Изготовление Ti3C2 MXene микроэлектродных массивов для In Vivo нейронной записи

Резюме

Мы описываем здесь метод изготовления микроэлектродных массивов Ti₃C₂ MXene и их использование для нейронной записи in vivo.

Аннотация

Имплантируемые микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики в микромасштабе, чтобы получить более глубокое понимание нейронных основ болезней и травм головного мозга. Поскольку электроды миниатюризированы до масштаба отдельных ячеек, соответствующее повышение интерфейса препятствует качеству записанных сигналов. Кроме того, обычные электродные материалы являются жесткими, что приводит к значительному механическому несоответствию между электродом и окружающими тканями мозга, что вызывает воспалительный ответ, который в конечном итоге приводит к ухудшению производительности устройства. Для решения этих проблем мы разработали процесс изготовления гибких микроэлектродов на основе Ti₃C₂ MXene, недавно обнаруженного наноматериала, обладающий удивительно высокой объемной емкой, электрической проводимостью, функциональностью поверхности и обрабатываемостью в водных дисперсиях. Гибкие массивы микроэлектродов Ti₃C₂ MXene имеют удивительно низкий уровень импедеданности из-за высокой проводимости и высокой специфической площади поверхности пленок Ti₃C₂ MXene, и они оказались изысканно чувствительными для записи нейронной активности. В этом протоколе мы описываем новый метод микропаттернирования Ti₃C₂ MXene в микроэлектродные массивы на гибких полимерных субстратах и описываем их использование для микроэлектрокортической записи in vivo. Этот метод может быть легко расширен для создания электродных массивов MXene произвольного размера или геометрии для целого ряда других применений в биоэлектронике, и он также может быть адаптирован для использования с другими проводящими чернилами, кроме Ti₃C₂ MXene. Этот протокол позволяет простои и масштабируемое изготовление микроэлектродов из раствора на основе проводящих чернил, и, в частности, позволяет использовать уникальные свойства гидрофильных Ti₃C₂ MXene для преодоления многих барьеров, которые уже давно препятствуют широкому внедрению углеродных наноматериалов для высокоточных нейронных микроэлектродов.

Введение

Понимание фундаментальных механизмов, лежащих в основе нейронных цепей, и как их динамика изменяется в болезни или травмы, является критической целью для разработки эффективных терапевтических препаратов для широкого спектра неврологических и нервно-мышечных расстройств. Микроэлектродные технологии широко используются для выяснения нейронной динамики на тонких пространственных и временных масштабах. Однако получение стабильных записей с высоким соотношением сигнала к шуму (SNR) от микромасштабных электродов оказалось особенно сложным. По мере уменьшения размеров электродов для приближения к клеточной шкале, соответствующее повышение электродного импеданса ухудшает качество сигнала^1. Кроме того, многочисленные исследования показали, что жесткие электроды, состоящие из обычных кремния и металлических электронных материалов, производят значительные повреждения и воспаление в нервной ткани, что ограничивает их полезность длядолгосрочной записи^2,3,4. Учитывая эти факты, наблюдается значительный интерес к разработке микроэлектродов с новыми материалами, которые могут уменьшить электрод-ткани интерфейса импеданса и могут быть включены в мягкие и гибкие форм-факторы.

Один из широко используемых методов для уменьшения электронно-ткани интерфейса импеданса увеличивает область, над которой ионные виды в внеклеточной жидкости могут взаимодействовать с электродом, или "эффективной поверхности" электрода. Это может быть достигнуто путем нанопаттернирования^6,поверхности roughening⁷, или электроплиты с пористыми добавками^8,9. Наноматериалы получили значительное внимание в этой области, потому что они предлагают внутренне высокие конкретные области поверхности и уникальные комбинации благоприятных электрических и механических свойств¹⁰. Например, углеродные нанотрубки были использованы в качестве покрытия, чтобы значительно уменьшить электрод impedance^11,12,13, оксид графена был обработан в мягкий, гибкий автономный зонд электродов¹⁴, и лазерно-пиролиозный порной графен был использован для гибкой, низкой безупречности микро-электрокортики (микро-ECoG) электродов¹⁵. Несмотря на их обещание, отсутствие масштабируемых методов сборки ограничило широкое внедрение наноматериалов для нейронных комплаенов. Углеродные наноматериалы, в частности, как правило, гидрофобные, и, таким образом, требуют использования сурфактантов¹⁶, суперкислот^17,или поверхности функционализации¹⁸ для формирования водных дисперций для обработки растворов методы изготовления, в то время как альтернативные методы изготовления, такие как химическое осаждение пара (ССЗ), как правило, требуют высоких температур, которые несовместимы со многими полимерными субстратами^19,21 ,^{21 ,21 ,22}.

