تلفيق Ti3C2 MXene Microelectrode صفائف في فيفو التسجيل العصبي

Summary

نحن نصف هنا طريقة لتلفيق تي₃C₂ MXene صفائف microelectrode واستخدامها في التسجيل العصبي في الجسم الحي.

Abstract

وقد استخدمت على نطاق واسع تقنيات القطب المجهري القابلة للزرع لتوضيح الديناميات العصبية على نطاق صغير للحصول على فهم أعمق للأسس العصبية لأمراض الدماغ والإصابة. كما يتم تصغير الأقطاب الكهربائية إلى حجم الخلايا الفردية، وارتفاع المقابلة في مقاومة واجهة يحد من نوعية الإشارات المسجلة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مواد القطب التقليدية قاسية ، مما يؤدي إلى عدم تطابق ميكانيكي كبير بين القطب وأنسجة الدماغ المحيطة به ، مما يؤدي إلى استجابة التهابية تؤدي في النهاية إلى تدهور أداء الجهاز. لمواجهة هذه التحديات، قمنا بتطوير عملية لتصنيع أقطاب كهربائية دقيقة مرنة على أساس Ti₃C₂ MXene، وهي مادة نانوية تم اكتشافها مؤخرًا وتمتلك مكثفات حجمية عالية بشكل ملحوظ، وتوصيلية كهربائية، ووظائف سطحية، وقابلية المعالجة في تشتت مائي. صفائف مرنة من تي₃C₂ MXene microelectrodes لديها مقاومة منخفضة بشكل ملحوظ بسبب الموصلية العالية ومساحة سطح محددة عالية من أفلام Ti₃C₂ MXene ، وقد أثبتت أنها حساسة بشكل رائع لتسجيل نشاط الخلايا العصبية. في هذا البروتوكول، ونحن نصف طريقة جديدة لmicropatterning Ti₃C₂ MXene في صفائف القطب الدقيق على ركائز البوليمر مرنة والخطوط العريضة لاستخدامها في تسجيل الكهروكورتيكة الدقيقة في الجسم الحي. يمكن تمديد هذه الطريقة بسهولة لإنشاء صفائف أقطاب MXene ذات الحجم التعسفي أو الهندسة لمجموعة من التطبيقات الأخرى في الإلكترونيات الحيوية ويمكن أيضًا تكييفها للاستخدام مع الأحبار الموصلية الأخرى إلى جانب Ti₃C₂ MXene. يتيح هذا البروتوكول تصنيع الأقطاب الكهربائية الدقيقة البسيطة والقابلة للتطوير من الأحبار الموصلة المستندة إلى الحلول ، ويسمح على وجه التحديد بتسخير الخصائص الفريدة للـ Ti₃C₂ MXene المائية للتغلب على العديد من الحواجز التي أعاقت لفترة طويلة اعتماد المواد النانوية المستندة إلى الكربون على نطاق واسع للأقطاب العصبية الدقيقة عالية الدقة.

Introduction

إن فهم الآليات الأساسية الكامنة وراء الدوائر العصبية، وكيفية تغيير ديناميكياتها في المرض أو الإصابة، هو هدف حاسم لتطوير علاجات فعالة لمجموعة واسعة من الاضطرابات العصبية والعصبية والعضلية. وقد استخدمت تكنولوجيات القطب المجهري على نطاق واسع لتوضيح الديناميات العصبية على المقاييس المكانية والزمنية الدقيقة. ومع ذلك، فقد ثبت أن الحصول على تسجيلات مستقرة مع نسبة عالية من الإشارات إلى الضوضاء (SNR) من الأقطاب الكهربائية ذات المستويات الدقيقة أمر صعب بشكل خاص. كما يتم تقليل أبعاد الأقطاب الكهربائية لنهج النطاق الخلوي، وارتفاع المقابلة في مقاومة القطب يحط من جودة الإشارة^1. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت العديد من الدراسات أن الأقطاب الكهربائية الجامدة المكونة من مواد إلكترونية تقليدية من السيليكون والمعادن تنتج تلفًا والتهابًا كبيرًا في الأنسجة العصبية ، مما يحد من فائدتها للتسجيل على المدى الطويل^2و3و4و5. وبالنظر إلى هذه الحقائق، كان هناك اهتمام كبير في تطوير الأقطاب الكهربائية الدقيقة مع مواد جديدة والتي يمكن أن تقلل من مقاومة واجهة القطب والأنسجة ويمكن دمجها في عوامل الشكل لينة ومرنة.

