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

Este trabalho contou com o apoio dos Institutos Nacionais de Saúde (bolsa nº. R21-NS106434), o Citizens United for Research in Epilepsy Taking Flight Award, a Mirowski Family Foundation e Neil e Barbara Smit (F.V.); o Programa de Bolsas de Pesquisa de Pós-Graduação da Fundação Nacional de Ciência (bolsa nº. DGE-1845298 para N.D. e B.M.); o Escritório de Pesquisa do Exército (Acordo Cooperativo Número W911NF-18-2-0026 para K.M.); e pelo Exército dos EUA através do Programa de Iniciativa de Ciência de Superfície no Edgewood Chemical Biological Center (PE 0601102A Project VR9 para Y.G. e K.M.). Este trabalho foi realizado em parte no Singh Center for Nanotechnology, que é apoiado pelo Programa Nacional de Infraestrutura Coordenada de Nanotecnologia da Fundação Nacional de Ciência (NNCI-1542153).

Todos os procedimentos vivos constituídos ao Guia nacional de Saúde (NIH) para o Cuidado e Uso de Animais Laboratoriais e aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) da Universidade da Pensilvânia.
1. Síntese de Ti3C2 MXene
NOTA: Os procedimentos de reação descritos nesta seção são destinados ao uso dentro de uma capa de fume química. As etapas de lavagem incluídas neste procedimento devem ser uti...

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	<li>Ludwig, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)+(PEDOT)+polymer+coatings+facilitate+smaller+neural+recording+electrodes.">Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) polymer coatings facilitate smaller neural recording electrodes.</a> Journal of Neural Engineering. 8 (1), 014001 (2011).</li><li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. 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R., Zhao, M. Q., Gogotsi, Y., Barsoum, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conductive+two-dimensional+titanium+carbide+&#8216;clay&#8217;+with+high+volumetric+capacitance.">Conductive two-dimensional titanium carbide &#8216;clay&#8217; with high volumetric capacitance.</a> Nature. 516 (7529), 78-81 (2014).</li><li>Lukatskaya, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-high-rate+pseudocapacitive+energy+storage+in+two-dimensional+transition+metal+carbides.">Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides.</a> Nature Energy. 2, 17105 (2017).</li><li>Zhu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon-Based+Supercapacitors+Produced+by+Activation+of+Graphene.">Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene.</a> Science. 332 (6037), 1537-1541 (2011).</li><li>Heon, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+carbide-derived+carbon+films+with+high+volumetric+capacitance.">Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance.</a> Energy &amp; Environmental Science. 4 (1), 135-138 (2011).</li><li>Yang, X., Cheng, C., Wang, Y., Qiu, L., Li, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid-mediated+dense+integration+of+graphene+materials+for+compact+capacitive+energy+storage.">Liquid-mediated dense integration of graphene materials for compact capacitive energy storage.</a> Science. 341 (6145), 534-537 (2013).</li><li>Zhang, C. 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O procedimento de síntese e delaminação mxene descrito neste protocolo (HF/HCl/LiCl) foi construído a partir da abordagem de gravação MILD que empregava um LiF/HCl (in situ HF) etchant médio26. A abordagem MILD permite que grandes flocos Ti3C2 (vários μm em tamanho lateral) sejam espontaneamente delaminados durante a lavagem uma vez que pH ~5-6 tenha sido alcançado. Em comparação com a gravação apenas com HF, isso resulta em material com maior qualidade e melhor...

