Name: tools for surface treatment of silicon planar intracortical microelectrodes
Uploaded: 2022-06-08T12:50:00
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Este estudo foi apoiado em parte pelo Merit Review Award IRX002611 (Capadona) e pelo Research Career Scientist Award IK6RX003077 (Capadona) do Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento de Assuntos de Veteranos dos Estados Unidos (EUA). Além disso, este trabalho também contou com o apoio, em parte, do Instituto Nacional de Saúde, Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC R01NS110823 (Capadona/Pancrazio) e do Programa nacional de Bolsas de Pós-Graduação em Pesquisa (Krebs).

Todos os arquivos de codificação para impressão 3D são fornecidos em Arquivos de Codificação Suplementar 1-16. A análise fornecida nos resultados representativos é descrita utilizando matrizes de eletrodos planar de silício funcionais adquiridos comercialmente (ver Tabela de Materiais).
1. Montagem de manuseio para deposição em fase de gás em um desiccador a vácuo
NOTA: O aparelho montado para manusear e ...

O protocolo descrito foi projetado para o tratamento superficial de matrizes de microeletrodos planar de silício. As ferramentas impressas em 3D são personalizadas para matrizes de microeletrodos estilo Michigan com conectores de baixo perfil50. As sondas não funcionais foram montadas aderindo uma sonda de silício a guias impressas em 3D usando um adesivo biocompatível. As guias impressas em 3D foram projetadas com dimensões semelhantes aos conectores incorporados nos dispositivos disponíve...