Недавно был описан класс двухмерных (2D) наноматериалов, известный как MXenes, который предлагает исключительное сочетание высокой проводимости, гибкости, объемной емости и присущей гидрофилии, что делает их перспективным классом наноматериалов для нейронных межэлектрических электродов²³. MXenes - это семейство 2D-переходных металлических карбидов и нитридов, которые чаще всего производятся путем выборочного травления элемента из многослойных прекурсоров. Это, как правило, фазы MAX с общей формулой M_n'1AX_n, где M является ранним переходным металлом, A представляет собой элемент группы 12–16 периодической таблицы, X — углерод и/или азот, и n No 1, 2 или 3²⁴. Двухмерные хлопья MXene имеют поверхностно-прекращающиефункциональные группы, которые могут включать гидроксил (ЗОХ), кислород (ЗО) или фтор (КФ). Эти функциональные группы делают MXenes по своей сути гидрофильной и позволяют гибкой модификации поверхности или функционализации. Из большого класса MXenes, Ti₃C₂ был наиболее широко изучен и характеризуется^25,26,27. Ti₃C₂ показывает удивительно более высокий объемем емкостя (1500 F/cm³)^28, чем активированный графен (No 60-100 F/cm³)²⁹, карбид-производные углерода (180 F/cm³)³⁰, и графеновые геляные пленки (260 F/cm³)³¹. Кроме того, Ti₃C₂ показывает чрезвычайно высокую электронную проводимость (10 000 S/cm)³², и ее биосовместимость была продемонстрирована в нескольких исследованиях^33,34,35,36. Высокая объемная емость ti₃C₂ пленок является выгодным для биологического зондирования и стимуляции приложений, потому что электроды, которые демонстрируют емкостный перенос заряда может избежать потенциально вредных реакций гидролиза.

Наша группа недавно продемонстрировала гибкие, тонкопленочные микроэлектродные массивы Ti₃C_2, подготовленные с использованием методов обработки растворов, которые способны фиксировать как микроэлектрокортику (микро-ЭкоГ), так и интракортикальную нейрональную активность в vivo с высоким SNR^36. Эти электроды MXene показали значительно уменьшенную импедас по сравнению с размером подобранных золотых (Au) электродов, которые могут быть отнесены к высокой проводимости MXene и высокой площади поверхности электродов. В этом протоколе мы описываем ключевые шаги для изготовления планарных микроэлектродных массивов Ti₃C₂ MXene на гибких подстратах парилена-С и использования их in vivo для внутриоперационной записи микро-ECoG. Этот метод использует гидрофильный характер MXene, что делает возможным использование методов обработки решений, которые являются простыми и масштабируемыми, не требуя использования сурфактантов или суперкислот для достижения стабильной ваковой суспензии. Такая простота процессуальности может позволить экономически эффективное производство биосенсоров MXene в промышленных масштабах, что является одним из основных ограничений для широкого внедрения устройств на основе других углеродных наноматериалов. Ключевое новшество в изготовлении электрода заключается в использовании жертвенного полимерного слоя для микропатнелата MXene после спин-покрытия, метода, адаптированного из литературы по обработанным раствором поли (3,4-этиленедиокситофен) :poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) микроэлектродов³⁷, но которые ранее не были описаны для M. Исключительные электрические свойства Ti₃C₂, в сочетании с его обрабатываемостью и 2D морфология делают его очень перспективным материалом для нейронных интерфейсов. В частности, Ti₃C₂ предлагает путь к преодолению фундаментального компромисса между геометрической областью электрода и электронно-химическим интерфейсом импеданса, основным ограничивающим фактором для микро-масштабной работы электрода. Кроме того, процедура изготовления, описанная в этом протоколе, может быть адаптирована для производства электродных массивов MXene различных размеров и геометрий для различных парадигм записи, а также может быть легко адаптирована для включения других проводящих чернил, кроме MXene.

протокол

Все процедуры in vivo соответствовали Руководству Национальных институтов здравоохранения (NIH) по уходу и использованию лабораторных животных и были одобрены Институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC) Пенсильванского университета.