Entender os mecanismos fundamentais subjacentes aos circuitos neurais e como sua dinâmica é alterada em doenças ou lesões, é um objetivo crítico para o desenvolvimento de terapêuticas eficazes para uma ampla gama de distúrbios neurológicos e neuromusculares. As tecnologias de microeletrodos têm sido amplamente utilizadas para elucidar a dinâmica neural em escalas espaciais e temporais finas. No entanto, obter gravações estáveis com alta relação sinal-ruído (SNR) a partir de eletrodos de microescala provou ser particularmente desafiador. À medida que as dimensões dos eletrodos são reduzidas à aproximação da escala celular, um aumento correspondente na impedância de eletrodos degrada a qualidade do sinal1. Além disso, inúmeros estudos têm demonstrado que eletrodos rígidos compostos por materiais eletrônicos convencionais de silício e metal produzem danos significativos e inflamação no tecido neural, o que limita sua utilidade para o registro a longo prazo2,3,4,5. Diante desses fatos, houve um interesse significativo no desenvolvimento de microeletrodos com novos materiais que podem reduzir a impedância da interface eletrodo-tecidual e podem ser incorporados em fatores de forma suave e flexível.
Um método comumente usado para reduzir a impedância da interface eletrodo-tecidual está aumentando a área sobre a qual espécies iônicas no fluido extracelular podem interagir com o eletrodo, ou a "área de superfície eficaz" do eletrodo. Isso pode ser alcançado através da nanopadronização6, roughening superficial7, ou eletroplating com aditivos porosos8,9. Os nanomateriais ganharam atenção significativa neste campo porque oferecem áreas de superfície específicas intrinsecamente altas e combinações únicas de propriedades elétricas e mecânicas favoráveis10. Por exemplo, nanotubos de carbono têm sido usados como revestimento para reduzir significativamente a impedância de eletrodos11,12,13, óxido de grafeno foi processado em eletrodos de sonda sem fio e flexíveis14, e o grafeno poroso piralificado a laser foi utilizado para eletrocorticografia flexível e de baixa impesão (micro-ECoG) eletrocógrafos15. Apesar de sua promessa, a falta de métodos de montagem escaláveis limitou a adoção generalizada de nanomateriais para eletrodos interligados neurais. Nanomateriais à base de carbono, em particular, são tipicamente hidrofóbicos, e, portanto, requerem o uso de surfactantes16, superácidos17, ou funcionalização superficial18 para formar dispersões aquosas para métodos de fabricação de processamento de soluções, enquanto métodos alternativos de fabricação, como deposição de vapor químico (DCV), normalmente requerem altas temperaturas incompatíveis com muitos substratos poliméricos19,20,21 ,22.
Recentemente, uma classe de nanomateriais bidimensionais (2D), conhecidos como MXenes, foi descrita que oferece uma combinação excepcional de alta condutividade, flexibilidade, capacitância volumétrica e hidrofilia inerente, tornando-os uma classe promissora de nanomateriais para eletrodos interficiais neurais23. MXenes são uma família de carbides de metal de transição 2D e nitrides que são mais comumente produzidos gravando seletivamente o elemento A de precursores em camadas. Estas são tipicamente fases MAX com a fórmula geral Mn+1AXn, onde M é um metal de transição precoce, A é um elemento de grupo 12-16 da tabela periódica, X é carbono e/ou nitrogênio, e n = 1, 2 ou 324. Os flocos mxene bidimensionais têm grupos funcionais de terminação de superfície que podem incluir hidroxilo (−OH), oxigênio (-O) ou fluorina (-F). Esses grupos funcionais tornam os MXenes inerentemente hidrofílicos e permitem modificação ou funcionalidade de superfície flexível. Da grande classe de MXenes, ti3C2 tem sido o mais estudado e caracterizado25,26,27. Ti3C2 mostra capacidade volumétrica notavelmente maior (1.500 F/cm3)28 do que o grafeno ativado (~60-100 F/cm3)29, carbonos derivados de carbóide (180 F/cm3)30, e filmes de gel de grafeno (~260 F/cm3)31. Além disso, ti3C2 mostra uma condutividade eletrônica extremamente alta (~10.000 S/cm)32, e sua biocompatibilidade tem sido demonstrada em diversos estudos33,34,35,36. A alta capacidade volumétrica dos filmes Ti3C2 é vantajosa para aplicações biológicas de sensoriamento e estimulação, pois eletrodos que exibem transferência de carga capacitiva podem evitar reações de hidrólise potencialmente prejudiciais.
Nosso grupo demonstrou recentemente matrizes flexíveis de microeletrodos Ti3C2, preparadas usando métodos de processamento de soluções, que são capazes de registrar tanto a microeletrocorticografia (micro-ECoG) quanto a atividade intracortical neuronal de piqueamento in vivo com o Alto SNR36. Estes eletrodos MXene mostraram impedância significativamente reduzida em comparação com eletrodos de ouro (Au) com tamanho, que podem ser atribuídos à alta condutividade de MXene e à área de superfície alta dos eletrodos. Neste protocolo, descrevemos os passos-chave para a fabricação de matrizes de microeletrodos planar de Ti3C2 MXene em substratos parylene-C flexíveis e utilizando-os in vivo para gravação intraoperatória de micro-ECoG. Este método aproveita a natureza hidrofílica da MXene, o que possibilita o uso de métodos de processamento de soluções simples e escaláveis, sem exigir o uso de surfactantes ou superácidos para alcançar suspensões aquosas estáveis. Essa facilidade de processabilidade pode permitir a produção econômica de biosensores MXene em escalas industriais, o que tem sido uma grande limitação para a adoção generalizada de dispositivos com base em outros nanomateriais de carbono. A principal inovação na fabricação de eletrodos está no uso de uma camada polimérica sacrificial para micropadronizar o MXene após o revestimento spin, um método adaptado da literatura sobre polipoli de solução processada (3,4-etilenoiophene):poly (sulfona estireno) (PEDOT:PSS) microelectrodes37,mas que não havia sido descrito anteriormente para o padrão MXene. As excepcionais propriedades elétricas de Ti3C2,juntamente com sua processabilidade e morfologia 2D fazem dele um material muito promissor para interfaces neurais. Em particular, o Ti3C2 oferece um caminho para superar a troca fundamental entre área geométrica de eletrodos e impedância de interface eletroquímica, fator principal de limitação para o desempenho de eletrodos em microescala. Além disso, o procedimento de fabricação descrito neste protocolo pode ser adaptado para produzir matrizes de eletrodos MXene de tamanhos e geometrias variados para diferentes paradigmas de gravação, e também pode ser facilmente adaptado para incorporar outras tintas condutoras além de MXene.

