Виды электродов маркировка и область применения: Выбор электродов для сварки: диаметр и тип

ЭСТ выполняется с использованием внутриопухолевой или внутривенной инъекции цитотоксических лекарств с последующим приложением электрических импульсов, локально доставляемых к опухоли-мишени через подходящие наборы электродов.Когда к клеткам прикладываются внешние электрические заряды, заряды на клеточной мембране начинают двигаться. Это вызывает постепенное увеличение трансмембранного напряжения (так называемого индуцированного трансмембранного напряжения, которое добавляется к нормальному трансмембранному напряжению покоя клетки или мембранному потенциалу покоя). Адекватное и сильное электрическое поле создается через клеточную мембрану, где трансмембранное напряжение выходит за пределы определенного напряжения. Это приводит к созданию прохода (поры) для воды, заряженных и более крупных молекул, которые проходят через клеточную мембрану.Они возникают быстро и исчезают в течение от нескольких секунд до нескольких минут после воздействия электрического поля. Хотя эти поры слишком малы и недолговечны, чтобы их можно было наблюдать с помощью обычной или электронной микроскопии, косвенные доказательства их существования прибывают из моделирования липидных бислоев с использованием моделирования молекулярной динамики. Механизм повторного закрытия или восстановления мембраны требует активных клеточных механизмов и, следовательно, энергии. Итак, возможным объяснением относительно длительной проницаемости клеточных мембран является химическое изменение липидов мембран [7, 26].

Исследования показали, что основное внимание в химиотерапевтических средствах уделяется активно делящимся раковым клеткам и меньше — неделящейся популяции нормальных клеток в окружающей ткани. Когда ткань опухоли подвергается воздействию электрических импульсов, кровоток в опухоли снижается до 80% и возвращается в нормальное состояние в течение 24 часов. Таким образом, введенное лекарство может оставаться в ткани опухоли в течение нескольких часов, что дает ему больше времени для действия [2, 4].

Хотя эффективность ЭСТ как в онкологии человека, так и в ветеринарии была хорошо продемонстрирована, различия между протоколами лечения, отсутствие определенных операционных процедур и использование различных генераторов импульсов на какое-то время предотвратили широкое распространение ЭСТ в клинических условиях [5, 26].Возникла острая необходимость в чрезвычайно точных процедурах для системной или местной доставки цитотоксических лекарств с последующим применением электрических импульсов, а также для каждого конкретного клинического состояния [2].

Первая версия стандартной операционной процедуры (СОП) была разработана и утверждена Европейскими стандартными операционными процедурами для ЭСТ (ESOPE) в 2006 году. В этом справочнике описаны рекомендации по указанию ЭСТ, информация о предварительной обработке, варианты лечения и последующие: ИБП для безопасного и удобного лечения пациентов с кожными и подкожными узелками.Дерево решений СОП призвано помочь клиническому персоналу принять решение о том, как лечить пациента, в зависимости от размера, количества и толщины / глубины узлов, подлежащих лечению. Оценка и подтверждение ответа на лечение на основе ESOPE показали частоту объективного ответа 85% и частоту полного ответа на ЭСТ 74%, независимо от гистологии опухоли, используемого препарата и пути введения препарата. Недавно панъевропейская группа экспертов по дерматологии, общей хирургии, хирургии головы и шеи, пластической хирургии и онкологии опубликовала новую версию СОП для ЭСТ кожных опухолей и кожных метастазов.Процедура ЭСТ может быть выполнена за 30 минут как под местной, так и под общей анестезией, решение по выбору лечащего хирурга, но небольшие узелки меньшего размера рекомендуется лечить под местной анестезией, а другие под общей анестезией [26–29].

2.2. Приборы

ЭСТ выполняется с помощью генератора электрических импульсов и различных типов электродов. Эти инструменты подробно описаны ниже.

2.3. Генератор электрических импульсов

ЭП клеток преимущественно индуцируется импульсными электрическими полями через последовательность прямоугольных электрических импульсов достаточной амплитуды, создающих локальное электрическое поле (сотни В / см) [3], и прикладывается к опухолевым клеткам с с помощью электродов, чтобы произошло явление ЭП [27].

Адекватные амплитуды импульсов изначально были и слишком часто все еще определяются эмпирическим путем. В клинических условиях используются монополярные электрические импульсы постоянного тока, а также короткие и интенсивные электрические импульсы квадратной формы. Чтобы предсказать распределение электрического поля в биологических тканях, численное моделирование в настоящее время является единственным эффективным способом, поскольку они характеризуются по своей сути нелинейными, неоднородными и, в некоторых случаях, анизотропными диэлектрическими свойствами. На основе первоначальных лабораторных, доклинических и клинических исследований по лечению доступных на коже опухолевых узлов 8 импульсов длительностью 100 µ с с частотой повторения 1 Гц или 5000 Гц.Применяемые напряжения зависят в основном от типа электрода, количества электродов и геометрии электродов, например расстояния между электродами, и автоматически устанавливаются генератором импульсов. Для лечения опухолевых узлов, доступных с помощью фиброскопии, эндоскопии, лапароскопии или открытой хирургии, СОП и оборудование все еще находятся в стадии разработки [7, 27, 30, 31].

