与进入洁净室设施一起提供,不需要单独购买。

注意:制造 MXene 电极中使用的许多化学品都是危险的,包括光刻胶、RD6 显影剂、去除剂 PG、铝蚀刻溶液和缓冲氧化物蚀刻剂。使用前请咨询 MSDS,并随时实施并遵循适当的安全措施。所有化学品都应在烟罩中处理。

  1. 将4μm厚的丙烯-C底层沉积在干净的硅晶片上(见图2A)。
  2. 使用第一个光掩膜(掩膜-1)定义器件的金属互连,以及晶圆边缘周围的金属环,以帮助以后的升空步骤(图2B)。
    1. 在 3,000 rpm 转速下将 NR71-3000p 旋转到晶圆上 40 秒。在 95°C 下在热板上软烘烤晶圆 14.5 分钟。
    2. 将晶圆和掩膜-1装入掩膜对齐器中。放置晶圆,使光掩膜上的环与晶圆的所有边缘重叠。
    3. 以 90 mJ/cm2的剂量使用 i 线(365 nm 波长)进行曝光。在 115°C 下在热板上硬烘烤晶圆 1 分钟。
    4. 将晶圆浸入 RD6 显影中 2 分钟,持续搅拌溶液。用 DI H2O 彻底冲洗,然后用 N2喷枪吹干。
    5. 使用电子束蒸发器将 10 nm Ti 沉积,然后将 100 nm Au 沉积到晶圆上。
      注: 典型沉积参数为 5 x10-7 Torr 的基本压力和 2 °/s 的速率。
    6. 将晶圆浸入去除器 PG 中约 10 分钟,直到光刻胶溶解且多余的金属完全脱落,仅将 Ti/Au 保留在所需的互连痕迹和晶圆边缘周围的环中。一旦升空看起来完成,声波30秒,以删除任何多余的金属痕迹。先用干净的去除剂PG溶液冲洗晶圆,然后在DI H2O中彻底冲洗,然后用N2喷枪干燥晶圆。
  3. 沉积牺牲的甲苯-C层(2C)。
    1. 将晶圆暴露在 O2等离子体中 30 s,使底层的甲苯-C 层亲水性。DI H2O 中的旋转涂层 2% 清洁溶液(例如 Micro-90)以 1,000 rpm 的速度将晶圆连接到晶圆上,30 秒。让晶圆至少干燥 5 分钟。
      注:稀肥皂溶液起到抗粘结作用,使牺牲的丙烯-C层在工艺后期被剥离。
    2. 将3 μm的丙烯-C沉积在晶圆上。
  4. 使用第二个光掩膜(掩膜-2)定义晶圆边缘的 MXene 图案和环(图2D)。
    1. 重复步骤 2.2.1_2.2.4,这一次使用蒙版 -2,并在曝光前仔细对齐晶圆和光掩膜之间的对齐标记。
    2. 使用 O2等离子反应电蚀刻 (RIE) 在光刻器未覆盖的区域的牺牲性丙烯-C 层中蚀刻,以定义 MXene 电极和痕迹,这些电极和痕迹应部分与 Ti/Au 互连重叠,以及晶圆边缘周围的环。使用测高仪测量裸露的 Ti/Au 互连和底部丙烯-C 层之间的轮廓,确认牺牲的丙烯-C 层的完整蚀刻。
      注:蚀刻完成后,曝光金属表面的轮廓将光滑,而底部的丙烯-C层将粗糙且部分蚀刻。此蚀刻步骤应在平面蚀刻 RIE 系统中完成,而不是桶形,蚀刻时间和参数将高度依赖于 RIE 系统。
  5. 将 MXene 溶液涂覆到晶圆上 (图 2E)。
    1. 移液器 MXene 溶液到每个所需的 MXene 图案上,然后以 1,000 rpm 转速旋转晶圆 40 秒。 在 120°C 热板上干燥晶圆 10 分钟,以去除 MXene 薄膜中的任何残留水。
  6. 使用电子束蒸发器将 50 nm SiO2沉积到晶圆上,作为 MXene 图案上的保护层,用于后续处理步骤。
    注: 典型沉积参数为 5 x10-7 Torr 的基本压力和 2 °/s 的速率。
  7. 移除牺牲的丙烯-C层,以图案化 MXene 和 SiO2层 (图 2F)。
    1. 在晶圆边缘涂上一小滴DI H2O,并使用钳子剥离牺牲的丙烯-C层,从晶圆外侧环中定义其边缘开始。
      注:水将与牺牲的丙烯-C层下的肥皂残留物结合,以实现这种提升。
    2. 在 DI H2O 中彻底冲洗晶圆,清除剩余的清洁溶液残留物。用 N2喷枪干燥晶圆,然后在 120°C 热板上放置 1 小时,以去除图案 MXene 薄膜中的任何残留水。
  8. 沉积4μm厚的甲苯-C顶层(2G)。
  9. 使用第三个光掩膜(掩膜-3)定义电极和 Au 粘接垫 (VIA) 上的设备轮廓和开口(图 2H)。
    1. 重复步骤 2.2.1_2.2.4,这一次使用蒙版 -3,并在曝光前仔细对齐晶圆和光掩膜之间的对齐标记。
    2. 使用电子束蒸发器将 100 nm Al 沉积到晶圆上。
      注: 典型沉积参数为 5 x10-7 Torr 的基本压力和 2 °/s 的速率。
    3. 将晶圆浸入去除器 PG 中约 10 分钟,直到金属完全提起,使 Al 在设备上盖上电极和粘接垫的开口。升空完成后,用30秒的声波去除任何多余的金属痕迹。先用干净的去除剂PG溶液冲洗晶圆,然后在DI H2O中彻底冲洗,然后用N2喷枪干燥晶圆。
  10. 蚀刻丙烯-C,将设备轮廓和开口图案在电极和 Au 粘接垫 (VIA) 上(图 2I)。使用 O2等离子体 RIE 蚀刻通过设备周围的丙烯-C 层,并通过覆盖 MXene 电极触点和 Au 粘接垫的顶部丙烯-C 层进行蚀刻。
    注:当设备之间的晶圆上没有甲苯-C残留物时,蚀刻完成。覆盖 MXene 的 SiO2层将充当蚀刻停止层,防止 O2等离子体蚀刻到或损坏 MXene 电极触点。
  11. 在 50°C 的 A 型 A 型中,使用湿化学蚀刻将 Al 层蚀刻在 50°C 下蚀刻 10 分钟,或在 A 的所有视觉痕迹消失(以先到者为准)时 1 分钟。使用湿化学蚀刻在 6:1 缓冲氧化物蚀刻 (BOE) 中蚀刻 MXene 电极的 SiO2为 30 s(图 2J)。
    注: MXene 微电极阵列现已完成。
  12. 将一小滴DI H2O放在设备边缘,将设备从Si基板晶圆中释放出来,然后轻轻地剥开设备,因为水在它下面是邪恶的,通过毛细管作用(图2K图3)。