<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

As tecnologias de microeletrodos implantáveis têm sido amplamente utilizadas para elucidar a dinâmica neural na microescala para obter uma compreensão mais profunda dos fundamentos neurais de doenças cerebrais e lesões. Como os eletrodos são miniaturizados à escala de células individuais, um aumento correspondente na impedância da interface limita a qualidade dos sinais registrados. Além disso, os materiais de eletrodos convencionais são rígidos, resultando em uma significativa incompatibilidade mecânica entre o eletrodo e o tecido cerebral circundante, o que provoca uma resposta inflamatória que eventualmente leva a uma degradação do desempenho do dispositivo. Para enfrentar esses desafios, desenvolvemos um processo para fabricar microeletrodos flexíveis baseados em Ti3C2 MXene, um nanomaterial recentemente descoberto que possui notável alta capacidade volumétrica, condutividade elétrica, funcionalidade de superfície e capacidade de processamento em dispersões aquosas. Matrizes flexíveis de microeletrodos Ti3C2 MXene têm uma impedância notavelmente baixa devido à alta condutividade e alta área de superfície específica dos filmes Ti3C2 MXene, e eles provaram ser requintadamente sensíveis para registrar atividade neuronal. Neste protocolo, descrevemos um novo método para micropadronizar Ti3C2 MXene em matrizes de microeletrodos em substratos poliméricos flexíveis e delinear seu uso para gravação de microeletrocorticografia ao vivo. Este método pode ser facilmente estendido para criar matrizes de eletrodos MXene de tamanho arbitrário ou geometria para uma gama de outras aplicações em bioeletrônica e também pode ser adaptado para uso com outras tintas condutoras além de Ti3C2 MXene. Este protocolo permite a fabricação simples e escalável de microeletrodos a partir de tintas condutoras baseadas em soluções, e especificamente permite aproveitar as propriedades únicas de icti3C 2 MXene para superar muitas das barreiras que há muito dificultam a adoção generalizada de nanomateriais à base de carbono para microeletrodos neurais de alta fidelidade.

Os dados de micro-ECoG de amostra registrados em uma matriz de microeletrodo MXene são mostrados na Figura 5. Após a aplicação da matriz de eletrodos no córtex, sinais fisiológicos claros foram imediatamente aparentes nos eletrodos de gravação, com aproximadamente 1 mV de amplitude ECoG aparecendo em todos os eletrodos MXene. Espectros de energia desses sinais confirmaram a presença de dois ritmos cerebrais comumente observados em ratos anestesia de cetamina-dexmedetomidina: oscila?...

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Fabrication of Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays for In Vivo Neural Recording

Descrevemos aqui um método para fabricar matrizes de microeletrodos Ti3C2 MXene e utilizá-las para gravação neural in vivo.