2.4. Типы электродов

Доступны различные наборы электродов для различных узелков с разной глубиной, размером и формой, как пластинчатые, так и игольчатые электроды.Различные конфигурации электродов используются для обеспечения достаточного покрытия электрическим полем всего объема опухоли. На рисунке 4 показаны различные типы электродов [11].

Frontiers | Мультиэлектродные матрицы на основе углеродных нанотрубок для взаимодействия нейронов: прогресс и перспективы

Введение

Обширные исследования за последние 50 лет выявили большой потенциал имплантированных электродов для регистрации и стимуляции нейрональных сигналов.Такие устройства в настоящее время используются для лечения широкого спектра состояний, таких как глухота, болезнь Паркинсона и хроническая боль, и это лишь некоторые из них (Schwartz, 2004; Clark, 2006; Wichmann and DeLong, 2006; McCreery, 2008; Plough и др., 2012). Недавние исследования также предложили использовать нейростимуляцию при растущем числе дополнительных инвалидизирующих состояний, таких как шизофрения и болезнь Альцгеймера (George et al., 2007; Laxton et al., 2010). Поскольку устройства для записи и стимуляции с высоким разрешением очень привлекательны для приложений нейронной записи и стимуляции, концепция многоэлектродной матрицы (MEA) привлекла повышенное внимание в этой области.Устройство MEA состоит из массива электропроводящих микроэлектродов (обычно диаметром 20–200 мкм), подключенных к внешней схеме, чтобы обеспечить регистрацию или стимуляцию электрической активности нейронов. Активные усилия действительно продемонстрировали потенциал MEA как эффективного инструмента в различных неврологических приложениях. В частности, микротехнологии изготовления использовались для формирования металлических электродов тонкой формы [например, из золота, платины и нитрида титана (TiN)]. Реализация таких электродов легко достигается с помощью набора инструментов, заимствованного из области микромеханических систем (MEMS).Этот набор инструментов включает процессы изготовления, а также материалы с улучшенными характеристиками.

Целью настоящего обзора является исследование в рамках микроизготовленных нейроэлектродов использование углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве нового материала с уникальными свойствами для нейроприложений. С этой целью будут рассмотрены свойства УНТ, а также их обработка и изготовление устройств. Будет кратко представлена ​​общая область микроизготовленных нейроэлектродов, которая выходит за рамки этого обзора.Мы отсылаем читателей к HajjHassan et al. (2008), о биосовместимости УНТ с Warheit et al. (2004), Bottini et al. (2006), Карреро-Санчес и др. (2006) и Фирме и Бандару (2010), а об использовании УНТ в биологии Бекьярова и др. (2005), Тараканов и др. (2010) и Bottini et al. (2011).

Мы начнем с обзора основных химических, физических и электрических свойств УНТ (Thostenson et al., 2001; Harris, 2009; Lan et al., 2011). Затем мы исследуем исследования, в которых изучается интерфейс нейрон-УНТ. Далее обсуждается использование CNT для формирования паттерна нейронов, после чего следует обзор электрических интерфейсов между CNT и нейронами и изучение MEA CNT для нейронных приложений. Наконец, мы обсуждаем прогресс в создании гибкой, биосовместимой технологии CNT.

За рамками обычного микропроизводства

Несмотря на быстрое развитие в последнее время, современные MEAs для нейронных приложений по-прежнему характеризуются относительно низким отношением сигнал / шум (SNR), низким пространственным разрешением (что приводит к плохой специфичности сайта) и ограниченной биосовместимостью.Очевидно, что необходимы дальнейшие разработки, чтобы улучшить электроды, подходящие для бесшовной интеграции электронных устройств и нейронных систем. Ограниченные характеристики этих систем MEA проистекают прежде всего из сложного интерфейса между биологическими системами и искусственными электронными системами. При проектировании интерфейса между живой тканью и электронным устройством необходимо учитывать существенные структурные и химические различия между этими двумя системами: живые ткани мягкие, а электронные устройства обычно жесткие.Ткань проводит заряды посредством ионного транспорта, тогда как электронные устройства проводят электроны и дырки. Следовательно, нейронные электроды должны учитывать различия в механических свойствах, биологической активности и механизмах переноса заряда. Правильный интерфейс электрод-нейрон имеет решающее значение для обеспечения жизнеспособности клеток и эффективности электрического интерфейса.