Os dispositivos neuroprostéticos visam restaurar as habilidades sensoriais e motoras prejudicadas ou ausentes em uma ampla gama de populações de pacientes, incluindo aqueles com lesão medular, Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA), paralisia cerebral e amputações 1,2,3. Microeletrodes intracorticais (IMEs) podem estabelecer uma via de comunicação entre neurônios corticais e os dispositivos usados para controlar a neuroprótese. Uma vantagem distinta dos microeletrodos intracorticais é sua capacidade de registrar sinais neurais na alta resolução espacial e temporal, que é preferida para processamento e controle subsequente de sinais de interfaces cérebro-computador 4,5. Infelizmente, o desempenho das microeletragens intracorticais reduz drasticamente em meses para um ano após a implantação 2,6,7,8. A perda de qualidade e estabilidade do sinal afeta negativamente a aplicação da tecnologia.
Um contribuinte significativo para o declínio de desempenho observado é a resposta biótica aos danos teciduais associados à implantação e à neuroinflamação crônica 9,10,11. A implantação de IMEs inflige danos no tecido cerebral, resultando na liberação de moléculas de sinalização que iniciam cascatas de processos reacionários de defesa celular. O interligamento crônico exacerba a resposta do corpo estranho, levando à neuroinflamação sustentada que danifica o tecido proximal ao dispositivo; muitas vezes reconhecidos como sintomas de neuroinflamação, cicatrizes e neurodegeneração local contribuindo para o declínio do registro da qualidade do sinal 12,13,14,15. Compreendendo um denso conglomerado de astrócitos com microglia ativada e macrófagos, a cicatriz que encapsula o eletrodo cria um ambiente local desfavorável com redução do transporte material e acúmulo local de fatores inflamatórios 16,15,16,17,18.
Muitos estudos descreveram a resposta do cérebro a microeletrodos intracorticais ou abordagens para mitigar a resposta7. A pesquisa e o desenvolvimento para melhorar a resposta tecidual envolveram uma série de estratégias, incluindo modificações na estrutura geral, topologia superficial, materiais e aplicação de revestimentos. Esses esforços visam minimizar os danos sofridos a partir do evento de implantação, introduzir uma interface mais favorável entre o dispositivo e as células proximais, ou reduzir a tensão tecidual após o implantedos dispositivos 7. Métodos especificamente voltados para a resposta biológica crônica levaram a vários revestimentos bioativos que visam estabilizar o local de implantação e promover quimicamente a saúde celular. Exemplos incluem polímeros condutores como poli (etileno dioxythiophene) (PEDOT)19,20, nanotubosde carbono 21, hidrogéis22 e a adição de moléculas bioativas e drogas para atingir processos celulares específicos 23,24,25. Nosso grupo de pesquisa, em particular, explorou muitos mecanismos para promover a redução da resposta inflamatória aos microeletrodos implantados, incluindo, mas não se limitando a, minimizar o trauma associado à implantação do dispositivo26, minimizando a incompatibilidade de dispositivo/rigidez tecidual 27,28,29,30,31,32, otimizando a esterilização procedimentos34,35, reduzindo o estresse/dano oxidativo 28,36,37,38,39,40,41,42, explorando materiais eletrodos alternativos43, e imitando a nanoarestares da matriz extracelular natural 44,45,46 . Interesse recente é o desenvolvimento de revestimentos biomiméticos de superfície para mitigar a resposta neuroinflamatória na interface tecidual microeletrodes diretamente39.
A modificação da interface oferece o benefício único de direcionar diretamente a ferida e o tecido proximal necessário para a gravação do sinal. Um tratamento superficial que promova a cura sem exacerbar a resposta imune pode beneficiar a vida útil do registro de qualidade e remover limitações na realização do potencial terapêutico e de pesquisa de microeletros intracorticais. O trabalho apresentado detalha métodos para a aplicação de tratamentos superficiais em matrizes de microeletrodos que requerem tempos de reação prolongados, acomodando a fragilidade dos dispositivos. A técnica apresentada destina-se a compartilhar métodos de modificação de superfície em dispositivos funcionais onde o dispositivo não pode ser manuseado durante toda a aplicação do tratamento. As ferramentas são apresentadas para o manuseio de sondas manequim não funcionais e matrizes de microeletrodos planar de silício funcionais.
A abordagem apresentada para modificar a superfície do eletrodo permite a suspensão segura de sondas manequim não funcionais ou conjuntos funcionais de eletrodos planar de silício para deposição em fase de gás e reação com soluções aquosas. Várias peças impressas em 3D são usadas para lidar com esses dispositivos frágeis (Figura 1 e Figura 2). Um exemplo é fornecido de um procedimento que utiliza etapas de fase de gás e solução para a modificação da superfície com um revestimento antioxidativo envolvendo a imobilização da porfirina Mn(III)tetrakis (ácido 4-benzoico) (MnTBAP). MnTBAP é uma metalloporfirina sintética que possui propriedades antioxidantes com mediação demonstrada de inflamação47,48. O exemplo fornecido em matrizes funcionais de eletrodos planar de silício valida uma atualização para um protocolo previamente relatado para dispositivos não funcionais40. A adaptação de uma técnica de deposição de fase de gás da Munief et al. suporta a compatibilidade do protocolo com eletrodos funcionais49. A deposição da fase gasosa é utilizada para amina funcionalizar a superfície em preparação para a reação aquosa envolvendo a química do crosslinker carbodiimide para imobilizar o MnTBAP ativo. A metodologia de manuseio desenvolvida aqui é fornecida como uma plataforma que pode ser modificada para acomodar outros revestimentos e dispositivos similares.