إحدى الطرق الشائعة الاستخدام للحد من مقاومة واجهة الأقطاب الكهربائية هي زيادة المنطقة التي يمكن أن تتفاعل عليها الأنواع الأيونية في السائل خارج الخلية مع القطب الكهربائي ، أو "منطقة السطح الفعالة" للقطب الكهربائي. ويمكن تحقيق ذلك من خلال nanopatterning⁶، سطح خشونة⁷، أو الكهربائي مع إضافات مسامية^8،9. وقد اكتسبت المواد النانوية اهتماما كبيرا في هذا المجال لأنها توفر مناطق سطحية محددة في جوهرها عالية وتركيبات فريدة من الخصائص الكهربائية والميكانيكية مواتية^10. على سبيل المثال، وقد استخدمت الأنابيب النانوية الكربونية كطلاء للحد بشكل كبير من مقاومة القطب الكهربائي^11،12،13، أكسيد الجرافين في لينة ومرنة أقطاب التحقيق القائمة بذاتها¹⁴، وقد استخدمت الليزر الجرافين المسامية للمرنة ، وانخفاض مقاومة الصغرى الكهربائي (مايكرو ECoG) أقطاب كهربائية¹⁵. على الرغم من وعدهم ، أدى عدم وجود أساليب تجميع قابلة للتطوير إلى الحد من اعتماد المواد النانوية على نطاق واسع للأقطاب العصبية المتداخلة. المواد النانوية الكربونية على وجه الخصوص هي عادة مسعورة، وبالتالي تتطلب استخدام المواد السطحية^16،superacids^17،أو وظائف السطح¹⁸ لتشكيل تشتت مائي لطرق تصنيع معالجة الحلول، في حين أن أساليب بديلة للتصنيع، مثل ترسب البخار الكيميائي (CVD)، وعادة ما تتطلب درجات حرارة عالية والتي لا تتوافق مع العديد من الركائز البوليمرية^{19،20،21 ،22}.

في الآونة الأخيرة ، تم وصف فئة من المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D) ، والمعروفة باسم MXenes ، والتي توفر مزيجًا استثنائيًا من الموصلية العالية ، والمرونة ، والكثافة الحجمية ، وhydrophilicity المتأصلة ، مما يجعلها فئة واعدة من المواد النانوية للأقطاب العصبية المتداخلة^23. MXenes هي عائلة من كاربيدات معدنية 2D الانتقال والنييريدات التي تنتج هاهي الأكثر شيوعا عن طريق النقش انتقائي اعنصر من السلائف الطبقات. هذه هي عادة مراحل MAX مع الصيغة العامة M_n+1AX_n، حيث M هو معدن الانتقال المبكر ، A هو عنصر مجموعة 12-16 من الجدول الدوري ، X هو الكربون و / أو النيتروجين ، وn = 1 ، 2 ، أو 3²⁴. تحتوي رقائق MXene ثنائية الأبعاد على مجموعات وظيفية منتهية السطح يمكن أن تشمل الهيدروكسيل (−OH) أو الأكسجين (−O) أو الفلور (−F). هذه المجموعات الوظيفية تجعل MXenes بطبيعتها مائية وتمكن من تعديل السطح المرن أو وظيفية. من فئة كبيرة من MXenes، Ti₃C₂ وقد تم الأكثر دراسة على نطاق واسع وتتميز^25،26،27. Ti₃C₂ يظهر زيادة كبيرة بشكل ملحوظ الكمتري (1,500 F/cm³)²⁸ من الجرافين المنشط (~ 60−100 F/cm³)^29,الكربونات المشتقة من كربيد (180 F/cm³)^30,وأفلام هلام الجرافين (~260 F/cm³)³¹. وعلاوة على ذلك، Ti₃C₂ يظهر الموصلية الإلكترونية عالية للغاية (~ 10،000 S/cm)^32،وقد ثبت التوافق البيولوجي في العديد من الدراسات^{33،34،35،36.} السعة الحجمية العالية لأفلام Ti₃C₂ مفيدة لتطبيقات الاستشعار والتحفيز البيولوجي ، لأن الأقطاب الكهربائية التي تحمل نقل الشحن ة بالسعة يمكن أن تتجنب تفاعلات التحلل المائي الضارة المحتملة.