Основным ограничивающим признаком многих современных МЭБ являются большие размеры электродов. Меньшие электроды позволят улучшить пространственное разрешение и специфическую регистрацию клеток или стимуляцию.Кроме того, уменьшение размера электродов (и, следовательно, размеров всего устройства) связано с уменьшением повреждения тканей и иммунного ответа (Szarowski et al., 2003; Biran et al., 2005; Polikov et al., 2005; McConnell et al. ., 2009). При этом изготовление малых электродов технологично; Уменьшение размера электродов, необходимое для улучшения как стимуляции, так и записи, является сложной задачей. Маленькие электроды не могут обеспечить достаточную инжекцию заряда из-за их высокого сопротивления интерфейса.Низкая обратимая емкость накопления заряда (CSC) означает, что электрод не может подавать достаточный ток в ткань при достаточно небольшом перенапряжении, чтобы избежать необратимых электрохимических реакций (например, электролиза) и последующего повреждения электрода и ткани (Cogan, 2008). Таким образом, чтобы уменьшить размер электрода без ущерба для способности электрода передавать заряд, требуются электроды с высокой удельной площадью. Высокий импеданс также способствует увеличению общего уровня шума в записанных сигналах, что снижает чувствительность записи.Дополнительную озабоченность вызывает полярность электрода. Для лучшей биосовместимости желательны полярные электроды (Merrill et al., 2005). Эти вопросы обсуждаются далее в тексте.

Тесное соединение нервных клеток с электродами также важно, в противном случае эффективность как регистрации, так и стимуляции будет скомпрометирована. Запись затрудняется фоновым шумом соседних нейронов. Кроме того, проводимость раствора влияет как на запись, так и на стимуляцию (Grattarola and Martinoia, 1993).Наиболее распространенным способом стимулирования нейральной адгезии является использование белков клеточной адгезии (Sorribas et al., 2001; Heller et al., 2005). Синтетические положительно заряженные полимеры, такие как полилизин (Crompton et al., 2007) и поли (этиленимин) (PEI) (Ruardij et al., 2000), обычно используются для стимулирования прикрепления нервных клеток (He and Bellamkonda, 2005; Khan and Newaz , 2010). Термочувствительный поли (N-изопропилакриламид) (PNIPAm) был использован для улучшения связывания между имплантатом сетчатки и сетчаткой (Tunc et al., 2007). Проводящие полимеры (CP), такие как поли (этилендиокситиофен) (PEDOT) и полипиррол (PPy), использовались в качестве подложки для роста нервных клеток и покрытия электродов и представляют особый интерес из-за их комбинированной электронной и ионной проводимости (George et al., 2005). ; Абидиан, Мартин, 2008; Асплунд и др., 2009; Абидиан и др., 2010). Основным недостатком КП является их низкая стабильность при продолжительном воздействии и воздействии ультрафиолетового (УФ) излучения или тепла. Приложенное напряжение возникает в результате введения или удаления противоионов, поэтому CP претерпевают набухание, сжатие или разрушение, что постепенно ухудшает их проводимость (Yamato et al., 1995; Marciniak et al., 2004). Кроме того, синтетические и CP часто производятся с использованием сложных или токсичных схем полимеризации, которые плохо подходят для приложений взаимодействия с клетками. Эти остатки часто нелегко удалить (Wan, 2008).

Шероховатость поверхности и углеродные нанотрубки в нейрональном интерфейсе

Недавние исследования показали, что топография поверхности является важным параметром, влияющим на закрепление и разветвление нейронов (Seidlits et al., 2008; Hoffman-Kim et al., 2010; Roach et al., 2010). Фактически, клетки предпочтительно прилипают к шероховатым поверхностям при воздействии того же химического вещества (Fan et al., 2002). Поэтому были исследованы новые электродные материалы для создания электродов с улучшенными электрическими свойствами, сродством к нейронным клеткам и биосовместимостью, используя морфологические свойства электродов, а не их химические.

Идеальным материалом для удовлетворения этих требований являются УНТ. УНТ хорошо подходят для нейронных электрических интерфейсов благодаря их большой площади поверхности, превосходным электрическим и механическим свойствам, а также их способности поддерживать отличную адгезию нейрональных клеток (Malarkey and Parpura, 2007; Ben-Jacob and Hanein, 2008; Voge and Стегеманн, 2011).Недавние исследования действительно подтвердили большой потенциал поверхностей УНТ в качестве биологически совместимого субстрата, на котором нейроны могут легко прилипать. Это сродство было связано со свойствами поверхности, включая шероховатость, полярность, заряд и химию (Hu et al., 2004; Gabay et al., 2005a, b; Malarkey et al., 2009; Sorkin et al., 2009). Большая площадь поверхности УНТ может привести к значительному увеличению способности инжекции заряда и снижению межфазного импеданса (Gabay et al., 2007; Keefer et al., 2008).

Исследования до сих пор были сосредоточены на нескольких основных темах: влияние химически модифицированных УНТ на жизнеспособность нейрональных клеток, рост отростков и ветвление (Mattson et al., 2000; Hu et al., 2004; Matsumoto et al., 2007), электрическое взаимодействие с нейронами (Gheith et al., 2006; Wang et al., 2006; Gabay et al., 2007; Shein et al., 2009) и разработка нервных имплантатов (Webster et al., 2004; Nunes et al., 2012). CNT в настоящее время широко исследуются в качестве связующего материала для нейронных приложений (Malarkey and Parpura, 2007; Ben-Jacob and Hanein, 2008; Pancrazio, 2008; Lee and Parpura, 2009; Voge and Stegemann, 2011). Как подчеркивалось выше, и химия поверхности, и топография поверхности являются критически важными параметрами, определяющими формирование эффективных электродов.Для решения этих проблем было разработано множество схем с использованием покрытий УНТ (чистых и химически модифицированных), предлагающих захватывающие возможности, которые будут более подробно рассмотрены ниже.