3. 适配器构造和接口

注:此时,薄膜微电极阵列必须与适配器连接,才能连接到电生理学记录系统。该协议中使用的 RHS2000 16-ch stim/记录头级(材料表)的 128ch 刺激/记录控制器需要通过与 18 针连接器 A79039-001 兼容的连接器进行输入。本节使用带有零插入力 (ZIF) 连接器的印刷电路板(PCB,图 4A) 与微电极阵列上的 Au 粘接垫和连接器 A79040-001 接口,用于与记录系统的头部阶段连接。根据数据采集系统的不同,PCB 上可以使用不同的连接器,以便与电生理学头级进行接口。

  1. 将 Omnetics 和 ZIF 连接器焊接到 PCB 上,将一层薄薄的焊胶粘贴到 PCB 上的每个接触垫上,将零件放置在适当的位置,并在热板上加热,直到焊料回流以形成连接(图 4B)。
    注:回流焊接可以很容易地在热板或烤面包机烤箱中完成,无需使用昂贵的回流烤箱。
  2. 在 MXene 微电极阵列的 Au 粘接垫区域的背面应用两层聚酰亚胺胶带(材料表),使器件具有足够的厚度,可以固定在 ZIF 连接器中。涂抹胶带后,使用剃刀刀片或精密剪刀修剪超出丙烯-C设备边缘的任何多余的内容(图4C)。
  3. 在检查范围或使用放大镜下,对齐 ZIF 连接器中的 MXene 微电极阵列,使 Au 粘接垫与 ZIF 连接器内的引脚对齐,然后关闭 ZIF 以形成安全连接(图 4D,E)。
    注: 此处使用的 ZIF 连接器是 18 通道连接器,而此处使用的设备有 16 个通道。额外的未接触通道可通过记录会话期间的阻抗测试轻松识别为开路。
  4. 使用电位器测试 MXene 电极的电化学阻抗,以确保成功制造和连接到 PCB 适配器。
    注: 讨论部分给出了合理的阻抗值,以帮助进行故障排除。