Fabricação de Matrizes de microeletrodo Ti3C2 MXene para gravação neural in vivo

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

Este protocolo de síntese produz tinta MXene de alta qualidade com uma condutividade metálica que atinge acima de 10.000 Siemens por centímetro. A principal vantagem desta técnica é que ela permite a micro-padronização precisa dos filmes MXene sem danificar o filme ou deixar resíduos nocivos nos eletrodos. Para preparar uma tinta de carboneto de titânio, adicione lentamente dois gramas de precursor de carboneto de alumínio de titânio a um recipiente de reação de 125 mililitros contendo solução de gravura seletiva e misture a solução com uma barra magnética Teflon por 24 horas a 35 graus Celsius a 400 rotações por minuto.No final da incubação, adicione 50 mililitros de água deionizada a dois tubos de centrífuga de 175 mililitros, divida a mistura de reação de gravura igualmente entre os tubos e encha a marca de 150 mililitros. Lave o material por centrifugação repetida, decantando o supernanato ácido em um recipiente de resíduos perigosos plásticos e adicionando água doce aos tubos entre etapas de centrifugação até que o pH da solução sobrenante chegue acima do pH seis. Para a intercalação das moléculas entre partícula MXene multicamadas para enfraquecer fora das interações de plano, adicione dois gramas de cloreto de lítio a 100 mililitros de água desionizada e mexa a solução a 200 rotações por minuto.Quando o cloreto de lítio for dissolvido, misture 100 mililitros da solução de cloreto de lítio com o sedimento de carboneto de alumínio de titânio de titânio. Transfira a solução de volta para o recipiente plástico de 125 mililitros e mexa a reação por 12 horas a 25 graus Celsius e 200 rotações por minuto. Para a delaminação da partícula multicamadas a granel em um único a poucos camadas de carboneto de titânio MXene, lave a solução de intercalação com múltiplas centrífugas, decantando o supernatante claro até que um supernatante escuro seja observado.Em seguida, centrifugar o supernatante escuro por uma hora antes de decantar o supernatante verde diluído. Redisperse o sedimento inchado com 150 mililitros de água deionizada e divida a solução igualmente em três tubos de centrífuga de 50 mililitros. Centrifugar as amostras para separar o sedimento MXene restante do supernatante MXene e juntar os supernantes em um único recipiente.Em seguida, centrifufique a solução por mais uma hora para seleção de tamanho adicional e otimização da solução para isolar simples a poucos flocos de camada. Para fabricação de matriz de microeletrodes de carboneto de titânio, deposite uma camada inferior de quatro micrômetros de parileno-C em um wafer de silício limpo. Para usar a fotolitografia para definir padrões metálicos no wafer, gire o fotoresist do casaco no wafer a 3.000 rotações por minuto durante 40 segundos antes de assar suavemente o wafer em uma placa quente por 14,5 minutos a 95 graus Celsius.Em seguida, carregue o wafer e mascara um em um alinhador de máscara com o wafer posicionado para que o anel na máscara de foto se sobreponha a todas as bordas do wafer. Exponha o wafer com 365 comprimentos de onda de 365 nanômetros de linha ocular a uma dose quadrada de 90 milímetros e asse duramente o wafer em uma placa quente por um minuto a 115 graus Celsius. No final do cozimento duro, mergulhe o wafer no desenvolvedor RD6 por dois minutos com agitação contínua antes de enxaguar completamente com água deionizada e soprar secando com uma arma de nitrogênio.Use um evaporador de feixe de elétrons para depositar 10 nanômetros de titânio seguido de 100 nanômetros de ouro no wafer. Em seguida, mergulhe o wafer em stripper solvente por cerca de 10 minutos até que o fotoresiste tenha dissolvido e o excesso de metal tenha totalmente levantado. Uma vez que a decolagem pareça completa, sonicize o wafer por 30 segundos para remover quaisquer vestígios restantes de metal indesejado e enxaguar o wafer com stripper solvente fresco e água desionizada antes de secar com uma arma de nitrogênio.No final do processo de decolagem, o ouro será visível nos traços de interconexão desejados e no anel ao redor da borda do wafer. Para a deposição da camada sacrificial Parileno-C, primeiro exponha o wafer ao plasma de oxigênio por 30 segundos para tornar a camada básica parileno-C hidrofílica antes de girar a solução de limpeza diluída no wafer a 1.000 rotações por minuto durante 30 segundos. Deixe o wafer secar pelo menos cinco minutos antes de depositar três micrômetros de Parileno-C no wafer, como demonstrado.Após uma segunda rodada de fotolitografia usando a máscara dois, use gion reativo de plasma de oxigênio para gravar através da camada sacrificial Parileno-C nas áreas não cobertas pelo fotoresist para definir os eletrodos e traços MXene. A gravura deve se sobrepor parcialmente com as interconexões de ouro de titânio, bem como o anel ao redor das bordas do wafer. Em seguida, use um perfil para medir o perfil entre as interconexões de titânio e ouro expostas e a camada parileno-C inferior para confirmar uma gravação completa da camada sacrificial Parylene-C.Para girar a solução MXene no wafer, primeiro dispense a solução em cada um dos padrões MXene desejados antes de girar o wafer a 1.000 rotações por minuto