1. Синтез Ti₃C₂ MXene

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедуры реакции, описанные в этом разделе, предназначены для использования внутри химического дыма капот. Стиральные шаги, включенные в эту процедуру, предназначены для использования со сбалансированными центрифугами труб. Все производимые отходы считаются опасными отходами и должны быть выброшены надлежащим образом в соответствии с руководящими принципами университета.

ВНИМАНИЕ: Гидрофторная кислота (HF) является чрезвычайно опасной, высоко коррозионной кислотой. Проконсультируйтесь с листами данных о безопасности материалов (MSDS) для химических веществ, используемых для синтеза MXenes перед использованием и реализации и соблюдайте соответствующие меры безопасности. Соответствующее индивидуальное защитное оборудование (PPE) для обработки HF включает в себя лабораторное пальто, кислотостойкий фартук, обувь с близкопри тяжкой, длинные брюки, очки, полный щит лица, нитриловые перчатки и устойчивые перчатки HF из бутиловой резины или неопреновой резины.

1. Синтез фазы MAX
   1. Синтезировать Ti₃AlC₂ шаром фрезерования TiC (2 мкм), Ti (44 мкм) порошков на молярное соотношение (TiC: Ti:Al) 2:1:1 для 18 ч с использованием шаров zirconia. Поместите порошки в глиноземный тигель, нагрейте до 1380 градусов по Цельсию (скорость нагрева 5 градусов по Цельсию) и удерживайте 2 ч под аргоном. После того, как порошки были охлаждены, мельница блока MAX и сито через 200 сетсовый сито (злт;74 мкм размер частицы).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предшественник фазы Ti₃AlC₂ MAX, используемый для синтеза MXenes, оказывает прямое влияние на полученные свойства Ti₃C₂ MXene³⁸. Ti₃C_2, используемый для изготовления нейронных электродов, был выборочно выгравирован из MAX, подготовленного после предыдущей процедуры^26.
2. Офорт: Удаление слоя Al в Ti₃AlC₂ в кислой etchant раствор(рисунок 1A)
   1. Подготовьте селективный раствор травления в пластиковом контейнере объемом 125 мл, предварительно добавив 12 мл деионизированной воды (DI H₂O), а затем подополните 24 мл соляной кислоты (HCl). Носящ все соотвествующее HF травление PPE, добавьте 4 mL HF к контейнеру etchant. Выполните селективное травление, медленно добавляя 2 г Ti₃AlC₂ MAX фазы в контейнер реакции и перемешивания с тефлоновой магнитной планкой для 24 ч при 35 градусах По Цельсию при 400 об/мин.
3. Стиральная: Доведение материала до нейтрального рН.
   1. Заполните две 175 мл центрифуговых труб октябры с 100 мл DI H₂O. Разделите травления реакции смеси в 175 мл центрифуговых труб и мыть материал путем повторного центрифугирования при 3500 об/мин (2550 х г) в течение 5 мин. Декантированный кислый супернатан токсиканет в пластиковый контейнер для опасных отходов. Повторяйте до тех пор, пока рН не достигнет 6.
4. Интеркалация: Вставка молекул между многослойной частицей MXene для пробуждения вне плоскостных взаимодействий(рисунок 1B)
   1. Добавьте 2 г хлорида лития (LiCl) до 100 мл DI H₂O и перемешайте при 200 об/мин до растворения. Смешайте 100 мл LiCl/H₂O с Ti₃C₂/Ti₃AlC₂ отложения и перемешать реакцию на 12 ч при 25 градусов по Цельсию.
5. Delamination: Отшелушивание от объемных многослойных частиц в одно-несколько слой Ti₃C₂ MXene (Рисунок 1C)
   1. Вымойте реакцию интеркалации в 175 мл центрифуговых труб при центругировании при 2550 х г в течение 5 мин. Декант ясно супернатант. Повторяйте, пока не будет найден темный супернатант.
   2. Продолжайте центрифугу на 1 ч при 2550 х г. Декант разбавленно-зеленый супернатант.
   3. Повторно рассеять опухшие осадки с 150 мл DI H₂O. Передача супернатанта на 50 мл центрифуговых труб и центрифуги на 2550 х г в течение 10 минут, чтобы отделить оставшиеся MAX (осадок) от MXene (супернатант).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Повторное рассеивание отложений станет трудным и потребует агитации или ручной встряхивания.
   4. Соберите супернатант как Ti₃C₂ MXene. Выполните дальнейший выбор размера и оптимизацию раствора для изоляции одно-малослойных хлопьев, собирая супернатант после шага центрифугации при 2550 х г на 1 ч.
6. Хранение растворов: Упаковка чернил MXene для длительного хранения(рисунок 1D)
   1. Аргон пузырь растворы в течение 30 минут до упаковки в Аргоне запечатанный флакон headspace (передача через шприц). Храните растворы в высоких концентрациях (5 мг/мл), вдали от солнечного света и при низких температурах (5 градусов по Цельсию), чтобы обеспечить долговечность.