Углеродные нанотрубки

Начнем наш обзор с краткого обзора физических свойств УНТ. УНТ представляют собой полые цилиндры, сформированные в форме прокатанного листа графита. Однослойные УНТ (ОСУНТ) являются простейшими из этих объектов с диаметром от 0,4 до 2,5 нм и длиной до нескольких миллиметров.Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNTs) состоят из набора коаксиально организованных SWCNTs и имеют диаметр 2–100 нм, а их длина может варьироваться от одного до нескольких сотен микрометров (Harris, 2009). Расположение атомов углерода в листе графена может быть разной хиральности: кресло, хиральное или зигзагообразное. Хиральность, а также диаметр трубки и количество графеновых стенок определяют проводимость УНТ. Как правило, ОУНТ могут быть металлическими или полупроводниковыми с МУНТ с металлическими свойствами (Charlier et al., 2007). УНТ также механически стабильны, обладают очень высокой прочностью на разрыв и химической инертностью (Ciraci et al., 2004; Hayashi et al., 2007). УНТ обычно синтезируются из катализатора различными методами, включая химическое осаждение из паровой фазы (CVD), электрический дуговый разряд и лазерную абляцию (Thostenson et al., 2001; Seah et al., 2011). Их физические свойства делают УНТ прочным наноматериалом для биологических применений, особенно там, где требуется долговечный материал (например, каркасы для поддержки роста клеток).Хотя поверхность УНТ принципиально инертна, она может быть легко функционализирована различными полимерами или биоактивными молекулами, такими как пептиды и белки, для улучшения их биосовместимости и биоактивности (Bekyarova et al., 2005; Yang et al., 2007; Lu et al. ., 2009; Bottini et al., 2011).

Углеродные нанотрубки и нейроны

Первые исследования использования УНТ в приложениях нейроинтерфейса были сосредоточены на характеристике адгезии и пролиферации нейронов на поверхностях, покрытых УНТ.Маттсон и его сотрудники были первыми, кто обсудил использование УНТ в качестве субстрата для роста нейронов (Mattson et al., 2000). Исследователи вырастили эмбриональные нейроны гиппокампа крысы на покровных стеклах, покрытых PEI и MWCNT. Они обнаружили, что первичные субстраты MWCNT допускают прикрепление нейронов, но не поддерживают такое сложное ветвление нейритов, как у клеток, культивируемых на покровных стеклах, покрытых PEI. Однако, когда MWCNT были нековалентно функционализированы (посредством физиосорбции) с помощью 4-гидроксиноненала (4-HNE), молекулы, которая способствует разрастанию нейритов, наблюдалось значительное увеличение количества нейритов на клетку и общей длины нейритов.Это исследование продемонстрировало, что MWCNT могут служить в качестве пермиссивного субстрата для адгезии и роста нейронных клеток и что модификация MWCNT с помощью биологически релевантной молекулы может использоваться для модуляции роста нейронов и роста нейритов (Mattson et al., 2000).

За новаторской работой Мэттсона и его сотрудников последовала серия исследований, направленных на дальнейшее разъяснение наблюдаемых эффектов. Hu et al. изучал действие заряда. Более длинные нейриты и более развитое ветвление наблюдались на положительно заряженных субстратах УНТ (Hu et al., 2004). Заряд субстрата MWCNT был модифицирован функционализацией карбоксильными группами, поли-м-аминобензолсульфоновой кислотой (PABS) или этилендиамином (EN) для создания отрицательно, цвиттерионных или положительно заряженных нанотрубок соответственно. Количество нейритов подсчитывали в зависимости от природы нанотрубок и их функционализации. Се и соавторы определили, что маты из MWCNT, функционализированные карбоксильными группами, являются разрешающим субстратом для роста нейронов ганглия задних корешков крысы (DRG), что подтверждено с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).Исследователи также предположили, что функциональные группы действуют как якорные семена, усиливая нервные клетки и адгезию нейритов (Xie et al., 2006).

Ковалентные модификации УНТ нейротрофинами, факторами роста белков, которые способствуют выживанию и дифференцировке нейронов, были изучены Matsumoto et al. (2007). MWCNT были функционализированы с помощью фактора роста нервов (NGF) и нейротрофического фактора мозга (BDNF). Рост нейритов DRG эмбриона цыплят на модифицированных MWCNT был подобен таковому, наблюдаемому с растворимыми NGF и BDNF в среде для культивирования, что указывает на то, что ковалентно присоединенные факторы все еще были биоактивными.Также было показано, что нетронутые MWCNT поддерживают рост нейронов (Gabay et al., 2005a, b; Galvan-Garcia et al., 2007). Этот эффект хорошо проиллюстрирован на рисунке 1, который показывает сильное сродство между диссоциированными нейронами саранчи и островками первичных CNT после нескольких дней инкубации. Гальван-Гарсия с соавторами сообщили, что MWCNT в форме листов или нитей поддерживают долгосрочный рост различных типов клеток, от фибробластов кожи и клеток Шванна до постнатальных кортикальных нейронов и нейронов мозжечка.При высокой степени очистки эти листы УНТ позволяли нейронам расширять отростки такого же количества и длины, что и те, которые выросли на плоских полиорнитиновых субстратах (разрешающая поддержка). Таким образом, эти результаты предполагают, что на взаимодействие между нейронами и УНТ может влиять чистота УНТ, а также трехмерная организация субстрата УНТ.