وقد أظهرت مجموعتنا مؤخرا مرنة، رقيقة فيلم تي₃C₂ صفائف microelectrode، أعدت باستخدام طرق معالجة الحلول، والتي هي قادرة على تسجيل كل من الميكروكهربية (مايكرو ECoG) ونشاط الخلايا العصبية داخل القشرية في الجسم الحي مع SNR³⁶عالية . أظهرت هذه الأقطاب الكهربائية MXene مقاومة منخفضة بشكل كبير مقارنة بأقطاب الذهب المتطابقة مع الحجم (Au) ، والتي يمكن أن تعزى إلى الموصلية العالية لـ MXene ومساحة السطح العالية للأقطاب الكهربائية. في هذا البروتوكول، ونحن نصف الخطوات الرئيسية لتلفيق صفائف microelectrode بلانتار من Ti₃C₂ MXene على ركائز مرنة parylene-C واستخدامها في الجسم الحي لتسجيل مايكرو ECoG داخل المنطوق. تستفيد هذه الطريقة من الطبيعة المائية لـ MXene ، مما يجعل من الممكن استخدام طرق معالجة الحلول البسيطة والقابلة للتطوير مع عدم الحاجة إلى استخدام المواد السطحية أو الحموضة الفائقة لتحقيق تعليق مائي مستقر. وقد تتيح سهولة المعالجة هذه إنتاج أجهزة الاستشعار البيولوجية MXene على نطاقات صناعية على نحو فعال من حيث التكلفة، وهو ما يشكل قيداً رئيسياً على اعتماد الأجهزة على نطاق واسع استناداً إلى مواد نانوية كربونية أخرى. الابتكار الرئيسي في تصنيع القطب يكمن في استخدام طبقة بولميرية التضحية لmicropattern MXene بعد تدور الطلاء، وهي طريقة مقتبسة من الأدب على بولي معالجة الحل (3،4-ethylenedioxythiophene) :poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) microelectrodes³⁷، ولكن التي لم تكن قد وصفت سابقا لنمط MXene. الخصائص الكهربائية الاستثنائية من Ti₃C₂، إلى جانب قابليتها للمعالجة ومورفولوجيا 2D جعلها مادة واعدة للغاية للواجهات العصبية. وعلى وجه الخصوص، يوفر Ti₃C₂ طريقاً نحو التغلب على المفاضلة الأساسية بين المنطقة الهندسية للقطب الكهربائي ومقاومة الواجهة الكهروكيميائية، وهو عامل رئيسي يحد من أداء الأقطاب الكهربائية على نطاق صغير. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكييف إجراء التصنيع الموصوف في هذا البروتوكول لإنتاج صفائف أقطاب MXene ذات الأحجام والهندسات المختلفة لنماذج التسجيل المختلفة ، ويمكن أيضًا تكييفها بسهولة لدمج الأحبار الموصلة الأخرى إلى جانب MXene.

Protocol

جميع الإجراءات في الجسم الحي مطابقة لدليل المعاهد الوطنية للصحة (المعاهد الوطنية للصحة) لرعاية واستخدام الحيوانات المختبرية وتمت الموافقة عليها من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) من جامعة بنسلفانيا.

1. توليف Ti₃C₂ MXene

ملاحظة: إجراءات التفاعل الموضحة في هذا القسم مخصصة للاستخدام داخل غطاء الدخان الكيميائي. والمقصود خطوات الغسيل المدرجة في هذا الإجراء لاستخدامها مع أنابيب الطرد المركزي متوازنة. وتعتبر جميع النفايات المنتجة نفايات خطرة وينبغي التخلص منها على النحو المناسب وفقا للمبادئ التوجيهية للجامعة.

