Name: fabrication of ti3c2 mxene microelectrode arrays for in vivo neural recording
Uploaded: 2020-02-12T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording at JoVE.com

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.

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 Was...

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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 Mater...

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>00-90 screw</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>90910A630</td>
			<td>Skull screw around which ground wire is wrapped</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>128ch stimulation/recording controller</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td></td>
			<td>A component of the neural recording system.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>175 mL polypropylene (PP) conical centrifuge tubes</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>REF: 352076</td>
			<td>Used for washing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18 position 0.5 mm pitch ZIF connector</td>
			<td>Molex</td>
			<td>505110-1892</td>
			<td>Used to interface the flexible Parylene microelectrode array with the PCB adapter board.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18 position dual row male nano-miniature (.025&#34;/.64mm) connector</td>
			<td>Omnetics Connector Corporation</td>
			<td>A79008-001</td>
			<td>Used to interface the PCB adapter board to the recording headstage.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3ML Disposable Plastic Set Transfer Graduated Pipettes</td>
			<td>Rienar</td>
			<td>Rienar-3ML-20PCS</td>
			<td>Used for transferring etchant or MXene solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL polyproylene (PP) concial centrifuge tube</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>REF: 352070</td>
			<td>Used for washing and size selection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Al etchant Type A</td>
			<td>Transene</td>
			<td>060-0026000-QT</td>
			<td>For removing Al etch mask layer after final Parylene-C etch.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum Powder, -325 Mesh, 99.5% (metals basis), particle size &#60; 44 &#181;m</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>CAS: 7429-90-5</td>
			<td>Used for MAX synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AutoCAD software</td>
			<td>Autodesk Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Design software for drawing photomasks. Free alternatives include DraftSight and LayoutEditor.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buffered Oxide Etchant 6:1</td>
			<td>JT Baker</td>
			<td>1178-03</td>
			<td>For removing SiO2 layer to expose MXene electrode contacts at the end of the fabrication procedure.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorphine SR</td>
			<td>Wildlife Pharmaceuticals</td>
			<td></td>
			<td>Analgesia for rat surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Hermle</td>
			<td>Benchmark Z 446</td>
			<td>Used for washing and size selection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dexdomitor</td>
			<td>Midwest Veterinary Supply</td>
			<td>193.13250.3</td>
			<td>Anesthesia for rat surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drill burr</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>19007-07</td>
			<td>Burrs for drill</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric drill</td>
			<td>Foredom</td>
			<td>K.1070</td>
			<td>Micromotor drill for craniotomies</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electron beam evaporator</td>
			<td>Kurt J. Lesker Company</td>
			<td></td>
			<td>Used to evaporate Ti, Au, and SiO2 during fabrication. Most university clean rooms have this or a similar tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ground wire</td>
			<td>A-M Systems</td>
			<td>781500</td>
			<td>Bare silver wire</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headspace Vial, glass</td>
			<td>Supelco</td>
			<td>REF: 27298</td>
			<td>Used for storing MXene solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid (12.1N)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>CAS: 7647-01-0</td>
			<td>Corrosive; etchant material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrofluoric Acid, (48-51% solution in H2O)</td>
			<td>Acros</td>
			<td>CAS: 7664-39-3</td>
			<td>Etchant material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jupiter II RIE system</td>
			<td>March Plasma Systems Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Planar RIE etching system used to etch the Parylene-C using O2 plasma. Most university clean rooms have a comparable planar RIE etching system.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kapton standard polyimide tape, 1/4&#34;</td>
			<td>DuPont</td>
			<td></td>
			<td>Used to add thickness to the Au bonding pad region of the flexible Parylene microelectrode array for insertion into the ZIF connector.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketamine</td>