Рис. 1. СЭМ-изображение фиксированных нейронных клеток лобных ганглиев саранчи, культивируемых на островках из углеродных нанотрубок. Островки углеродных нанотрубок были выращены методом химического осаждения из газовой фазы непосредственно на кварцевой подложке. Для получения дополнительных сведений см. Sorkin et al. (2009). Ширина поля зрения 77 мкм.

Хотя первоначальные исследования были сосредоточены на MWCNT, SWCNT также изучались как нейрональные субстраты. Hu и его сотрудники синтезировали привитой сополимер SWCNT, функционализированный PEI (SWCNT-PEI) (Hu et al., 2005). Ковалентную функционализацию использовали для превращения ОУНТ в растворимые в водной среде.Затем нейроны гиппокампа крысы культивировали на покровных стеклах, покрытых SWCNT-PEI, и результаты сравнивали с результатами для исходных субстратов MWCNT или PEI. Флуоресцентная микроскопия использовалась для исследования жизнеспособности нейронов, на что указывало их способность накапливать жизненно важный краситель, кальцеин. Было обнаружено, что функционализация SWCNT ослабляет эффект положительного заряда PEI, что приводит к разрастанию и разветвлению нейритов с промежуточной степенью по сравнению с таковыми у свежеприготовленных пленок CNT или только PEI. Эти результаты согласуются с первоначальными выводами Маттсона и его коллег с использованием фиксированных клеток.Было обнаружено, что модифицированные MWCNT уступают PEI в качестве субстрата для культивирования (Hu et al., 2005). Гейт и его коллеги продемонстрировали, что автономные пленки из SWCNT-полимера, полученные методом послойного (LBL), совместимы с культивированием нейронных клеток. Пленки были приготовлены путем наслоения ОСУНТ отрицательно заряженным полимером полиакриловой кислоты. ОУНТ были покрыты амфифильным поли ( N -ацетил-4-винилпиридинийбромид- — — N -этил-4-винилпиридинийбромид- — -4-винилпиридин).Наличие положительно заряженных групп на поверхности этого полимера способствует адгезии клеток. Культуры клеток нейрональной модельной клеточной линии NG108 эффективно росли и пролиферировали на этих субстратах. Более того, количество нейритов, сплетенных из отдельных клеток, превышало количество нейритов, образовавшихся на традиционных субстратах для роста клеток (Gheith et al., 2005). Однако не вся функционализация CNT приводит к созданию субстратов, которые усиливают рост нервных клеток. Liopo с соавторами показали, что SWCNT, функционализированные 4-третбутилфенилом или 4-бензойной кислотой, менее способствуют прикреплению и росту клеток NG108, чем первичные нанотрубки (Liopo et al., 2006).

Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой форму углеродного материала, тесно связанного с МУНТ, и также были протестированы в качестве нейронального субстрата. УНВ состоят из многослойных графеновых структур, уложенных друг на друга, как стопка рожков мороженого (Родригес, 1993). Нуген-Ву и его сотрудники непосредственно выращивали лесоподобные вертикально ориентированные CNF (VACNF) на подложке с катализатором с литографическим рисунком. После того, как пленка CNF была погружена в жидкость и высушена, CNF необратимо слиплись, образуя микрожгулы.Равномерная свободностоящая пленка была получена после покрытия CNF тонким слоем CP PPy электрохимическим осаждением. Клеточная линия PC12 росла в виде монослоев на пленках CNF только после дальнейшего покрытия пленкой коллагена. В противном случае клетки, по-видимому, плавают на поверхности CNF (Nguyen-Vu et al., 2006). В последующем исследовании нейрональный маркер NGF был введен на поверхность VACNF, чтобы способствовать образованию хорошо дифференцированных клеток со зрелыми нейритами. Было обнаружено, что автономные VACNF, покрытые PPy и NGF, изгибаются по направлению к телу клетки и прикрепляются к нему.Поэтому было высказано предположение, что мягкое покрытие PPy способствует лучшему механическому контакту с клетками за счет уменьшения местного механического напряжения (Nguyen-Vu et al., 2007).

CNT Проводимость

Поскольку УНТ могут быть проводящими и полупроводящими, их электрические свойства также были изучены. Маларки и его сотрудники варьировали проводимость покрытий привитого сополимера ОСУНТ-полиэтиленгликоль (ПЭГ), изменяя толщину пленки, сохраняя при этом постоянную шероховатость поверхности (Malarkey et al., 2009). Затем засевали нейроны гиппокампа крысы. Было показано, что более тонкие, менее проводящие пленки ОСУНТ приводят к более длинным отросткам нейритов, тогда как более толстые и более проводящие пленки дают более крупные тела клеток. Гладкие, положительно заряженные субстраты PEI приводили к большему количеству конусов роста на тело клетки. Это исследование продемонстрировало, что различия в проводимости, шероховатости и поверхностном заряде могут модулировать рост и морфологию нервных клеток.