O protocolo ilustra a abordagem usando sondas manequim não funcionais que compreendem uma haste de silício e uma guia impressa em 3D com dimensões semelhantes às matrizes funcionais de eletrodos planar de silício. A embalagem do conector do dispositivo é considerada análoga à guia impressa 3D da sonda manequim não funcional na instrução fornecida.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig01.jpg"> Figura 1: Peças impressas em 3D para manuseio de dispositivos funcionais durante a deposição em fase de gás em um desiccator a vácuo. (A) A base da estrutura inclui suportes para quadrados de silício de amostra de 1 cm x 1 cm (seta superior) e orifícios para fixação na placa desiccator (seta inferior). (B) A placa é usada para fixar a suspensão dos dispositivos. Daqui em diante, cada peça desta figura será referida como peça 1A ou 1B. Barra de escala = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63500/63500fig02.jpg"> Figura 2: Peças impressas em 3D para manuseio de dispositivos funcionais para a reação superficial que ocorre na solução aquosa. (A) Peça guia a ser colada à tampa da placa de cultura. (B) Peças benchtop usadas para estabilizar peças (C) e (D) durante a montagem. (C) e (D) juntos fixam a suspensão dos dispositivos para colocação na placa do poço, e (E) segura ainda mais as peças (C) e (D) na tampa da placa do poço. A partir de agora, as peças individuais em cada painel desta figura serão referidas como números de peça correspondentes ao número do painel desta figura. Barra de escala = 1 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63500/63500fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1-[3-(Dimethylamino)propyl]-3-ethylcarbodiimide methiodide (EDC)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>165344-1G</td>
			<td>Solid, stored desiccated at -20 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 mL Conical Centrifuge Tubes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-959-70C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18 Pound Solid Nylon Cable/Zip Ties</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-06830-66</td>
			<td>Length 4 inches</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>4432-31-9</td>
			<td>Solid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>440140-100ML</td>
			<td>Liquid, container with Sure/Seal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL Conical Centrifuge Tubes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-959-49A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum foil</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>01-213-103</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum weighing dishes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>08-732-102</td>
			<td>Diameter 66 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bel-Art Vacuum Desiccator</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>08-594-15B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>CLS3527-100EA</td>
			<td>24-well plate, polystyrene</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cyanoacrylate Adhesive</td>
			<td>LocTite</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Microscope</td>
			<td>Keyence</td>
			<td>VHX-S750E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disco DAD3350 Dicing Saw</td>
			<td>Disco</td>
			<td>DAD3350</td>
			<td>Used to cut silicon wafer into 1 cm x 1 cm samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-Sided Polyimide Tape</td>
			<td>Kapton Tape</td>
			<td>PPTDE-1/4</td>
			<td>&#188;&#8221; x 36 yds.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EP21LVMed &#8211; low viscosity, two component epoxy compound</td>
			<td>Masterbond</td>
			<td>EP21LVMed</td>
			<td>Meets USP Class VI certification, Passes ISO 10993-5 for cytotoxicity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epilog Fusion Pro 48 Laser Machine</td>
			<td>Epilog</td>
			<td>N/A</td>
			<td>CO2 laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Foam tape</td>
			<td>XFasten</td>
			<td>N/A</td>
			<td>1/8&#34; Thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gamry Interface 1010E Potentiostat</td>
			<td>Gamry</td>
			<td>992-00129</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High precision 45&#176; curved tapered very fine point tweezers/forceps</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>12-000-131</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lab tape</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>15-901-10L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP)</td>
			<td>EMD Millipore</td>
			<td>475870-25MG</td>
			<td>Solid, stored at -20 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Hydroxysulfosuccinimide sodium salt, &#8805;98% (HPLC)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>56485-250MG</td>
			<td>Solid, stored desiccated at 4&#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platinum clad niobium mesh anode</td>
			<td>Technic</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Clad with 125&#956;&#8221; of platinum on one side, framed in titanium with (1) 1&#8221; x 6&#8221; titanium strap centered on one 6&#8221; dimension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon Planar Microelectrode Array, 16 Channel</td>
			<td>NeuroNexus</td>
			<td>A1x16-3mm-100-177-CM16LP</td>
			<td>Electrode site material is iridium, shank thickness is 15 &#956;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon Wafer</td>
			<td>University Wafer</td>
			<td>1575</td>
			<td>Diameter 100 mm, p-type, boron-doped, 100 oriented, resistivity 0.01-0.02 Ohm-cm, thickness 525 um, single side polished, prime grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver/silver Chloride reference electrode</td>
			<td>Gamry Instruments</td>
			<td>930-00015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks</td>
			<td></td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Phillips Flat Head Screws</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>96877A629</td>
			<td>#8-32, 1 1/2&#34;, fully threaded</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Type I deionized water</td>
			<td>ChemWorld</td>
			<td>CW-DI1-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker 3 3D printer</td>
			<td>Ultimaker</td>
			<td>&#160;N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker Cura</td>
			<td>Ultimaker</td>
			<td>N/A</td>
			<td>3D printing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker NFC ABS Filament</td>
			<td>Dynamism, Inc.</td>
			<td>1621</td>
			<td>2.85 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker NFC PLA Filament</td>
			<td>Dynamism, Inc.</td>
			<td>1609</td>
			<td>2.85 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum Gauge Vacuum Gauge</td>
			<td>Measureman Direct</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Glycerin Filled, 2-1/2&#8221; Dial Size, &#188;&#8221;NPT, -30&#8221; Hg/-100kpa-0</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wing nuts</td>
			<td>Everbilt</td>
			<td>934917</td>
			<td>#8-32, zinc plated</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tools for surface treatment of silicon planar intracortical microelectrodes