تنبيه: حمض الهيدروفلوريك (HF) هو حمض خطير للغاية وشديد التآكل. راجع صحائف بيانات سلامة المواد (MSDS) للمواد الكيميائية المستخدمة في توليف MXenes قبل الاستخدام وتنفيذ واتباع تدابير السلامة المناسبة. تشمل معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) للتعامل مع HF معطفًا مختبريًا ، ومئزرًا مقاومًا للحمض ، وأحذية قريبة الأصابع ، وسراويل طويلة ، ونظارات واقية ، ودرع الوجه الكامل ، وقفازات النتريل ، وقفازات مقاومة HF مصنوعة من مطاط بوتيل أو مطاط النيوبرين.

1. MAX مرحلة التوليف
   1. توليف Ti₃AlC₂ بواسطة طحن الكرة TiC (2 ميكرون)، Ti (44 ميكرومتر)، ومسحوق Al (44 ميكرومتر) بنسبة ضرس (TiC:Ti:Al) من 2:1:1 لـ 18 ساعة باستخدام كرات الزركونيا. وضع مساحيق في بوتقة الألومينا، والحرارة إلى 1380 درجة مئوية (5 درجة مئوية معدل التدفئة) وعقد لمدة 2 ساعة تحت الأرجون. بعد تبريد المساحيق، قم بطحن كتلة MAX وغربالها من خلال منخل شبكي 200 (<74 ميكرومتر حجم الجسيمات).
      ملاحظة: وقد ثبت أن Ti₃AlC₂ MAX المرحلة السلائف المستخدمة لتوليف MXenes أن يكون لها آثار مباشرة على الخصائص الناتجة تي₃C₂ MXene³⁸. Ti₃C₂ المستخدمة لتلفيق الأقطاب العصبية كانت محفورة بشكل انتقائي من MAX أعدت بعد إجراء سابق²⁶.
2. النقش: إزالة طبقة Al في Ti₃AlC₂ في محلول etchant حمضي(الشكل 1A)
   1. إعداد محلول النقش الانتقائي في حاوية بلاستيكية 125 مل عن طريق إضافة 12 مل من الماء المنزوع الأيونات (DI H₂O) تليها إضافة 24 مل من حمض الهيدروكلوريك (HCl). ارتداء جميع معدات الحماية الشخصية المحفورة HF المناسبة، إضافة 4 مل من HF إلى حاوية etchant. تنفيذ النقش الانتقائي عن طريق إضافة ببطء 2 غرام من تي₃AlC₂ MAX المرحلة إلى حاوية التفاعل والتحريك مع شريط تيفلاون المغناطيسي لمدة 24 ساعة في 35 درجة مئوية في 400 دورة في الدقيقة.
3. الغسيل: جلب المادة إلى درجة الحموضة المحايدة.
   1. ملء اثنين من أنابيب الطرد المركزي 175 مل مع 100 مل من DI H₂O. تقسيم خليط تفاعل النقش إلى 175 مل أنابيب الطرد المركزي وغسل المواد عن طريق الطرد المركزي المتكرر في 3500 دورة في الدقيقة (2550 × ز)لمدة 5 دقيقة. Decant supernatant الحمضية في حاوية النفايات الخطرة البلاستيكية. كرر حتى تصل درجة الحموضة إلى 6.
4. التكال: إدخال الجزيئات بين جسيمات MXene متعددة الطبقات لإيقاظ التفاعلات خارج المستوى(الشكل 1B)
   1. أضف 2 غرام من كلوريد الليثيوم (LiCl) إلى 100 مل من DI H₂O وحرك عند 200 دورة في الدقيقة حتى يذوب. مزيج 100 مل من LiCl / H₂O مع تي₃C₂/ Ti₃AlC₂ الرواسب وتحريك رد الفعل لمدة 12 ساعة في 25 درجة مئوية.
5. علم التقطير: تقشير من الجسيمات متعددة الطبقات السائبة إلى طبقة واحدة إلى قليلة Ti₃C₂ MXene(الشكل 1C)
   1. غسل التفاعل البيني في 175 أنابيب الطرد المركزي مل عن طريق الطرد المركزي في 2550 × ز لمدة 5 دقيقة. Decant supernatant واضحة. كرر حتى يتم العثور على supernatant الظلام.
   2. الاستمرار في الطرد المركزي لمدة ساعة واحدة عند 2,550 × ز. Decant وsupernatant تمييع الخضراء.
   3. إعادة تفريق الرواسب المنتفخة مع 150 مل من DI H₂O. نقل supernatant إلى 50 مل أنابيب الطرد المركزي والطرد المركزي في 2550 × ز لمدة 10 دقائق لفصل ماكس المتبقية (الرواسب) من MXene (supernatant).
      ملاحظة: إعادة تشتت الرواسب سوف تصبح صعبة وسوف تتطلب الانفعالات أو اهتزاز يدوي.
   4. جمع supernatant كما Ti₃C₂ MXene. قم بإجراء المزيد من اختيار الحجم وتحسين الحل لعزل رقائق الطبقة المفردة إلى القليلة عن طريق جمع الـ supernatant بعد خطوة الطرد المركزي عند 2,550 x g لساعة واحدة.
6. حل التخزين: تغليف الحبر MXene للتخزين على المدى الطويل(الشكل 1D)
   1. Argon فقاعة الحلول لمدة 30 دقيقة قبل التعبئة والتغليف في قارورة مساحة الرأس مختومة الأرجون (نقل عن طريق حقنة). تخزين الحلول بتركيزات عالية (>5 ملغم/مل)، بعيدًا عن أشعة الشمس، وفي درجات حرارة منخفضة (≤5 درجة مئوية) لضمان طول العمر.