2. Изготовление Ti₃C₂ MXene Microelectrode Arrays

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура, описанная в этом разделе предназначена для использования в стандартном университете чистой комнате объекта, таких, как Сингх Центр нанотехнологий в Университете Пенсильвании. Этот объект, а также аналогичные объекты, доступны для внешних пользователей в рамках Национальной сети инфраструктуры нанотехнологий (NNIN) при поддержке Национального научного фонда (NSF). В этих помещениях многие инструменты, оборудование и материалы, описанные в этом разделе, предоставляются наряду с доступом к чистокомнатному помещению и не требуют отдельной покупки.

ВНИМАНИЕ: Многие из химических веществ, используемых в изготовлении электродов MXene являются опасными, в том числе photoresists, RD6 разработчик, удаление PG, алюминиевый раствор травления, и буферизированных оксида etchant. Проконсультируйтесь с MSDS для этих химических веществ перед использованием и реализации и следовать соответствующим мерам безопасности в любое время. Все химические вещества должны быть обработаны в дым капота.

1. Депозит 4 мкм толщиной нижнего слоя парилен-C на чистую Si (см. Рисунок 2A).
2. Используйте первую фотомаску (маску-1) для определения металлических взаимосвязей устройств, а также металлическое кольцо по краю, чтобы помочь в более поздних шагах подъема(рисунок 2B).
   1. Спин пальто NR71-3000p на на 3000 об/ ч на 40 с. Мягкий испечь вафу на горячей пластине в течение 14,5 мин при температуре 95 градусов по Цельсию.
   2. Загрузите вафельку и маску-1 в выровню маски. Расположите вафельку так, чтобы кольцо на фотомаске перекрывалось всеми краями.
   3. Экспозиция с i-линией (365 нм длина волны) в дозе 90 мДж/см². Твердые испечь на горячей тарелке в течение 1 мин при температуре 115 градусов по Цельсию.
   4. Погрузите вафельку в разработчика RD6 на 2 мин, непрерывно агитируя решение. Тщательно промыть с DI H₂O и высушить с n₂ пистолет.
   5. Используйте электронный луч испаритель для депозита 10 нм Ti, а затем 100 нм Au на вафельку.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10^-7 Торр и скорость 2 к/с.
   6. Погрузите вафельку в удаляющий PG в течение 10 минут до тех пор, пока фотоустойчивость не растворится и избыток металла полностью не рассачивается, оставляя Ti/Au только в желаемых следах взаимосвязей и кольце вокруг края. Как только старт кажется полным, sonicate за 30 с, чтобы удалить все оставшиеся следы нежелательного металла. Промыть сначала в чистом растворе PG, затем тщательно промыть в DI H₂O и высушить вафу с n₂ пистолет.
3. Депозит жертвенного слоя парилен-C(рисунок 2C).
   1. Выставить вафельу на плазму O₂ на 30 с, чтобы сделать основной слой парилен-С гидрофифилическим. Спиновое покрытие 2% чистящего раствора (например, Micro-90) в DI H₂O на вафельку при 1000 об/мин при 30 с. Разрешить вафельу высушить не менее 5 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разбавленный раствор мыла действует как антиклея, позволяя жертвенный слой парилена-C быть очищенным вверх более поздно в процессе.
   2. Депозит 3 мкм парилен-C на вафельу.
4. Используйте вторую фотомаску (маска-2) для определения моделей MXene и кольца по краю(рисунок 2D).
   1. Повторите шаги 2.2.1-2.2.4, на этот раз используя маску-2 и тщательно выравнивая знаки выравнивания между вафельной и фотомаской перед экспозицией.
   2. Используйте O₂ плазменного реактивного ионного травления (RIE) для вытравливания через жертвенный слой парилена-C в областях, не покрытых фотоустойчивостью, чтобы определить электроды и следы MXene, которые должны частично перекрываться с взаимосвязаны Ti/Au, а также кольцо майнами. Подтвердите полное офорт жертвенного слоя парилен-С с помощью пропилометра для измерения профиля между открытыми соединёнствами Ti/Au и нижним слоем парилен-С.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда травление завершено, профиль по всей открытой металлической поверхности будет гладким, в то время как нижний слой парилен-C будет грубым и частично травления. Этот шаг etch должен быть завершен в planar etch RIE системы, а не баррель ашер, и etch раз и параметры будут сильно зависеть от системы RIE.