Шероховатость поверхности углеродных нанотрубок

В целом, на происхождение взаимодействия нейрон-УНТ сильно влияет шероховатость поверхности.Было высказано предположение, что шероховатость CNT вносит вклад в закрепление нервных клеток (Zhang et al., 2005; Xie et al., 2006; Sorkin et al., 2009). Zhang et al. (2005) изготовили узорчатые вертикальные поверхности MWCNT. Затем УНТ функционализировали поли-L-лизином (PLL). Культуры клеток нейрональной клеточной линии h29-7 преимущественно прикреплялись к паттернам MWCNT. Было обнаружено, что конусы роста нейронов контактируют с поверхностью нанотрубок, и эти сильные взаимодействия позволяют нейронам распространяться по образцам и формировать взаимодействия друг с другом.Было установлено, что управляемый рост нейритов преимущественно формировался на длинных вертикальных МУНТ по сравнению с короткими. Авторы объясняют такое поведение возможной повышенной адсорбцией молекул ФАПЧ на длинных нанотрубках. Дополнительный механизм может заключаться в том, что длинные нанотрубки становятся гибкими и деформируются для размещения пролиферирующих нейритов.

Соркин с соавторами охарактеризовали расположение нейронов и глиальных клеток на поверхности УНТ (см. Рис. 2). Были изготовлены трехмерные, небольшие, изолированные и чистые островки УНТ, на которые были нанесены клетки.Были использованы две биологические модельные системы: нейроны коры крыс и ганглиозные клетки саранчи. Было обнаружено, что нейроны связаны и преимущественно прикреплены к шероховатым поверхностям. Для обеих модельных систем было обнаружено, что морфология нейрональных отростков на маленьких изолированных островках УНТ высокой плотности заметно скручена и запутана. В этом исследовании было продемонстрировано, что шероховатость поверхности должна соответствовать диаметру отростков нейронов, чтобы они могли связываться. Было высказано предположение, что запутывание, механический эффект, может представлять собой дополнительный механизм, с помощью которого нейроны прикрепляются к шероховатым поверхностям (Соркин и др., 2009).

Рис. 2. Культуры нейронов крыс на островках УНТ. (A) Флуоресцентное конфокальное изображение фиксированных нейронов (красный) и глиальных клеток (зеленый), культивируемых на островке из углеродных нанотрубок. Диаметр диска 20 мкм. (B, C) HRSEM-изображения нейронного процесса, образующего петлю вокруг нескольких УНТ (обозначенных стрелками). Изображение в (C) соответствует области, отмеченной пунктирной рамкой в ​​ (B) . Четко идентифицируемые сегменты процесса были выделены вручную.Процессы, по-видимому, связываются с поверхностью углеродных нанотрубок аналогично тому, как это происходит с усиками. Взято из работы Соркина и др. (2009).

Таблица 1 суммирует основные результаты, описанные выше, подчеркивая, как различные CNTs и модификации CNT влияют на адгезию нейронов. В целом общая картина, которая возникает из этих исследований, состоит в том, что MWCNTs, SWCNTs и CNFs являются пермиссивным субстратом для роста и пролиферации нейронов. На взаимодействие нейронов с УНТ влияет химическая модификация поверхности УНТ, проводимость, заряд и шероховатость.Положительный заряд положительно влияет на разветвление и длину нейритов. Изменение проводимости приводило к морфологическим изменениям длины нейритов и размеров тела клетки. Шероховатость поверхности способствовала закреплению нейронов на поверхности. Химические модификации поверхности УНТ с помощью 4-HNE и PEI оказали положительное влияние на разветвление и рост нейритов, тогда как модификация с помощью субстрата, модифицированного 4-третбутилфенилом и 4-бензойной кислотой, уменьшала рост нейронных клеток.

Таблица 1.Нейрональная адгезия на поверхностях, покрытых УНТ .

Углеродные нанотрубки для формирования нейронов

Узорчатые пленки УНТ, такие как те, что обсуждались выше, обеспечивают уникальную схему для создания и изучения инженерных нейронных сетей. Исследования с использованием структурированных УНТ могут дать представление о коллективной активности нейронных сетей. Паттерны CNT также предлагают путь для разработки трехмерных каркасов в качестве шага к разработке схем для биоразъемов и приложений нейропротезирования.Этот подход также может быть использован для создания продвинутых нейро-чипов для приложений биочувствительности (например, для обнаружения наркотиков и токсинов), где важны структура и стабильность сетей.

Чжан и его сотрудники культивировали нейроны на микронных образцах с разной геометрией. Эти паттерны были разработаны для поддержки исследования механизмов, лежащих в основе нейронального расширения, управления и взаимодействия. Использовались прямые линии, квадраты и круговые детали, а также разная длина нанотрубок.Было обнаружено, что нейроны преимущественно прикрепляются к паттернам MWCNT. Конусы роста были прикреплены к поверхности нанотрубок, позволяя нейронам распространяться по узорам и взаимодействовать друг с другом (Zhang et al., 2005).