2. تصنيع Ti₃C₂ MXene Microelectrode صفائف

ملاحظة: الإجراء الموصوف في هذا القسم مخصص للاستخدام داخل مرفق غرفة نظيفة قياسية في الجامعة، مثل مركز سينغ لتكنولوجيا النانو في جامعة بنسلفانيا. هذا المرفق، فضلا عن مرافق مماثلة، متاحة للمستخدمين الخارجيين كجزء من الشبكة الوطنية للبنية التحتية لتكنولوجيا النانو (NNIN) بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF). في هذه المرافق، يتم توفير العديد من الأدوات والمعدات والمواد الموصوفة في هذا القسم جنبا إلى جنب مع الوصول إلى مرفق غرفة نظيفة ولن تتطلب شراء منفصلة.

تنبيه: العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في تصنيع أقطاب MXene خطرة ، بما في ذلك مقاومة ضوئية ، مطور RD6 ، PG مزيل ، محلول محفور الألومنيوم ، وetchant أكسيد المخزنة. استشارة MSDS لهذه المواد الكيميائية قبل استخدامها وتنفيذ واتباع تدابير السلامة المناسبة في جميع الأوقات. وينبغي التعامل مع جميع المواد الكيميائية في غطاء الدخان.

1. إيداع طبقة أسفل سميكة 4 ميكرومتر من الباريلين-C على رقاقة Si نظيفة (انظر الشكل 2A).
2. استخدام قناع الضوئي الأول (قناع-1) لتحديد التشابكات المعدنية للأجهزة، فضلا عن حلقة معدنية حول حافة رقاقة للمساعدة في خطوات الإقلاع في وقت لاحق(الشكل 2B).
   1. سبين معطف NR71-3000p على رقاقة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 40 s. لينة خبز رقاقة على لوحة ساخنة لمدة 14.5 دقيقة في 95 درجة مئوية.
   2. تحميل رقاقة وقناع-1 في المصفف قناع. ضع الرقاقة بحيث يتداخل الخاتم على قناع الضوئي مع جميع حواف الرقاقة.
   3. فضح مع خط i (365 نانومتر الطول الموجي) بجرعة 90 mJ/cm². من الصعب خبز رقاقة على لوحة ساخنة لمدة 1 دقيقة في 115 درجة مئوية.
   4. تزج رقاقة في المطور RD6 لمدة 2 دقيقة، مما يثير باستمرار الحل. شطف جيدا مع DI H₂O وضربة جافة مع بندقية N_2.
   5. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 10 نانومتر Ti، تليها 100 نانومتر الاتحاد الافريقي على رقاقة.
      ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×^10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
   6. تزج رقاقة في PG مزيل ل ~ 10 دقيقة حتى ضوء قد حل والمعدن الزائد قد رفعت تماما قبالة، وترك Ti / الاتحاد الافريقي فقط في آثار الربط المطلوب وحلقة حول حافة رقاقة. مرة واحدة الإقلاع يبدو كاملا، سونيكات لمدة 30 ثانية لإزالة أي آثار المتبقية من المعدن غير المرغوب فيه. شطف رقاقة أولا في حل PG مزيل نظيفة، ثم شطف جيدا في DI H₂O وتجفيف رقاقة مع بندقية N_2.
3. إيداع طبقة الباريلين-C الذبيحة(الشكل 2C).
   1. فضح رقاقة لO₂ البلازما لمدة 30 ق لجعل طبقة الباريلين-C الكامنة المائية. تدور معطف 2٪ حل التنظيف (على سبيل المثال، مايكرو-90) في DI H₂O على رقاقة في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 30 s. السماح رقاقة لتجفيف الهواء لمدة 5 دقيقة على الأقل.
      ملاحظة: يعمل محلول الصابون المخفف كمضاد لاصق ، مما يسمح بتقشير طبقة الباريلين-C الذبيحة في وقت لاحق من العملية.
   2. إيداع 3 ميكرومتر من الباريلين-C على رقاقة.
4. استخدام قناع الضوئي الثاني (قناع-2) لتحديد أنماط MXene وحلقة حول حافة رقاقة(الشكل 2D).
   1. كرر الخطوات 2.2.1−2.2.4، وهذه المرة باستخدام القناع-2 ومحاذاة علامات المحاذاة بعناية بين الرقاقة وقناع الضوئي قبل التعرض.
   2. استخدام O₂ البلازما الحفر التفاعلية أيون (RIE) إلى حفر من خلال طبقة التكافؤ الذبيحة-C في المناطق التي لا تغطيها مقاومة للضوء لتحديد أقطاب MXene وآثار، والتي ينبغي أن تتداخل جزئيا مع التشابكتي تي / الاتحاد الافريقي، فضلا عن حلقة حول حواف رقاقة. تأكيد النقش الكامل لطبقة الباريلين-C الأضاحي باستخدام مقياس التنميط لقياس الملف الشخصي بين الفواصل البينية Ti/Au المكشوفة وطبقة الباريلين-C السفلية.
