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Method Article
Aqui, descrevemos a metodologia de fabricação para matrizes de eletrodos de fibra de carbono personalizáveis para gravação in vivo no nervo e no cérebro.
As sondas nervosas periféricas convencionais são fabricadas principalmente em uma sala de limpeza, exigindo o uso de múltiplas ferramentas caras e altamente especializadas. Este artigo apresenta um processo de fabricação "leve" de matrizes de eletrodos neurais de fibra de carbono que podem ser aprendidas rapidamente por um usuário de sala de limpeza inexperiente. Este processo de fabricação de matriz de eletrodos de fibra de carbono requer apenas uma ferramenta de limpeza, uma máquina de deposição Parylene C, que pode ser aprendida rapidamente ou terceirizada para uma instalação de processamento comercial a um custo marginal. Este processo de fabricação também inclui placas de circuito impresso de preenchimento manual, isolamento e otimização de ponta.
As três diferentes otimizações de ponta exploradas aqui (laser Nd:YAG, maçarico e laser UV) resultam em uma gama de geometrias de ponta e impedâncias de 1 kHz, com fibras maçaricos resultando na menor impedância. Embora experimentos anteriores tenham comprovado a eficácia do eletrodo de laser e maçarico, este artigo também mostra que fibras cortadas a laser UV podem registrar sinais neurais in vivo. Os arrays de fibra de carbono existentes não possuem eletrodos individuados em favor de pacotes ou exigem guias fabricadas para a população e isolamento. Os arrays propostos utilizam apenas ferramentas que podem ser usadas em um banco para a população de fibras. Este processo de fabricação de matriz de eletrodos de fibra de carbono permite a rápida personalização da fabricação de matriz a granel a um preço reduzido em comparação com as sondas disponíveis comercialmente.
Grande parte da pesquisa em neurociência se baseia no registro de sinais neurais usando eletrofisiologia (ePhys). Esses sinais neurais são cruciais para entender as funções das redes neurais e novos tratamentos médicos, como máquina cerebral e interfaces nervosas periféricas1,2,3,4,5,6. Pesquisas em torno de nervos periféricos exigem eletrodos de gravação neural feitos sob medida ou comercialmente disponíveis. A gravação neural de eletrodos-ferramentas exclusivas com dimensões em escala de micron e materiais frágeis requer um conjunto especializado de habilidades e equipamentos para fabricar. Uma variedade de sondas especializadas foram desenvolvidas para usos finais específicos; no entanto, isso implica que os experimentos devem ser projetados em torno de sondas comerciais disponíveis atualmente, ou um laboratório deve investir no desenvolvimento de uma sonda especializada, que é um processo demorado. Devido à grande variedade de pesquisas neurais no nervo periférico, há alta demanda por uma sonda ePhys versátil4,7,8. Uma sonda ePhys ideal contaria com um pequeno site de gravação, baixo impedance9 e um ponto de preço financeiramente realista para implementação em um sistema3.
Os eletrodos comerciais atuais tendem a ser eletrodos extraneurais ou manguitos (Neural Cuff10, MicroProbes Nerve Cuff Electrode11), que ficam fora do nervo, ou intrafasciculares, que penetram no nervo e se sentam dentro do fascículo de interesse. No entanto, à medida que os eletrodos de punho ficam mais longe das fibras, eles captam mais ruídos de músculos próximos e outros fascicles que podem não ser o alvo. Essas sondas também tendem a restringir o nervo, o que pode levar a um acúmulo de células gliais e tecido cicatricial na interface do eletrodo enquanto o tecido se cura. Eletrodos intrafasciculares (como LIFE12, TIME13 e Utah Arrays14) adicionam o benefício da seletividade de fascículos e têm boas relações sinal-ruído, o que é importante em sinais discriminadores para interligação de máquinas. No entanto, essas sondas têm problemas com a biocompatibilidade, com os nervos ficando deformados ao longo do tempo3,15,16. Quando compradas comercialmente, ambas as sondas têm designs estáticos sem opção de personalização específica de experimentos e são caras para laboratórios mais novos.