5. Спин-слой MXene раствор на(Рисунок 2E).
   1. Pipette MXene решение на каждый из желаемых моделей MXene, а затем спина пластины на 1000 об/мин в течение 40 с. Сухой пластины на 120 градусов по Цельсию горячей пластины в течение 10 минут, чтобы удалить любую остаточную воду из пленки MXene.
6. Используйте электронный испаритель пучка, чтобы депонировать 50 нм SiO₂ на вафельку, чтобы выступать в качестве защитного слоя над шаблонами MXene для последующих этапов обработки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10^-7 Торр и скорость 2 к/с.
7. Удалите жертвенный слой парилена-C, чтобы узор MXene и SiO₂ слоев(рисунок 2F).
   1. Нанесите небольшую каплю DI H₂O на край и используйте пинцет, чтобы очистить жертвенный слой парилена-C, начиная с того места, где его края определяются в кольце вокруг внешней.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вода будет сочетаться с остатками мыла под жертвенным слоем парилен-С, чтобы этот подъем.
   2. Тщательно промыть вафельку в DI H₂O, чтобы удалить оставшиеся остатки чистящего раствора. Высушите вафельу с пушкой N_2, затем поместите на горячую тарелку 120 градусов по Цельсию в течение 1 ч, чтобы удалить любую остаточную воду из узорчатых пленок MXene.
8. Депозит 4 мкм толщиной верхний слой парилен-С(Рисунок 2G).
9. Используйте третью фотомаску (маска-3) для определения контура устройства и отверстий над электродами и Au склеивания колодки (VIAs) (Рисунок 2H).
   1. Повторите шаги 2.2.1-2.2.4, на этот раз используя маску-3 и тщательно выравнивая знаки выравнивания между вафельной и фотомаской перед экспозицией.
   2. Используйте электронный луч испаритель, чтобы отложить 100 нм Аль на вафельу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичными параметрами осаждения являются базовое давление 5 х 10^-7 Торр и скорость 2 к/с.
   3. Погрузите вафельку в удаляющий PG в течение 10 минут до тех пор, пока металл полностью не взлетел, оставив Al покрытие устройств с отверстиями для электродов и склеивания колодки. Когда старт завершен, снотись в течение 30 с, чтобы удалить все оставшиеся следы нежелательного металла. Промыть сначала в чистом растворе PG, затем тщательно промыть в DI H₂O и высушить вафу с n₂ пистолет.
10. Etch parylene-C для шаблона устройства контура и отверстия над электродами и Au связи колодки (VIAs) (Рисунок 2I). Используйте O₂ плазмы RIE, чтобы вытравить через слои парилен-C, окружающие устройства, и через верхний слой парилен-C, охватывающих как контакты электрода MXene и Au склеивания колодки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Офорт завершен, когда на вафельке между устройствами не остается остатков парилена-C. Слой SiO_2, покрывающий MXene, будет выступать в качестве слоя etch-stop, предотвращая травление плазмы O₂ или повреждение контактов электрода MXene.
11. Etch слой Al, охватывающих устройства с помощью мокрой химической etch в Al etchant типа А на 50 градусов по Цельсию либо в течение 10 минут, или в течение 1 минуты прошлого, когда все визуальные следы Al исчезли, в зависимости от того, приходит первым. Etch SiO_2, покрывающий электроды MXene с помощью влажного химического etch в 6:1 буферизированных оксида etchant (BOE) для 30 s(Рисунок 2J).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Микроэлектродные массивы MXene завершены.
12. Отпустите устройства из Si субстрат пластины, поместив небольшую каплю DI H₂O на краю устройства, и осторожно пилинг вверх устройства, как вода злой под ним капиллярного действия (Рисунок 2K и Рисунок 3).