      ملاحظة: عند اكتمال النقش، سيكون الملف الشخصي عبر السطح المعدني المكشوف سلسًا، في حين أن طبقة الباريلين-C السفلية ستكون خشنة ومحفورة جزئيًا. وينبغي أن تكتمل هذه الخطوة حفر في نظام ري حفر البنار، وليس asher برميل، وأوقات حفر والمعلمات سوف تكون تعتمد اعتمادا كبيرا على نظام RIE.
5. سبين معطف حل MXene على رقاقة(الشكل 2E).
   1. مافيت MXene الحل على كل من أنماط MXene المطلوب، ثم تدور رقاقة في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 40 s. تجفيف رقاقة على لوحة ساخنة 120 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة لإزالة أي الماء المتبقي من فيلم MXene.
6. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 50 نانومتر SiO₂ على رقاقة، لتكون بمثابة طبقة واقية على أنماط MXene لخطوات المعالجة اللاحقة.
   ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×^10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
7. إزالة طبقة التكافؤ الذبيحة-C لنمط طبقات MXene و SiO₂ (الشكل 2F).
   1. تطبيق قطرة صغيرة من DI H₂O على حافة رقاقة واستخدام ملاقط لتقشير طبقة التكافؤ الذبيحة-C، بدءا حيث يتم تعريف حوافها في حلقة حول خارج رقاقة.
      ملاحظة: سوف تتحد المياه مع بقايا الصابون تحت طبقة الباريلين-C التضحية لتمكين هذا الإقلاع.
   2. شطف رقاقة جيدا في DI H₂O لإزالة أي بقايا محلول التنظيف المتبقية. تجفيف رقاقة مع بندقية N_2، ثم وضع على لوحة ساخنة 120 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لإزالة أي المياه المتبقية من الأفلام MXene منقوشة.
8. إيداع الطبقة العليا سميكة 4 ميكرومتر من الباريلين-C(الشكل 2G).
9. استخدام قناع الضوئي الثالث (قناع-3) لتحديد مخطط الجهاز والفتحات على الأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي (VIAs)(الشكل 2H).
   1. كرر الخطوات 2.2.1−2.2.4، وهذه المرة باستخدام القناع-3 ومحاذاة علامات المحاذاة بعناية بين الرقاقة وقناع الضوئي قبل التعرض.
   2. استخدام المبخر شعاع الإلكترون لإيداع 100 نانومتر آل على رقاقة.
      ملاحظة: معلمات الترسيب النموذجية هي ضغط أساسي من 5 ×^10-7 تور ومعدل 2 Å/s.
   3. تزج رقاقة في PG مزيل ل ~ 10 دقيقة حتى المعدن قد رفعت تماما قبالة، وترك آل تغطي الأجهزة مع فتحات للأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط. عند اكتمال الإقلاع، سونيكات لمدة 30 s لإزالة أي آثار المتبقية من المعدن غير المرغوب فيها. شطف رقاقة أولا في حل PG مزيل نظيفة، ثم شطف جيدا في DI H₂O وتجفيف رقاقة مع بندقية N_2.
10. حفر parylene-C لنمط مخطط الجهاز والفتحات على الأقطاب الكهربائية ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي (VIAs)(الشكل 2I). استخدام O₂ البلازما RIE إلى حفر من خلال طبقات parylene-C المحيطة بالأجهزة، ومن خلال طبقة الباريلين-C العلوي ة التي تغطي كل من الاتصالات القطب MXene ومنصات الترابط الاتحاد الافريقي.
    ملاحظة: اكتمال النقش عندما لا تبقى بقايا parylene-C على الرقاقة بين الأجهزة. طبقة SiO₂ التي تغطي MXene ستكون بمثابة طبقة توقف الحفر ، ومنع البلازما O₂ من النقش في أو إتلاف اتصالات القطب MXene.
11. حفر طبقة Al تغطي الأجهزة باستخدام حفر كيميائية مبللة في Al etchant Type A عند درجة حرارة 50 درجة مئوية إما لمدة 10 دقيقة ، أو لمدة دقيقة واحدة في الماضي عندما تختفي جميع الآثار البصرية لـ Al ، أيهما يأتي أولاً. حفر SiO₂ تغطي أقطاب MXene باستخدام حفر الكيميائية الرطب في 6:1 etchant أكسيد المخزنة مؤقتا (BOE) لمدة 30 s(الشكل 2J).
    ملاحظة: صفائف Microelectrode MXene كاملة الآن.
12. الافراج عن الأجهزة من رقاقة الركيزة SI عن طريق وضع قطرة صغيرة من DI H₂O على حافة جهاز، وتقشير بلطف حتى الجهاز كما الماء هو شرير تحته عن طريق العمل الشعرية(الشكل 2K والشكل 3).