			<td>Hospital of the Univ. of Penn.</td>
			<td></td>
			<td>Anesthesia for rat surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KLA P-7 Stylus Profilometer</td>
			<td>KLA Corporation</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium chloride, 99% for analysis, anhydrous</td>
			<td>Acros</td>
			<td>CAS: 7447-41-8</td>
			<td>Hygroscopic; delamination material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MA6 mask aligner</td>
			<td>Karl Suss Microtec AG</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-90 cleaning solution</td>
			<td>International Products Corporation</td>
			<td>M-9050-12</td>
			<td>Used as the anti-adhesive layer to enable removal of the sacrificial Parylene-C layer to pattern the MXene</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NR71-3000p photoresist</td>
			<td>Futurrex Inc.</td>
			<td>NR71-3000p</td>
			<td>Negative photoresist used to define Ti/Au traces and MXene patterns in the devices.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ophthalmic ointment</td>
			<td>Midwest Veterinary Supply</td>
			<td>193.63200.3</td>
			<td>To prevent corneal drying during surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parylene deposition system</td>
			<td>Specialty Coating Systems</td>
			<td></td>
			<td>Used to evaporate thin conformal films of Parylene-C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parylene-C dimer</td>
			<td>Specialty Coating Systems</td>
			<td>980130-c-01lbe</td>
			<td>Flexible polymer used as bottom and top passivating layers for the flexible MXene devices</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomasks (chrome on soda lime glass)</td>
			<td>University of Pennsylvania</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Povidone-iodine solution</td>
			<td>Medline</td>
			<td>MDS093901</td>
			<td>To help prevent infection around scalp incision</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed Circuit Board (PCB)</td>
			<td>Advanced Circuits</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RD6 Developer</td>
			<td>Futurrex Inc.</td>
			<td>RD6 Developer</td>
			<td>Used to develop NR71-3000p negative photoresist following UV exposure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reference 600 potentiostat</td>
			<td>Gamry Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Used to measure the electrodes&#39; impedance to assess quality of the devices</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Remover PG</td>
			<td>MicroChem Corp.</td>
			<td>G050200</td>
			<td>Used to remove NR71-3000p following metal deposition to perform lift-off patterning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS2000 Stim SPI interface cable</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td></td>
			<td>A component of the neural recording system.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS2116 amplifier board</td>
			<td>Intan Technologies</td>
			<td></td>
			<td>A component of the neural recording system.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafers</td>
			<td>Wafer World</td>
			<td>2885</td>
			<td>Substrate for fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin Coater</td>
			<td>Cost Effective Equipment</td>
			<td></td>
			<td>For coating wafers with resists and applying the Micro-90 and MXene layers. Most university clean rooms have spin coaters.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereotaxic frame</td>
			<td>Kopf Instruments</td>
			<td>Model 902</td>
			<td>For positioning the rat for neurosurgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Teflon-coated magnetic stir bar</td>
			<td>Corning</td>
			<td>REF: 1233W95</td>
			<td>Used to stir during etching and intercalation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium carbide, 99.5% (metals basis), particle size ~2 &#181;m</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>CAS: 12070-08-5</td>
			<td>Used for MAX synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium powder, -325 mesh, 99% (metals basis), particle size &#60; 44&#181;m</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>CAS: 7440-32-6</td>
			<td>Used for MAX synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic bath sonicator</td>
			<td>Reynolds Tech</td>
			<td></td>
			<td>For removing metal and photoresist particles during lift-off processes to pattern metals.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV vis spectrophotometer</td>
			<td>ThermoScientific</td>
			<td>Evolution 201</td>
			<td>Used to determine concentration and observe absorption peak</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zetasizer, Particle Size Analysis</td>
			<td>Malvern Panalytical</td>
			<td>Nano ZS</td>
			<td>Used to determine particle lateral size distibution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of ti3c2 mxene microelectrode arrays for in vivo neural recording

