High-aspect-ratio tridimensional electrode arrays for neural applications

Abstract

Neural electrodes are a valuable tool that allows neuroscientists to monitor the neural activity of the brain with great spatial and temporal resolution. Micro and nanotechnology has allowed the development of high-density neural electrode arrays. In the present work, two different materials were used to perform neural arrays, namely silicon and aluminum. The main objective was the ability to reach areas of the brain between 2 mm and 4 mm deep due to its importance in small animal models such as the rat. In such animals, important brain structures such as the hippocampus are situated in this range of depth. Another key objective was the fabrication of probes with high-aspect-ratio in order to minimize tissue displacement and consequent adverse reactions caused by implantation. Four different prototypes each using a specific fabrication approach, were performed and described in detail. Two of these prototypes were performed with aluminum while the other two were performed with silicon. Standard microfabrication processes such as dicing, wet-etching, physical vapor deposition, and non-standard processes such as thermomigration, aluminum anodizing, polymer casting, and sanding were used. The combination of these standard and nonstandard processes allowed a simpler and cheaper fabrication approach when compared with commercially available arrays. The first aluminum prototype was composed by 100 micropillars with a gold electrode at each tip. The aluminum micropillars were encapsulated by aluminum oxide and were 3 mm long with an aspect-ratio of 12:1. The second version was composed by 25 micropillars encapsulated with medical grade epoxy each with a platinum electrode at the tip. Each micropillar was 3 mm long with an aspect-ratio of 19:1. The first silicon prototype was composed by 100 silicon micropillars, each 3 mm long with an aspect-ratio of 5:1. The second version was composed by 36 silicon micropillars encapsulated with medical grade epoxy, each with a platinum electrode at the tip. Each micropillar was 4 mm long with an aspect-ratio of 22:1. A slanted version of the second prototype was also fabricated, allowing progressively increasing penetration depths. Mechanical characterization was performed by implantation in agar gel and porcine cadaver brain while electrical characterization was performed by electrochemical impedance tests as well as cyclic voltammetry. Overall, aluminum showed to be a suitable alternative to silicon in terms of structural material. Also, a dicing based approach proved to be a cost-effective method able to perform high-aspect-ratio neural arrays.

Os elétrodos neuronais são uma ferramenta que proporciona aos neurocientistas a capacidade de monitorizar a atividade neuronal do cérebro com uma grande resolução temporal e espacial. As micro e nanotecnologias proporcionaram o desenvolvimento de matrizes de elétrodos neuronais com alta densidade. No presente trabalho dois materiais foram usados para fabricar matrizes de elétrodos neuronais, nomeadamente o silício e o alumínio. O objetivo principal foi a capacidade de chegar a zonas do cérebro entre os 2 mm e 4 mm de profundidade devido a sua importância em modelos animais de pequeno porte como o rato. Nestes animais, estruturas cerebrais importantes como o hipocampo estão situadas nesta gama de profundidades. Outro objetivo chave foi o fabrico de elétrodos com alta razão de aspeto, de forma a minimizar a compressão de tecido neuronal e consequentes reações adversas causadas pela implantação. Quatro protótipos, cada um utilizando um tipo de fabrico específico foram desenvolvidos e descritos em detalhe. Dois desses protótipos foram fabricados com alumínio, enquanto os outros dois foram feitos em silício. Foram usados processos de microfabrico standard como corte com disco, corrosão química, deposição de filmes finos, e também processos não standard como termomigração, anodização do alumínio, molde de polímeros e lixamento. A combinação de processos standard e não standard permitiram uma abordagem de fabrico mais simples e barata quando comparada com a abordagem utilizada em elétrodos comercialmente disponíveis. O primeiro protótipo de alumínio foi composto por 100 micropilares com um elétrodo de ouro na ponta. Os micropilares de alumínio foram encapsulados com óxido de alumínio e tinham 3 mm de comprimento resultando numa razão de aspeto de 12:1. A segunda versão foi composta por 25 micropilares encapsulados com epóxi biocompatível, cada com um elétrodo de platina na ponta. Cada micropillar tinha 3 mm de comprimento com uma razão de aspeto de 5:1. O primeiro protótipo de silício foi composto por 100 micropilares de silício, cada com 3 mm de comprimento e com razão de aspeto de 5:1. A segunda versão foi composta por 36 micropilares de silício encapsulados com epóxi biocompatível e cada com um elétrodo de platina na ponta. Cada micropillar tinha 4 mm de comprimento resultando numa razão de aspeto de 22:1. Uma versão inclinada do segundo protótipo também foi fabricada, permitindo profundidades de penetração progressivas. A caracterização mecânica foi feita através de implantações em gelatina de agar e em cérebro de porco, enquanto a caracterização elétrica foi feita através de testes de impedância eletroquímica assim como testes de voltametria cíclica. No geral, o alumínio demonstrou ser uma alternativa viável ao silício em termos de material estrutural. A abordagem baseada no corte com disco provou ser um método económico capaz de realizar matrizes de elétrodos neuronais de grande razão de aspeto.