4. 急性植入和神经记录

注:对成年雄性斯普拉格·道利大鼠的手术使用无菌仪器和无菌技术进行。每10分钟检查一次呼吸速率、帕佩布拉反射和踏板捏反射,以监测麻醉深度。使用加热垫保持体温。

  1. 管理先发制人的性肛门病(皮下注射丁丙诺啡持续释放[SR],1.2毫克/千克)。
  2. 施用麻醉(注射60毫克/千克氯胺酮和0.25毫克/千克脱模胺的混合物)。
  3. 在整个实验中,通过检查是否不存在帕佩布和踏板捏合反射,每10分钟确认适当的麻醉水平。
  4. 将大鼠固定在立体框架中,在眼睛上涂抹眼部润滑剂,用 10% 的波维酮碘清洁剃光的头皮。
  5. 用单中线头皮切口和钝切除基础组织,暴露卡瓦里。
  6. 将 00-90 螺钉放入头骨,作为录音的接地。
  7. 使用带有小毛刺的牙科钻头,在所需的皮质记录部位进行颅骨切除术。
  8. 将阵列连接器固定到立体机械手上,并将设备置于颅内。轻轻降低,直到整个阵列与暴露的皮层接触。
  9. 将接地线包裹在头骨螺钉上。
  10. 将录音系统头台连接到阵列并开始录制自发活动。

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Representative Results

在MXene微电极阵列上记录的微ECoG数据样本如图5所示。在将电极阵列应用于皮层后,清晰的生理信号立即在记录电极上显现出来,所有 MXene 电极上都出现了大约 1 mV 振幅 ECoG 信号。这些信号的功率谱证实了在氯胺酮-脱模素麻醉下大鼠中常见的两种大脑节律的存在:1⁄2 Hz缓慢振荡和40-70 Hz的β振荡。 此外,在慢振荡的"下降"状态下,观察到一个特征宽带功率衰减,在慢振荡的"向上"状态下观察到选择性+频带(15~30 Hz)和+波段(40~120Hz)功率放大。结果可能因研究中使用的动物种类、目标大脑区域、麻醉类型以及麻醉后经过的时间而异。