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.

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 beob...

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Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording

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

Herstellung von Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays für In Vivo Neural Recording

Implantable microelectrode technologies have been widely used to elucidate neural dynamics at the microscale to gain a deeper understanding of the neural ...

Dieses Syntheseprotokoll erzeugt hochwertige MXene-Tinte mit einer metallischen Leitfähigkeit von über 10.000 Siemens pro Zentimeter. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die präzise Mikromusterung von MXene-Folien ermöglicht, ohne den Film zu beschädigen oder schädliche Rückstände an den Elektroden zu hinterlassen. Um eine Titancarbidtinte vorzubereiten, fügen Sie langsam zwei Gramm Titan-Aluminium-Hartmetall-Vorläufer zu einem 125-Milliliter-Reaktionsbehälter mit selektiver Ätzlösung hinzu und rühren Sie die Lösung mit einem Teflon-Magnetbalken 24 Stunden lang bei 35 Grad Celsius bei 400 Umdrehungen pro Minute.Am Ende der Inkubation 50 Milliliter entionisiertes Wasser in zwei 175 Milliliter Zentrifugenröhren geben, das Ätzreaktionsgemisch gleichmäßig zwischen den Rohren aufteilen und auf die 150-Milliliter-Marke füllen. Waschen Sie das Material durch wiederholte Zentrifugation, Dekantieren des sauren Überstandes in einen Kunststoff-Sondermüllbehälter und Zugabe von frischem Wasser zu den Rohren zwischen zentrifugationsschritten, bis der pH-Wert der Überstandlösung über pH 6 reicht. Um die Moleküle zwischen mehrschichtigen MXen-Partikeln zu verkalken, um aus ebenen Wechselwirkungen zu schwächen, fügen Sie zwei Gramm Lithiumchlorid zu 100 Milliliter entionisiertem Wasser hinzu und rühren Sie die Lösung bei 200 Umdrehungen pro Minute.Wenn sich das Lithiumchlorid gelöst hat, mischen Sie 100 Milliliter der Lithiumchloridlösung mit dem Titankarbid-Titan-Aluminium-Hartmetall-Sediment. Übertragen Sie die Lösung zurück in den 125 Milliliter Kunststoffbehälter und rühren Sie die Reaktion für 12 Stunden bei 25 Grad Celsius und 200 Umdrehungen pro Minute. Für die Delamination vom mehrschichtigen Massenteilchen in ein- bis wenige Lagen Titancarbid MXene, waschen Sie die Interkalationslösung mit mehreren Zentrifugationen, dekantieren Sie den klaren Überstand, bis ein dunkler Überstand beobachtet wird.Dann zentrifugieren Sie den dunklen Überstand für eine Stunde, bevor Sie den verdünnten grünen Überstand dekantieren. Das geschwollene Sediment mit 150 Milliliteren entionisiertem Wasser neu dispergieren und die Lösung gleichmäßig in drei 50 Milliliter Zentrifugenrohre aufteilen. Zentrifugieren Sie die Proben, um das verbleibende MXene-Sediment vom MXene-Überstand zu trennen und die Überstande in einem einzigen Behälter zu bündeln.Dann zentrifugieren Sie die Lösung für eine zusätzliche Stunde für eine weitere Größenauswahl und Optimierung der Lösung, um ein- bis einschichtige Flocken zu isolieren. Legen Sie für die Herstellung von Titancarbid-Mikroelektroden-Arrays eine vier Mikrometer dicke Bodenschicht aus Parylen-C auf einen sauberen Siliziumwafer ab. Um die Photolithographie zu verwenden, um Metallmuster auf dem Wafer zu definieren, drehen Sie den Lack-Photowiderstand mit 3.000 Umdrehungen pro Minute für 40 Sekunden auf den Wafer, bevor Sie den Wafer für 14,5 Minuten bei 95 Grad Celsius auf einer Kochplatte weich backen.Als nächstes laden Sie den Wafer und maskieren Sie einen in einen Maskenausrichter mit dem Wafer positioniert, so dass der Ring auf der Fotomaske mit allen Rändern des Wafers überlappt. Setzen Sie den Wafer mit 365 Nanometer Wellenlängen der Augenlinie bei einer quadratischen Dosis von 90 Millijoule pro Zentimeter aus und backen Sie den Wafer eine Minute lang bei 115 Grad Celsius hart auf einer Kochplatte. Am Ende des harten Backens, tauchen Sie den Wafer in RD6 Entwickler für zwei Minuten mit kontinuierlicher Rührung, bevor sie gründlich mit entionisiertem Wasser und Blastrocknung mit einer Stickstoffpistole spülen.Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um 10 Nanometer Titan abzulagern, gefolgt von 100 Nanometern Gold auf den Wafer. Dann tauchen Sie den Wafer für ca. 10 Minuten in den Lösungsmittel-Stripper ein, bis sich der Photowiderstand aufgelöst hat und das überschüssige Metall vollständig abgenommen hat. Sobald der Liftoff abgeschlossen erscheint, beschallen Sie den Wafer 30 Sekunden lang, um alle verbleibenden Spuren von unerwünschtem Metall zu entfernen und spülen Sie den Wafer mit frischem Lösungsmittel-Stripper und entionisiertem Wasser, bevor Sie mit einer Stickstoffpistole trocknen.Am Ende des Liftoff-Prozesses wird Gold in den gewünschten Verbindungsspuren und im Ring um den Waferrand sichtbar sein. Zur Abscheidung der Aufopferungsschicht Parylene-C den Wafer zunächst 30 Sekunden lang Sauerstoffplasma aussetzen, um die