Microeletrões intracorticais possuem grande potencial terapêutico. Mas eles são desafiados com redução significativa de desempenho após modestas durações de implantação. Um contribuinte substancial para o declínio observado é o dano ao tecido neural proximal ao implante e resposta neuroinflamatória subsequente. Os esforços para melhorar a longevidade do dispositivo incluem modificações químicas ou aplicações de revestimento na superfície do dispositivo para melhorar a resposta do tecido. O desenvolvimento desses tratamentos superficiais é tipicamente concluído usando sondas "manequim" não funcionais que não possuem os componentes elétricos necessários para a aplicação pretendida. A tradução para dispositivos funcionais requer consideração adicional dada a fragilidade dos arrays de microeletrodos intracorticais. Ferramentas de manuseio facilitam muito os tratamentos superficiais para dispositivos montados, particularmente para modificações que requerem longos tempos processuais. As ferramentas de manuseio descritas aqui são utilizadas para tratamentos superficiais aplicados via deposição em fase de gás e exposição aquosa de soluções. A caracterização do revestimento é realizada utilizando elipsometry e espectroscopia de fotoeletrões de raios-X. Uma comparação das gravações de espectroscopia de impedância elétrica antes e depois do procedimento de revestimento em dispositivos funcionais confirmou a integridade do dispositivo após a modificação. As ferramentas descritas podem ser prontamente adaptadas para dispositivos eletrodos alternativos e métodos de tratamento que mantenham a compatibilidade química.