Em resposta aos problemas de alto custo e biocompatibilidade apresentados por outras sondas, os eletrodos de fibra de carbono podem oferecer uma avenida para os laboratórios de neurociência construirem suas próprias sondas sem a necessidade de equipamentos especializados. As fibras de carbono são um material de gravação alternativo com um pequeno fator de forma que permite a inserção de baixo dano. As fibras de carbono proporcionam melhor biocompatibilidade e resposta de cicatriz consideravelmente menor do que o silício17,18,19 sem o processamento intensivo da sala de limpeza5,13,14. As fibras de carbono são flexíveis, duráveis, facilmente integradas com outros biomateriais19, e podem penetrar e registrar a partir de nervos7,20. Apesar das muitas vantagens das fibras de carbono, muitos laboratórios acham a fabricação manual dessas matrizes árdua. Alguns grupos21 combinam fibras de carbono em feixes que, coletivamente, resultam em um diâmetro maior (~200 μm); no entanto, para nosso conhecimento, esses feixes não foram verificados em nervos. Outros fabricaram matrizes de eletrodos de fibra de carbono não evidenciadas, embora seus métodos exijam guias de fibra de carbono fabricados em sala de limpeza22,23,24 e equipamentos para povoar suas matrizes17,23,24. Para lidar com isso, propomos um método de fabricação de uma matriz de fibra de carbono que possa ser realizada no banco de banco de laboratório que permita modificações improvisadas. A matriz resultante mantém pontas de eletrodos individuadas sem ferramentas especializadas de preenchimento de fibras. Além disso, várias geometrias são apresentadas para corresponder às necessidades do experimento de pesquisa. Construído a partir de trabalhos anteriores8,17,22,25, este artigo fornece metodologias detalhadas para construir e modificar vários estilos de matrizes manualmente com o mínimo de tempo de treinamento de sala de limpeza necessário.
Todos os procedimentos animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade de Michigan.
1. Escolher uma matriz de fibra de carbono
2. Soldar o conector para a placa de circuito
3. População de fibras
4. Aplicar epóxi ultravioleta (UV) para isolar as fibras de carbono
5. Verificando conexões elétricas com escaneamentos de impedância de 1 kHz (Figura 5)
6. Isolamento de Parileno C
NOTA: O parileno C foi escolhido como o material de isolamento para as fibras de carbono, pois pode ser depositado à temperatura ambiente sobre lotes de matrizes e fornece um revestimento altamente conformal.
7. Métodos de preparação de ponta
NOTA: Duas preparações de ponta nesta seção usam lasers para cortar fibras. Epi adequado, como óculos resistentes aos comprimentos de onda utilizados, devem ser sempre usados ao usar o laser, e outros usuários de laboratório nas proximidades do laser também devem estar em EPI. Embora os comprimentos de fibra listados nestas etapas sejam comprimentos recomendados, os usuários podem tentar qualquer comprimento que se adapte às suas necessidades. O usuário deve escolher um dos seguintes métodos de preparação de ponta, pois o corte da tesoura sozinho não será suficiente para re-expor o eletrode25.
8. Poly (3,4-ethylenedioxythiophene):p-toluenesulfonato (PEDOT:pTS) revestimento condutor para impedância baixada
9. Conectando fios de terra e referência
10. Procedimento cirúrgico
NOTA: O córtex de rato foi usado para testar a eficácia das fibras preparadas a laser UV, pois esta foi descrita anteriormente 7,20. Estas sondas trabalharão no nervo devido à sua geometria semelhante e níveis de impedância às fibras preparadas pelo maçarico. Esta cirurgia foi realizada com muita cautela para validar que o laser UV não alterou a resposta dos eletrodos.
11. Classificação de picos
12. Escaneamento de imagens microscópicas eletrônicas (SEM)
NOTA: Esta etapa tornará os arrays inutilizáveis e deve ser usado apenas para inspecionar os resultados do tratamento de ponta para verificar se as matrizes estão sendo processadas corretamente. Esta etapa não precisa ser feita para construir uma matriz de sucesso. Resumido abaixo está um esboço geral do processo SEM; no entanto, os usuários que não utilizaram o SEM anteriormente devem receber ajuda de um usuário treinado.
Validação da dica: Imagens SEM
Trabalhos anteriores20 mostraram que o corte da tesoura resultou em impedâncias não confiáveis como Parileno C dobrado em todo o local de gravação. O corte da tesoura é usado aqui apenas para cortar fibras ao comprimento desejado antes de processar com um método adicional de corte de acabamento. Foram utilizadas imagens SEM das pontas para determinar o comprimento de carbono exposto e a geometria da ponta (Figura 8
Substituições de materiais
Embora todos os materiais utilizados sejam resumidos na Tabela de Materiais, muito poucos dos materiais são necessários para vir de fornecedores específicos. O quadro Flex Array deve vir do fornecedor listado, pois eles são a única empresa que pode imprimir a placa flexível. O conector Flex Array também deve ser encomendado do fornecedor listado por ser um conector proprietário. O parileno C é altamente recomendado como o material de isolamento pa...