darunter liegende Parylen-C-Schicht hydrophil zu machen, bevor die Spinbeschichtung die Reinigungslösung mit 1.000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sekunden verdünnt. Lassen Sie den Wafer mindestens fünf Minuten trocknen, bevor Sie drei Mikrometer Parylen-C auf den Wafer ablagern, wie gezeigt.Verwenden Sie nach einer zweiten Runde der Photolithographie mit Maske zwei die sauerstoffplasmareaktive Ionenätzung, um durch die Aufopferungsschicht Parylen-C in den Bereichen zu ätzen, die nicht vom Photoresist abgedeckt sind, um die MXene-Elektroden und -Spuren zu definieren. Die Radierung sollte sich teilweise mit den Titangold-Verbindungen sowie dem Ring um die Ränder des Wafers überlappen. Verwenden Sie dann ein Profilometer, um das Profil zwischen den freiliegenden Titan- und Goldverbindungen und der unteren Parylen-C-Schicht zu messen, um eine vollständige Ätzung der Aufopferungsschicht Parylene-C zu bestätigen.Um die MXene-Lösung auf den Wafer zu schichten, geben Sie die Lösung zunächst auf jedes der gewünschten MXene-Muster aus, bevor Sie den Wafer 40 Sekunden lang bei 1.000 Umdrehungen pro Minute drehen. Trocknen Sie den Wafer auf einer 120 Grad Celsius-Heißplatte für 10 Minuten, um Restwasser aus dem MXene-Film zu entfernen, und verwenden Sie dann einen Elektronenstrahlverdampfer, um eine geschützte 50 Nanometer Siliziumdioxidschicht auf den Wafer zu legen. Um die aufopfernde Parylen-C-Schicht zu entfernen, legen Sie einen kleinen Tropfen entionisiertes Wasser an den Rand des Wafers und verwenden Sie eine Pinzette, um die aufopfernde Parylen-C-Schicht zu schälen, beginnend mit der Stelle, an der die Ränder der Schicht im Ring um die Außenseite des Wafers definiert sind.Als nächstes spülen Sie den Wafer gründlich mit frischem entionisiertem Wasser ab, um restliche Reinigungslösungsrückstände zu entfernen und den Wafer mit einer Stickstoffpistole zu trocknen. Legen Sie den getrockneten Wafer für eine Stunde auf eine 120 Grad Celsius-Heißplatte, um Restwasser aus den gemusterten MXene-Folien zu entfernen, bevor Sie eine vier Mikrometer dicke Schicht Parylen-C auf den Wafer ablegen, wie gezeigt. Nach einer weiteren Fotolithographierunde mit Maske drei verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um 100 Nanometer Aluminium auf den Wafer zu legen und den Wafer 10 Minuten lang in Einen Lösungsmittel-Stripper einzutauchen, bis das Metall vollständig vom Wafer abgehoben ist.Nach Beschallung, Spülen und Trocknen, wie gezeigt, kann Aluminium beobachtet werden, das die Geräte mit Öffnungen für die Elektroden und Klebepads bedeckt. Verwenden Sie Sauerstoffplasma-reaktive Ionenätzung, um durch die Parylen-C-Schichten zu ätzen, um die Geräte und durch die obere Parylen-C-Schicht zu umgeben, die sowohl die MXene-Elektrodenkontakte als auch die Gold-Bindungspads abdeckt. Wenn kein Parylen-C-Rückstand auf dem Wafer zwischen den Geräten verbleibt, verwenden Sie eine nasse chemische Ätzinze in Aluminium-Etchant Typ A bei 50 Grad Celsius für 10 Minuten oder bis eine Minute verging, wenn alle visuellen Spuren des Aluminiums verschwunden sind.Um das Siliziumoxid, das die MXene-Elektroden bedeckt, zu ätzen, verwenden Sie 30 Sekunden lang eine nasse chemische Ätzung in sechs-zu-eins gepuffertem Oxid-Etchant. Legen Sie dann einen kleinen Tropfen entionisiertes Wasser am Ende des Geräts. Schälen Sie das Gerät vorsichtig auf, da Wasser unter dem Gerät durch Kapillarwirkung abgewickelt wird, um das Gerät aus dem Siliziumsubstratwafer zu lösen.Hier werden Beispieldaten zur Mikroelektrokortikographie gezeigt, die auf einem MXene-Mikroelektroden-Array aufgezeichnet wurden. Die vermeintlichen kortikalen DOWN-Zustände basieren auf dem Trog der langsamen Schwingung bei ein bis zwei Hertz. Nach dem Auftragen des Elektrodenarrays auf den Kortex waren auf den Aufnahmeelektroden sofort klare physiologische Signale erkennbar, wobei auf allen MXene-Elektroden etwa ein Millivolt-Amplituden-Elektrokortikographiesignal auftauchte.Leistungsspektren dieser Signale bestätigten das Vorhandensein von zwei Gehirnrhythmen, die häufig bei Ratten unter Ketamin-Dexmedetomidin-Anästhesie, ein bis zwei Hertz-Langsamenschwingungen und Gamma-Oszillationen bei 40 bis 70 Hertz beobachtet werden. Zusätzlich wurden eine signaturlange Breitbandleistungsdämpfung während des DOWN-Zustands der langsamen Schwingung und ein selektives 15 bis 30 Hertz Betaband und eine 40 bis 120 Hertz Gammaband-Leistungsverstärkung während des UP-Zustands der langsamen Schwingung beobachtet. Die Optimierung der Synthesemethode hat die Ausweitung des Einsatzes von MXenes auf andere Anwendungen wie optoelektronische Geräte, intelligente Textilien und mehr ermöglicht.Dieses Verfahren beinhaltet die Verwendung von gefährlichen Chemikalien einschließlich Flusssäure, Aluminium-Etchant, und Photoresist-Entwickler. Achten Sie darauf, immer die entsprechende PSA zu verwenden, wenn Sie mit diesen Chemikalien umgehen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording

Fabrication of Micropatterned Hydrogels for Neural Culture Systems using Dynamic Mask Projection Photolithography

Herstellung von mikrostrukturierten Hydrogele für Neural Kultur-Systeme mit Dynamic Mask Projektion Photolithographie

Increasingly, patterned cell culture environments are becoming a relevant technique to study cellular characteristics, and many researchers believe in the ...

Forschung

Biotechnik

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

Herstellung von elektrochemischen DNA Biosensoren für die Reagenzienfreier Nachweis von Nukleinsäuren, Proteinen und kleinen Molekülen

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

High efficiency, Site-specific Transfection of Adherent Cells with siRNA Using Microelectrode Arrays (MEA)

High efficiency, Site-specific Transfection of Adherent Cells with siRNA Using Microelectrode Arrays MEA

Hohe Effizienz, Site-spezifische Transfektion adhärenter Zellen mit siRNA mit Mikroelektroden-Arrays (MEA)

The discovery of RNAi pathway in eukaryotes and the subsequent development of RNAi agents, such as siRNA and shRNA, have achieved a potent method for ...

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Herstellung und Implantation von Miniatur-Zweielement Dehnungsmessstreifen für Mess<em&gt; In Vivo</em&gt; Magen-Darm-Kontraktionen in Nagetiere.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an ...

Sealable Femtoliter Chamber Arrays for Cell-free Biology

Plombierbare Femtoliter Kammer Arrays für Zellfreie Biologie

Cell-free systems provide a flexible platform for probing specific networks of biological reactions isolated from the complex resource sharing (e.g., ...

Easy and Accurate Mechano-profiling on Micropost Arrays

Einfache und genaue Mechanotherapie Profilierung Micropost Arrays

Cell culture substrates with integrated flexible microposts enable a user to study the mechanical interactions between cells and their immediate ...

Improved 3D Hydrogel Cultures of Primary Glial Cells for In Vitro Modelling of Neuroinflammation

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3D Hydrogel Kulturen von primären Gliazellen für In-vitro- Modellierung von Neuroinflammation verbessert

In the central nervous system, numerous acute injuries and neurodegenerative disorders, as well as implanted devices or biomaterials engineered to enhance ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

Starre Einbettung von fixiert und gefärbt, im großen und ganzen Millimeter-Skala Exemplare für Abschnitt-free 3D Histologie durch Mikro-Computertomographie

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...

Interfacing Microfluidics with Microelectrode Arrays for Studying Neuronal Communication and Axonal Signal Propagation

Interfacing Mikrofluidik mit Mikroelektrode Arrays für das Studium neuronale Kommunikation und axonalen Signalausbreitung

Microelectrode arrays (MEAs) are widely used to study neuronal function in vitro. These devices allow concurrent non-invasive recording/stimulation of ...