островков CNT также широко использовались нами для создания нейронных сетей в системе с четко определенной геометрией (см. Рисунок 3), поэтому взаимосвязь между геометрией и нейронной активностью можно систематически исследовать (Gabay et al., 2005a, b; Sorkin et al., 2006, 2009; Greenbaum et al., 2009; Shein et al., 2009) (типичный пример см. На Рисунке 2). В одной из первых публикаций, в которых МУНТ использовались для взаимодействия с нейронами, Габай и его коллеги отпечатали узор из наночастиц железа-катализатора на кварцевых подложках, используя штамп из поли (диметилсилоксана) (ПДМС), а затем вырастили УНТ из островков железного катализатора. Кортикальные нейроны и глиальные клетки крыс накапливались преимущественно на островках MWCNT и образовывали взаимосвязанные сети, соединяясь через непроницаемый кварц, чтобы сформировать связи между соседними островками.При использовании метода патч-зажима культивируемые нейроны оказались электрофизиологически активными с нормальными мембранными потенциалами покоя, демонстрируя, что MWCNT не изменяют целостность нейронов (Gabay et al., 2005a, b).

Рис. 3. Кортикальная культура нейроглии от эмбриональных крыс, выращенных на матрице микроэлектродов из углеродных нанотрубок. Кластеры клеток самоорганизуются во время развития культуры, чтобы позиционировать себя на электродах. Расстояние между электродами 200 мкм.Изображение получено с помощью трехмерного конфокального микроскопа (Shein et al., 2009).

В последующей работе Соркин и его коллеги исследовали динамику организации нейронных сетей, помещая нейроны коры головного мозга и гиппокампа крысы на структурированные MWCNT или поли-D-лизиновые субстраты. Было обнаружено, что кластеры клеток спонтанно прикрепляются к узорчатым островкам с нейритами, соединяя близлежащие острова посредством единственного неприлипающего прямого пучка, состоящего из аксонов и дендритов. Были успешно реализованы квадратные, треугольные и круглые конструкции связи.Мониторинг динамики сетей в режиме реального времени показал, что процесс самосборки в основном обусловлен способностью клеток двигаться, при этом постоянно растягивая пучки нейритов между ними. Структурированные сети были стабильными в течение 11 недель (Sorkin et al., 2006). В последующем исследовании Соркин и его коллеги культивировали нейроны коры головного мозга крысы, а также нейроны лобных ганглиев саранчи на островках MWCNT с микропроцессором. Нейронные отростки имели тенденцию оборачиваться и связываться с грубыми островками MWCNT.Похоже, что сходные размеры CNTs (внутри острова) и нейритов поддерживают механизм якорения, позволяющий прикрепляться нейронам (Sorkin et al., 2009). Гринбаум и его коллеги продемонстрировали использование специально разработанных субстратов CNT для формирования небольших сетей нейронов лобных ганглиев саранчи. Было высказано предположение, что механическое напряжение создается вдоль отростков клетки и тянет сому клетки; нейрональная активность регистрировалась из одиночных клеток (Greenbaum et al., 2009). Эти эффекты были дополнительно изучены (Anava et al., 2009; Hanein et al., 2011), чтобы показать, что механические воздействия действительно повсеместны в этих развивающихся сетях.

Углеродные нанотрубки для электрического нейронного интерфейса

Как обсуждалось в разделе «Введение», современные электроды, используемые для нейропротезирования, имеют относительно высокий импеданс и плохое CSC. Чтобы лучше понять эти проблемы и оценить потенциал УНТ в приложениях нейронных электродов, мы начнем с краткого обзора электрических процессов, происходящих на интерфейсе нейрон-электрод.

Внеклеточная запись и стимуляция нейронной активности

Передача сигнала в нейронных системах является результатом ионных токов, проходящих через определенные ионные каналы через клеточную мембрану. Методы внеклеточной записи отслеживают электрическое поле, связанное с этой динамикой. Временной ход внеклеточного потенциала действия обычно составляет ~ 1 мс, а амплитуда находится в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен микровольт (Cogan, 2008; Buzsaki et al., 2012).Эта амплитуда значительно меньше, чем соответствующий внутриклеточный спайк, который находится в диапазоне десятков милливольт. Кроме того, внеклеточные сигналы быстро уменьшаются в зависимости от расстояния от клетки. Во время стимуляции происходит обратный процесс; заряды поступают от электрода и вызывают накопление мембранного потенциала. В достаточно сильном поле чувствительные к напряжению ионы в клеточной мембране запускают генерацию потенциала действия (Roth, 1994; Tehovnik, 1996; Basser and Roth, 2000).

Стимулировать нейроны и записывать внеклеточные сигналы можно с помощью проводящего электрода, расположенного рядом с клеткой или ее отростками. Электрохимические свойства электрода являются фундаментальными для его работы в качестве стимулирующего или записывающего электрода. Ясно, что эффективный интерфейс — необходимое условие как для стимуляции, так и для записи. Хотя нейрональная стимуляция и запись связаны по своей природе, эти два приложения предъявляют несколько разные требования. Прежде всего, количество заряда, необходимого для стимуляции, на несколько порядков превышает зарегистрированное.Запись часто бывает невозможной с помощью электродов, которые хорошо подходят для стимуляции. При записи нейронов, как правило, слабые сигналы делают очень важным рассмотрение шума (Musial et al., 2002). Однако для целей безопасной стимуляции доставка соответствующего заряда к ткани без повреждения электрода или ткани является основным соображением (McCreery et al., 1988, 1990; Cogan, 2008).