durante 40 segundos. Seque o wafer em uma placa quente de 120 graus Celsius por 10 minutos para remover qualquer água residual do filme MXene e, em seguida, use um evaporador de feixe de elétrons para depositar uma camada protegida de dióxido de silício de 50 nanômetros no wafer. Para remover a camada sacrificial Parylene-C, coloque uma pequena gota de água deionizada na borda do wafer e use pinças para descascar a camada sacrificial Parylene-C a partir de onde as bordas da camada são definidas no anel ao redor do wafer.Em seguida, enxágue o wafer completamente com água deionizada fresca para remover qualquer resíduo restante da solução de limpeza e secar o wafer com uma arma de nitrogênio. Coloque o wafer seco em uma placa quente de 120 graus Celsius durante uma hora para remover qualquer água residual dos filmes MXene padronizados antes de depositar uma camada de quatro micrômetros de espessura de Parileno-C no wafer, como demonstrado. Depois de realizar outra rodada de fotolitografia com a máscara três, use um evaporador de feixe de elétrons para depositar 100 nanômetros de alumínio no wafer e imergir o wafer em stripper solvente por 10 minutos até que o metal tenha completamente levantado do wafer.Após a sonicação, lavagem e secagem como demonstrado, o alumínio pode ser observado cobrindo os dispositivos com aberturas para os eletrodos e almofadas de ligação. Use gion reativo de plasma de oxigênio para gravar através das camadas Parylene-C que circundam os dispositivos e através da camada superior Parylene-C cobrindo tanto os contatos de eletrodos MXene quanto as almofadas de ligação de ouro. Quando nenhum resíduo de Parileno-C permanecer no wafer entre os dispositivos, use uma etch química molhada no etchant de alumínio tipo A a 50 graus Celsius por 10 minutos ou até que um minuto se passou quando todos os traços visuais do alumínio desapareceram.Para gravar o óxido de silício que cobre os eletrodos MXene, use uma gravação química molhada em etchant de óxido tamponado de seis para um por 30 segundos. Em seguida, coloque uma pequena gota de água deionizada no final do dispositivo. Retire suavemente o dispositivo como a água é perversa sob o dispositivo por ação capilar para liberar o dispositivo do wafer de substrato de silício.Aqui, dados de micro-eletrocorticografia de amostra registrados em uma matriz de microeletrodos MXene são mostrados. Os estados putativos de DOWN cortical são baseados no cocho da oscilação lenta em um a dois hertz. Após a aplicação da matriz de eletrodos no córtex, sinais fisiológicos claros foram imediatamente aparentes nos eletrodos de gravação com aproximadamente um sinal de eletrocorticografia de amplitude milivolt aparecendo em todos os eletrodos MXene.Espectros de energia desses sinais confirmaram a presença de dois ritmos cerebrais comumente observados em ratos sob anestesia de dexmedetomidina de cetamina, oscilações lentas de um a dois hertz e oscilações gama de 40 a 70 hertz. Além disso, foi observada uma atenuação de energia de banda larga durante o estado DOWN da oscilação lenta e uma faixa beta de 15 a 30 hertz e de 40 a 120 hertz durante o estado UP da oscilação lenta. A otimização do método de síntese permitiu a expansão do uso de MXenes em outras aplicações, como em dispositivos optoeletrônicos, têxteis inteligentes e muito mais.Este procedimento envolve o uso de produtos químicos perigosos, incluindo ácido fluorídrico, etchant de alumínio e desenvolvedor fotoresist. Certifique-se de sempre usar os EPI apropriados ao manusear esses produtos químicos.

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

Fabricação de hidrogéis micropatterned para Sistemas de Cultura Neural usando fotolitografia Projeção Dinâmica Máscara

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

Bioengenharia

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

Fabricação de Eletroquímica-DNA Biossensores para Detecção Reagentless de ácidos nucléicos, proteínas e pequenas moléculas

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

Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T

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

Alta eficiência, Transfecção site-specific de células aderentes com siRNA Usando matrizes de microeletrodos (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.

Fabricação e Implantação de miniatura de elemento duplo Medidores de tensão para medição<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinal Contrações em roedores.

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

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Fácil e precisa Mecano-profiling em micropost Arrays

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

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

Melhorado o hidrogel 3D culturas de células gliais primárias para In Vitro modelagem de Neuroinflammation

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

Rígida incorporação de fixo e manchado, inteiro, espécimes de milímetro-escala para histologia seção livre 3D por Microtomografia computadorizada

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

Microfluídica interfaceamento com matrizes de microeletrodos para estudar comunicação Neuronal e propagação de sinal Axonal

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