Para demonstrar o uso dos componentes de manuseio, foi implementada a metodologia descrita para adaptar a imobilização de um mediador oxidante ao silício ativado. A aplicação desta química aos IMEs para reduzir o estresse oxidativo foi concebida por Potter-Baker et al. e demonstrada em sondas manequim de silício não funcionais40. Este tratamento superficial imobiliza o antioxidante, MnTBAP, para a superfície de silício ativada UV/ozônio através da funcionalidade de amina segui...

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Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

O presente protocolo descreve ferramentas para o manuseio de microeletroletos intracorticais planar de silício durante os tratamentos para modificação superficial via deposição de gás e reações de soluções aquosas. A montagem dos componentes utilizados para manusear os dispositivos durante todo o procedimento é explicada detalhadamente.

Ferramentas para tratamento superficial de microeletroletos intracorticais planar de silício

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation ...

Este protocolo fornece ferramentas de manuseio para a modificação superficial de dispositivos microeletroditos intracorticais por deposição em fase de gás e reação aquosa de solução. Esses métodos de manuseio mantêm a integridade do dispositivo durante tempos de reação prolongados. Os métodos de manuseio de dispositivos microeletrodos intracorticais muitas vezes não são divulgados.Essa técnica pode beneficiar os esforços de pesquisa para melhorar o desempenho desses dispositivos, desenvolvendo tratamentos e revestimentos superficiais. Para começar, adquira dispositivos microeletrográficos intracorticais ou sondas não funcionais para tratamento de superfície. Para facilitar o teste de material, adquira amostras quadradas de um centímetro do material do substrato para tratamento ao lado dos dispositivos.Imprimir 3D ou adquirir peças 1A e 1B. Conecte uma fita de poliimida de dois lados à peça 1A. Além disso, conecte uma tira de espuma de 3,17 milímetros de espessura com adesivo unilateral à peça 1B.Em seguida, adere a embalagem do conector do dispositivo à fita na peça 1A. Junte as peças 1A e 1B alinhando os orifícios e protegendo usando parafusos de aço inoxidável e porcas de asa. Fixe o conjunto na bandeja de dessecador de vácuo usando laços zip, utilizando os orifícios na parte inferior da peça 1A.Coloque amostras de material quadrado nas fendas na parte inferior da moldura. Coloque a solução em um recipiente apropriado no desiccate de vácuo em frente e em linha com o conjunto protegido. Coloque um medidor de vácuo no desiccator para registrar a pressão exata.Em seguida, posicione a porta da tampa dessecada perto do conjunto protegido e em linha com a solução e complete a deposição em fase de gás. Primeiro, corte os orifícios retangulares das dimensões 19 por 10,5 milímetros na tampa da placa do poço para suspender o conjunto de eletrodos do dispositivo na solução. Imprimir 3D ou adquirir os guias.Alinhe os orifícios retangulares nas guias até os orifícios da tampa, garantindo que o orifício na guia seja desobstruído. Fixar as guias na tampa usando adesivo de cianoacrilato. Em seguida, preencha a solução desejada nos poços onde o tratamento ocorrerá.Para confirmar o tratamento superficial, submergir as amostras quadradas de substrato na solução de reação em um poço da placa. Para montar o dispositivo da sonda, fita 2B em uma parte superior do banco. Coloque uma fita de poliimida de dois lados para cobrir a base da peça 2C.Além disso, coloque uma fita de espuma de 3,17 milímetros com adesivo de um lado para cobrir a base da peça 2D. Em seguida, encaixe a peça 2C no sulco da peça 2B. Adere à embalagem do conector do dispositivo na fita, orientada para que o comprimento da haste do dispositivo seja suspenso.Fixar o dispositivo deslizando a peça 2D na peça 2C. Segure as bordas do conjunto e levante cuidadosamente para remover da peça 2B. Alinhe os semi-círculos voltados para fora nas peças 2C e 2D com as guias correspondentes na peça 2A para encaixar o conjunto na tampa da placa do poço.Fixar a colocação do conjunto pela peça de encaixe de prensa 2E sobre os guias. Depois de suspender os dispositivos na placa do poço, transfira o conjunto para um agitador e execute em velocidades abaixo de 100 rotações por minuto. Para reações que requerem múltiplas soluções ou passos de lavagem, transfira cuidadosamente a tampa para uma nova placa de poço contendo a solução desejada no poço apropriado.Após esta etapa, fita 2B para um banco superior. Para remover os dispositivos da placa do poço, remova a peça 2E da tampa. Em seguida, remova cuidadosamente o conjunto segurando o dispositivo.Oriente a montagem de tal forma que a peça 2C enfrenta a parte superior do banco e a peça 2D virada para cima. Alinhe a haste do dispositivo paralelamente à parte superior do banco. Coloque a peça 2C da montagem na peça 2B.Aplique uma leve pressão nas abas da peça 2C no banco para separar a peça 2D da peça 2C. Usando fórceps, remova a embalagem do conector do dispositivo da fita e transfira o dispositivo para um recipiente de armazenamento. O tratamento superficial de matrizes de microeletrodos estilo Michigan em amostras quadradas de silício foi demonstrado usando este protocolo.O método de deposição em fase de gás foi aplicado para a funcionalidade de amina utilizando APTES. Na sequência, a química de ligação cruzada de carbodiimídeo foi usada para imobilizar o TBAP do manganês. Após a deposição, as medidas de elipstição das amostras de silício produziram uma espessura média da camada APTES de 8,5 angstroms, em comparação com a espessura teórica da monocamadas de 7 angstroms.A análise de espectroscopia foto-elétron de raios-X mostrou um aumento nas concentrações atômicas percentuais de nitrogênio e carbono após o tratamento APTES da fase gasosa, indicando depósito químico. Da mesma forma, o manganês foi detectado após a imobilização da fase de solução. Além disso, o enredo bode para análise de espectroscopia de impedância elétrica das matrizes de microeletrodes não mostrou diferença estatística entre as magnitudes de impedância antes e depois do processo de revestimento.Assim, foi realizado o revestimento bem sucedido da matriz de eletrodos utilizando-se os processos de revestimento. Este protocolo facilita a modificação superficial de microeletros intracorticais minimizando o risco de danos ao dispositivo. Outros na área podem adaptar a metodologia aos seus dispositivos e procedimentos químicos.

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