3. Строительство адаптеров и взаимодействие

ПРИМЕЧАНИЕ: На данный момент, тонкопленочные микроэлектродные массивы должны быть связаны с адаптером для подключения к системе электрофизиологии записи. 128ch стимуляции / записи контроллер с RHS2000 16-ch stim/record headstage (Таблица материалов), используемый в этом протоколе требует ввода через разъем совместимы с 18-контактный разъем A79039-001. В этом разделе используется печатная печатная плата (PCB, Рисунок 4A) с разъемом с нулевым вставкой (ЗИФ) для переплетения с колодками Au bonding на микроэлектродном массиве и разъеме A79040-001 для переплетения с головной фазой системы записи. В зависимости от системы сбора данных, различные разъемы могут быть использованы на PCB, чтобы позволить перемежаться с электрофизиологии головной убор.

1. Приспойк Omnetics и qIF разъемы к PCB, применяя тонкую пленку припой пасты для каждого из контактных колодок на ПХБ, размещение частей в их соответствующих местах, и нагрева на горячей пластине, пока припой перетекает в форму соединений (Рисунок 4B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Припаивание потока может быть сделано очень легко на горячей тарелке или в тостерной печи и не требует использования дорогостоящей печи reflow.
2. Нанесите два слоя полиимидной ленты(Таблица материалов)на заднюю сторону области связывающей площадки Au микроэлектродного массива MXene, чтобы придать устройству достаточную толщину для крепления в разъеме ЗИФ. После нанесения ленты, обрезать любые излишки за краями устройства parylene-C с помощью лезвия бритвы или точность ножницы(рисунок 4C).
3. Либо под областью инспекции или с помощью увеличительных очков, выровнять MXene микроэлектродного массива в разъеме QIF так, что Au связывания колодки выровнять с контактами внутри разъема ЗИФ, а затем закрыть ЗИФ сформировать безопасное соединение (Рисунок 4D, E).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Разъем, используемый здесь, представляет собой 18-канальный разъем, в то время как используемое здесь устройство имеет 16 каналов. Дополнительные бесконтактные каналы легко идентифицируются как открытая схема с помощью импеданса тестирования во время записи сессий.
4. Проверьте электрохимический импеданс электродов MXene с помощью потентиостата для обеспечения успешного изготовления и подключения к адаптеру ПХД.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Разумные значения impedance приведены в разделе обсуждения для того чтобы помочь в утесить неполадок.

4. Острая имплантация и нейронная запись

ПРИМЕЧАНИЕ: Операции на взрослых самцах крыс Sprague Dawley выполняются с использованием стерильных инструментов и с асептической техникой. Дыхательный уровень, пальпебральный рефлекс и педали щепотку рефлекс проверяются каждые 10 минут для мониторинга глубины анестезии. Температура тела поддерживается с помощью грелки.

1. Администрирование упрефлируемой анальгезии (подкожная инъекция бупренорфина устойчивого высвобождения ,SR, 1,2 мг/кг).
2. Администрирование анестезии (интраперитонеальная инъекция смеси 60 мг/кг кетамина и 0,25 мг/кг дексмедетомидин).
3. Подтверждайте надлежащий уровень анестезии каждые 10 минут на протяжении всего эксперимента, проверяя на отсутствие палпебральных и педалей щепотку рефлексов.
4. Безопасная крыса в стереотаксической раме, нанесите глазную смазку на глаза и очистите бритую кожу головы 10% повидон-йодом.
5. Разоблачить кальварию с одним разрезом кожи головы средней линии и тупым вскрытием основной ткани.
6. Поместите винт 00-90 в череп, чтобы служить основанием для записей.
7. Используя стоматологическую дрель с небольшой заусенцой, сделайте краниотомию в нужном корковом месте записи.
8. Закрепите разъем массива к стереотаксическому манипулятору и расположите устройство над краниотомией. Аккуратно опустите, пока весь массив не соприкасается с открытой корой.
9. Оберните землю провода вокруг черепа винт.
10. Подключите хед-сцену системы записи к массиву и начните записывать спонтанную активность.

Результаты

Примеры данных микро-ECoG, записанных на микроэлектродном массиве MXene, показаны на рисунке 5. После нанесения электродного массива на кору, четкие физиологические сигналы были сразу же видны на записывающих электродах, с примерно 1 мВ амплитуды ECoG сигналы появляются на все...

Обсуждение

MXene синтеза и delamination процедура, описанная в этом протоколе (HF / HCl / LiCl) был построен из MILD травления подход, который использовал LiF / HCl (в situ HF) etchant среды²⁶. Подход MILD позволяет проводить сплочение больших хлопьев Ti₃C₂ (несколько мкм в боковом размере) при спонтанном delam...

Материалы

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