Figure 1
图1:描述MXene合成过程的原理图。A) Ti3AlC2 MAX 被添加到选择性蚀刻溶液(HF、HCl 和 DI H2O)中,从而去除铝 (Al)。(B) 使用DI H2O将蚀刻溶液洗至中性pH后,获得多层Ti3C2。多层 Ti3C2与 Li+从氯化锂 (LiCl) 的水溶液中穿插。(C) 洗涤间反应后,观察到沉积物膨胀,代表Li+与H2O的搅动,使膨胀的沉积物在H2O中分离(或去层)的Ti3C2 MXene的单层到几层片,尺寸选择和分离的分层Ti3C2 MXene从多层Ti3C2和Ti3AlC2 MAX相发生。(D) Ti3C2 MXene 墨水通过注射器转移到 Argon 密封头空间小瓶中,以便长期存放。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:MXene微电极阵列的制造过程原理图。A) 底部的丙烯-C层沉积在干净的硅片上。(B) Ti/Au (10 nm/100 nm) 导电轨迹通过光刻、电子束沉积和提升进行图案化。(C) 在DI H2O中涂上1%的抗粘附溶液,然后沉积牺牲的甲苯-C层。(D) 牺牲的丙烯-C层通过光刻和 O2 RIE 蚀刻进行图案化。(E) Ti3C2 MXene 被旋转涂层到晶圆上,然后是 50 nm SiO2的 e-beam 沉积。(F) 将牺牲的丙烯-C层提起,清洗溶液的残留物被冲洗掉,将晶圆烘焙干燥。(G) 上层-C层沉积。(H) Al 蚀刻掩模层通过光刻、电子束沉积和提升来图案,以定义 VIA 和设备轮廓。(I) 在电极触点和周围设备上蚀刻通过 O2 RIE 的丙烯-C。(J) Al 蚀刻面膜和 SiO2保护层在 MXene 上通过湿蚀刻工艺蚀刻。(K) 成品装置从晶圆上抬起。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:MXene微电极阵列的照片和光学显微镜图像。A) 包含 14 个已完成的 MXene 微电极阵列的 3 英寸 Si 晶圆的照片。注意晶圆外边缘周围的金环,这有助于有效地执行步骤 2.7。(B) 光学显微镜图像显示一个已完成的装置从晶圆上剥落,使用少量的DI H2O (C) 光学显微镜图像显示MXene微电极阵列。(D) 单个 MXene 电极的光学显微镜图像。刻度条 = 1 厘米、3 毫米、500 μm、20 μm(从左到右)。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:将 MXene 微电极阵列与适配器板连接。A) PCB,带用于焊接 Omnetics 和 ZIF 连接器的焊盘。(B) 印刷后印刷和 ZIF 连接器的 PCB.(C) 在设备的Au粘接垫背面添加聚酰亚胺层,为ZIF连接器提供足够的厚度。添加两层聚酰亚胺(顶部),然后在边缘周围修剪(底部)。(D) MXene 微电极阵列插入 ZIF 连接器中,并正确对齐。(E) 连接到适配器板的 MXene 微电极阵列的顶视图,可进行记录实验。比例尺 = 2 毫米。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:代表性神经记录结果。A) 在麻醉大鼠皮质表面放置微ECoG阵列的图示。(B) 9个电极显示的有记录皮质活性的片段。基于慢振荡槽(1⁄2 Hz)的假定皮质"向下"状态由红色圆圈表示。(C) 每个记录通道的功率频谱密度。(D) 代表微ECoG通道的"向下"状态触发的显量图。请注意"关闭"状态和选择性 + 频段 (15+30 Hz) 和 +频带 (40+120 Hz) 在"向上"状态期间的宽带功率衰减。叠加的黑色轨迹显示平均缓慢振荡。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

本议定书中描述的MXene合成和脱毛程序(HF/HCl/LiCl)采用MILD蚀刻方法,采用LiF/HCl(原位HF)蚀刻介质26。MILD 方法允许一旦达到 pH +5+6 即可在洗涤过程中自发地解压大 Ti3C2片(横向大小为几 μm)。与仅使用高频蚀刻相比,这会产生更高质量的材料,提高材料性能,如电子导电性和化学稳定性。HF/HCl/LiCl 方法利用 MILD 合成改进,同时额外分离每个步骤(蚀刻、间接和分层),从而允许更多的用户控制。

在步骤 1.1 中,原材料(TiC、Al、Ti)、温度、温度斜率和时间比率对于实现正确的 MAX 相位至关重要。在蚀刻之前对 MAX 相位进行筛分将确保更均匀的蚀刻。必须缓慢地将 MAX 相位添加到蚀刻介质(步骤 1.2),以防止过热,并建议采用每 1 g MAX 5 分钟一般规则。如果过热成为挑战,在添加 Ti3AlC2 MAX 相位时应使用冰浴。将蚀刻反应洗至中性pH值(步骤1.3)时,离心后的每个酸性上清液应透明。如果离心后上清液为深或稀释绿色,则增加离心机时间和/或沉淀材料的速度。由于将 LiCl 添加到 H2O 是外热的,因此会发生一些加热(步骤 1.4)。在此过程中,间定时间(步骤 1.4)为 12 小时,但可以修改或缩短至 15 分钟。分层的质量(步骤1.5)是特定于洗涤过程中使用的水量和搅拌程度。此步骤中变形的超生物可能会稀释而不是透明。如果材料沉淀成为一项挑战,则应使用提高离心机速度/rcf。通过离心执行分离和尺寸选择(步骤 1.5)以避免多分散样品至关重要。如果无法执行此步骤,将导致墨水同时具有 Ti3AlC2 MAX 相污染和大型多层 Ti3C2颗粒。在步骤 1.6 中,必须最小化小瓶的头部空间体积。