3. محول البناء والتداخل

ملاحظة: عند هذه النقطة، يجب أن تكون صفائف microelectrode طبقة رقيقة واجهة مع محول للاتصال بنظام تسجيل الفيزيولوجيا الكهربائية. يتطلب وحدة تحكم التحفيز/التسجيل 128ch مع جهاز التحكم RHS2000 16-ch/record(جدول المواد)المستخدم في هذا البروتوكول إدخالًا عبر موصل متوافق مع موصل 18 دبوس A79039-001. يستخدم هذا القسم لوحة دوائر مطبوعة (PCB، الشكل 4A)مع موصل قوة الإدراج الصفري (ZIF) للتفاعل مع منصات الترابط Au على صفيف microelectrode والموصل A79040-001 للتداخل مع مرحلة الرأس في نظام التسجيل. اعتمادا على نظام الحصول على البيانات، يمكن استخدام موصلات مختلفة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتمكين التداخل مع مرحلة الفيزيولوجيا الكهربائية.

1. لحام وموصلات Omnetics وZIF إلى PCB عن طريق تطبيق طبقة رقيقة من عجينة لحام على كل من منصات الاتصال على PCB، ووضع أجزاء في مواقعها المناسبة، والتدفئة على لوحة ساخنة حتى يتدفق لحام لتشكيل اتصالات(الشكل 4B).
   ملاحظة: يمكن أن يتم لحام إعادة التدفق بسهولة جدا على لوحة ساخنة أو في فرن محمصة ولا يتطلب استخدام فرن إعادة تدفق مكلفة.
2. تطبيق طبقتين من الشريط البوليميد(جدول المواد)إلى الجانب الخلفي من منطقة لوحة الترابط الاتحاد الافريقي من صفيف Microelectrode MXene لإعطاء الجهاز سمك كاف ليتم تأمينها في موصل ZIF. بعد تطبيق الشريط، تقليم أي فائض وراء حواف الجهاز parylene-C باستخدام شفرة حلاقة أو مقص الدقة(الشكل 4C).
3. إما تحت نطاق التفتيش أو باستخدام نظارات مكبرة ، قم بمحاذاة صفيف MXene microelectrode في موصل ZIF بحيث تتوافق منصات الترابط Au مع الدبابيس داخل موصل ZIF ، ثم أغلق ZIF لتشكيل اتصال آمن(الشكل 4D ، E).
   ملاحظة: موصل ZIF المستخدم هنا هو موصل 18 قناة، بينما يحتوي الجهاز المستخدم هنا على 16 قناة. القنوات الإضافية التي لم يتم الاتصال بها يتم التعرف عليها بسهولة كدائرة مفتوحة عن طريق اختبار المعاوقة أثناء جلسات التسجيل.
4. اختبار المقاومة الكهروكيميائية للأقطاب MXene باستخدام potentiostat لضمان التصنيع الناجح والاتصال بمحول PCB.
   ملاحظة: يتم إعطاء قيم مقاومة معقولة في قسم المناقشة للمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