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado financeiramente pelos Institutos Nacionais de Distúrbios Neurológicos e AVC (UF1NS107659 e UF1NS115817) e pela Fundação Nacional de Ciência (1707316). Os autores reconhecem o apoio financeiro da Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan e o apoio técnico do Michigan Center for Materials Characterization e do Van Vlack Undergraduate Laboratory. Os autores agradecem ao Dr. Khalil Najafi pelo uso de seu laser Nd:YAG e da Lurie Nanofabrication Facility pelo uso de sua máquina de deposição Parylene C. Também gostaríamos de agradecer à Specialty Coating Systems (Indianápolis, IN) por sua ajuda no estudo de comparação de revestimento comercial.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3 prong clams | 05-769-6Q | Fisher | Qty: 2 Unit Cost (USD): 20 |
3,4-ethylenedioxythiophene (25 g) (PEDOT) | 96618 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 102 |
353ND-T Epoxy (8oz)++ (ZIF and Wide Board Only) | 353ND-T/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 48 |
Ag/AgCl (3M NaCl) Reference Electrode (pack of 3) | 50-854-570 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
Autolab | PGSTAT12 | Metrohm | |
Blowtorch | 1WG61 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 36 |
Carbon Fibers | T-650/35 3K | Cytec Thornel | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Carbon tape | NC1784521 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 27 |
Cotton Tipped Applicator | WOD1002 | MediChoice | Qty: 1 Unit Cost (USD): 0.57 |
Delayed Set Epoxy++ | 1FBG8 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
DI Water | n/a | n/a | Qty: n/a Unit Cost (USD): n/a |
Dumont Tweezers #5 | 50-822-409 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 73 |
Flex Array** | n/a | MicroConnex | Qty: 1 Unit Cost (USD): 68 |
Flux | SMD291ST8CC | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
Glass Capillaries (pack of 350) | 50-821-986 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
Glass Dish | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Hirose Connector (ZIF Only) | H3859CT-ND | DigiKey | Qty: 2 Unit Cost (USD): 2 |
Light-resistant Glass Bottle | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Micropipette Heating Filiment | FB315B | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Micropipette Puller | P-97 | Sutter Instrument Co | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Nitrile Gloves (pack of 200) | 19-041-171C | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
Offline Sorter software | n/a | Plexon | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Omnetics Connector* (Flex Array Only) | A79025-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
Omnetics Connector* (Flex Array Only) | A79024-001 | Omnetics Inc | Qty: 1 Unit Cost (USD): 35 |
Omnetics to ZIF connector | ZCA-OMN16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Pin Terminal Connector (Wide Board Only) | ED11523-ND | DigiKey | Qty: 16 Unit Cost (USD): 10 |
Probe storage box | G2085 | Melmat | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
Razor Blade | 4A807 | Grainger | Qty: 1 Unit Cost (USD): 2 |
SEM post | 16327 | lnf | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
Silver Epoxy (1oz)++ | H20E/1OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 125 |
Silver GND REF wires | 50-822-122 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 423.2 |
Sodium p-toulenesulphonate(pTS)- 100g | 152536 | Sigma-Aldrich | Qty: 1 Unit Cost (USD): 59 |
Solder | 24-6337-9703 | DigiKey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 60 |
Soldering Iron Tip | T0054449899N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 13 |
Soldering Station | WD1002N-ND | Digikey | Qty: 1 Unit Cost (USD): 374 |
SpotCure-B UV LED Cure System | n/a | FusionNet LLC | Qty: 1 Unit Cost (USD): 895 |
Stainless steel rod | n/a | n/a | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Stir Plate | n/a | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): n/a |
Surgical Scissors | 08-953-1B | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 100 |
TDT Shroud (ZIF Only) | Z3_ZC16SHRD_RSN | TDT | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3.5 |
Teflon Tweezers | 50-380-043 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 47 |
UV & Visible Light Safety Glassees | 92522 | Loctite | Qty: 1 Unit Cost (USD): 45 |
UV Epoxy (8oz)++ (Flex Array Only) | OG142-87/8OZ | Epoxy Technology | Qty: 1 Unit Cost (USD): 83 |
UV Laser | n/a | WER | Qty: 1 Unit Cost (USD): 30 |
Weigh boat (pack of 500) | 08-732-112 | Fisher | Qty: 1 Unit Cost (USD): 58 |
Wide Board+ | n/a | Advanced Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 3 |
ZIF Active Headstage | ZC16 | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 925 |
ZIF Passive Headstage | ZC16-P | Tucker-Davis Technologies | Qty: 1 Unit Cost (USD): 625 |
ZIF* | n/a | Coast to Coast Circuits | Qty: 1 Unit Cost (USD): 9 |
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