在 MXene 微电极阵列的制造过程中,有几个关键步骤对于生产功能完备的高质量电极至关重要。设计第一个光掩膜非常重要,这样在晶圆的外边缘(步骤 2.2)和第二个光掩膜周围有一个金属环,这样,有一个相应的、直径稍大的环,将通过牺牲的丙烯-C层(步骤 2.4)层蚀刻,以帮助去除牺牲层。如果没有此环,在步骤 2.7 中开始剥离牺牲的甲苯-C 层可能难以建立边缘。在步骤 2.3 期间,将晶圆暴露在 O2等离子体中,以使稀释清洁溶液正确湿润并粘附在晶圆上至关重要。如果无法执行此步骤,将导致晶圆区域无法积聚抗粘合层,因此无法在步骤 2.7 中移除牺牲的丙烯-C 层。在步骤 2.7 中去除牺牲的丙烯-C 层时,请务必小心避免刮伤或损坏底部的丙烯-C层,因为这可能导致底部丙烯-C 和 Si 晶圆之间形成气泡,并随后出现分层。如果牺牲的丙烯-C层不易剥离,则步骤 2.3.1 中可以使用稍微浓度稍高的清洁溶液(DI 中的 4%),或者可以延长步骤 2.3.1 中的 O2等离子体暴露,以改善底层甲苯-C 层的亲水性。

制造完成后,必须正确连接 MXene 设备与连接器板。在步骤 3.2 中添加两层聚酰亚胺胶带对于确保插入 ZIF 连接器时具有适当厚度至关重要,但应注意避免在添加磁带时意外折叠或皱褶薄的丙烯-C 设备,因为在不损坏设备的情况下无法取出胶带。随后,在 MXene 设备上正确对齐 MXene 设备上的 Au 粘接垫,其引脚位于 ZIF 连接器内(图 4D)对于形成稳固的连接(步骤 3.3)至关重要。在此阶段,测量 MXene 电极的阻抗有助于故障排除。在 1x PBS 中,在 1 kHz 频率下,50 μm x 50 μm 平方 MXene 电极的阻抗幅度应接近 50 kΩ,而直径为 25 μm 的圆形 MXene 电极在相同参数36下应具有接近 200 kΩ 的阻抗幅度。明显大于此的阻抗可能表示电极未在 ZIF 连接器中正确连接,或者 MXene 电极未暴露,如果步骤 2.10 中的顶部丙烯-C 层未完全蚀刻,或者步骤 2.11 中未完全蚀刻 SiO2保护层,则可能发生此情况。

此方法的一个限制是 MXene 薄膜厚度的可变性,有时在将 MXene 旋转到晶圆上后观察到这种变化。如果电极放大到更大的区域,这种变异性会变得更加明显。通过利用喷涂代替自旋涂层将 MXene 应用于晶圆,可以轻松克服这一限制,这是 MXene 和该协议兼容的另一种简单、低成本的解决方案处理方法,与该协议兼容39

这里描述的协议在神经科学和生物电子学的更大领域提供了令人振奋的新机遇。虽然长期以来人们一直对利用碳基纳米材料用于神经微电极感兴趣,但将 Ti3C2 MXene 集成到此类电极中,与其他碳基纳米材料相比,其制造过程要简单得多,而且具有更高的产量。此外,Ti3C2 MXene 的出色性能使电极其尺寸具有极低的阻抗,从而提高了灵敏度和信号质量。越来越多的文献也描述了一些微图案MXene的方法,这些方法可能适用于制造MXene微电极在未来,包括微接触印刷40,喷墨打印41,42和自动手术刀雕刻43。扩展此协议以制造任意尺寸和几何形状的 Ti3C2 MXene 电极,为一系列生物传感应用具有巨大潜力。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了国家卫生研究院的支持(赠款号为No.R21-NS106434),公民癫痫研究联合组织飞行奖,米罗夫斯基家庭基金会和尼尔和芭芭拉·斯密特(F.V.);国家科学基金会研究生研究奖学金计划(赠款号DGE-1845298 到 N.D. 和 B.M.;陆军研究办公室(合作协议号W911NF-18-2-0026至K.M.);由美国陆军通过埃奇伍德化学生物中心的表面科学倡议计划(PE 0601102A项目VR9到Y.G.和K.M.)。这项工作部分在辛格纳米技术中心进行,该中心得到国家科学基金会国家纳米技术协调基础设施项目(NNCI-1542153)的支持。

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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