4. زرع الحادة والتسجيل العصبي

ملاحظة: يتم إجراء العمليات الجراحية على الفئران الذكور الكبار سبراغ داولي باستخدام الأدوات المعقمة وتقنية معقمة. معدل التنفس، منعكس palpebral، ودواسة قرصة منعكس يتم فحص كل 10 دقيقة لمراقبة عمق التخدير. يتم الحفاظ على درجة حرارة الجسم مع وسادة التدفئة.

1. إدارة المسكنات الوقائية (حقن تحت الجلد من الإفراج المستمر buprenorphine [ريال]، 1.2 ملغ /كغ).
2. إعطاء التخدير (حقن داخل البلح بين الدم وخليط من 60 ملغ/كغ من الكيتامين و 0.25 ملغم/كغ ديكميدتوميدين).
3. تأكيد المستوى المناسب من التخدير كل 10 دقيقة طوال التجربة عن طريق التحقق من عدم وجود ردود الفعل باببرال ودواسة قرصة.
4. الفئران آمنة في إطار stereotaxic، وتطبيق زيوت التشحيم العين إلى العينين، وتنظيف فروة الرأس حليق مع 10٪ povidone-اليود.
5. فضح calvaria مع شق واحد فروة الرأس منتصف الخط وتشريح حادة من الأنسجة الكامنة.
6. وضع المسمار 00-90 في الجمجمة لتكون بمثابة الأرض للتسجيلات.
7. باستخدام حفر الأسنان مع نتوء صغير، وجعل فقحف في موقع تسجيل القشرية المطلوب.
8. قم بتأمين موصل الصفيف إلى مناور stereotaxic ووضع الجهاز فوق فروسي. أقل بلطف حتى الصفيف بأكمله هو على اتصال مع القشرة المكشوفة.
9. لف السلك الأرضي حول المسمار الجمجمة.
10. قم بتوصيل مرحلة رأس نظام التسجيل بالصفيف وابدأ في تسجيل النشاط التلقائي.

النتائج

تظهر عينة بيانات Micro-ECoG المسجلة على صفيف MXene microelectrode في الشكل 5. بعد تطبيق مجموعة الأقطاب الكهربائية على القشرة ، كانت الإشارات الفسيولوجية الواضحة واضحة على الفور على أقطاب التسجيل ، مع ما يقرب من 1 mV السعة ECoG إشارات تظهر على جميع أقطاب MXene. وأكدت أطياف الطاقة لهذه الإشارات و...

Discussion

تم بناء تركيب MXene وإجراءات delamination الموصوفة في هذا البروتوكول (HF / HCl / LiCl) من نهج النقش الخفيف الذي استخدم LiF / HCl (في الموقع HF) etchant المتوسطة²⁶. يسمح نهج MILD برقائق Ti₃C₂ الكبيرة (عدة ميكرومترفي الحجم الجانبي) لتكون مُلحة تلقائيًا أثناء الغسيل بمجرد تحقيق درجة الحموضة ~ 5−6. ب?...

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