Материал электрода и реакции на границе раздела электрод-ткань (реакции, опосредующие переход от потока электронов в электроде к потоку ионов в ткани) являются основными параметрами, определяющими безопасный диапазон для стимуляции.Реакции, происходящие во время инжекции заряда, могут быть емкостными или фарадеевскими (рис. 4A). Емкостные реакции включают ток смещения и связаны с зарядкой и разрядкой двойного слоя электрод-электролит из-за перераспределения заряженных частиц в электролите. С другой стороны, фарадеевские реакции включают перенос электронов через границу раздела электрод-электролит и требуют, чтобы некоторые частицы на поверхности электрода или в растворе были окислены или восстановлены.Эти реакции могут привести к необратимым процессам, вызывающим повреждение электродов или тканей. Следовательно, несмотря на важность максимального увеличения тока, подаваемого через электрод, в идеале это должно быть достигнуто за счет использования нефарадеевских электродов. Поэтому подача емкостного заряда является критическим фактором при разработке электродов как для записи, так и для стимуляции.

Рис. 4. Граница раздела электрод-электролит и инжекция заряда. (A) Схематическое изображение емкостного (слева) и фарадеевского (справа) механизмов инжекции заряда.В то время как инжекция емкостного заряда включает перераспределение заряда на границе раздела электрод-электролит, процесс Фарадея включает перенос электронов. (B) Модель электрической схемы для механизмов переноса заряда на границе электрод-электролит. (C) Модель схемы для внеклеточной записи и стимуляции нейрональной ткани с использованием MEA, соединенного с внешними усилителями. Модель демонстрирует электрохимическое сопротивление интерфейса и емкость УНТ-электрода и шунтирующую емкость, полученную из раствора, а также точку стимуляции.

Емкостная и фарадеевская реакции на электроде-электролите моделируются простой электрической схемой, состоящей из двух элементов, конденсатора и резистивного элемента, включенных параллельно. Рисунки 4B, C иллюстрируют схемные модели интерфейса электрод-электролит и внеклеточной записи и стимуляции нейрональной ткани соответственно. Емкостной механизм, который представляет способность электрода вызывать поток заряда в электролите без переноса электронов, моделируется как простой электрический конденсатор, называемый конденсатором с двойным слоем (Bard and Falkner, 2000; Merrill et al., 2005). Фарадеевские процессы моделируются как фарадеевский импеданс (Bard and Falkner, 2000; Merrill et al., 2005). Есть два предельных случая, вытекающих из этой модели: идеально поляризуемый электрод и идеально неполяризуемый электрод (Bard and Falkner, 2000; Merrill et al., 2005). Идеально неполяризуемый электрод имеет нулевое сопротивление Фарадея, поэтому ток легко протекает в реакциях Фарадея, и при прохождении тока на границе раздела напряжение не изменяется. Таким образом, потенциал электрода остается близким к равновесию даже при протекании тока.Идеально поляризуемый электрод имеет элемент бесконечного фарадеевского импеданса и моделируется чистым конденсатором. В идеально поляризуемом электроде весь ток передается за счет емкостного воздействия, поэтому потенциал электрода легко отклоняется от равновесного. Реальные границы раздела электродов моделируются конденсатором с двойным слоем параллельно с конечным импедансом Фарадея и последовательно с сопротивлением раствора. Электрод с высокой поляризацией — это электрод, который может принять большое количество инжектированного заряда на двойной слой до начала реакции Фарадея.Таким образом, для улучшения биосовместимости требуются электроды с высокой поляризацией. Дополнительным важным параметром, используемым при описании нейрональных стимулирующих электродов, является обратимый CSC, также известный как предел обратимой инъекции заряда (Robblee and Rose, 1990; Merrill et al., 2005). CSC электрода — это общее количество заряда, которое может быть сохранено обратимо, включая накопление в емкости двойного слоя, псевдоемкости или любой обратимой реакции Фарадея. Материал, используемый для электрода, размер и форма электрода, состав электролита и параметры формы волны электростимуляции — все это влияет на CSC.Мы отсылаем читателя к подробному описанию электрохимического интерфейса электрод-электролит регистрирующих и стимулирующих нейронных электродов (Bard and Falkner, 2000; Merrill et al., 2005; Cogan, 2008).

В целом, повышенная емкость приводит к уменьшению импеданса и уровня шума, а также к расширению окна напряжения для безопасной электростимуляции. Современные электродные материалы Фарадея включают в себя в основном благородные металлы, такие как золото, платину, титан и иридий, а также сплавы этих металлов, оксид иридия, нержавеющую сталь и высоколегированные полупроводники, такие как кремний.Материалы емкостных электродов включают TiN, оксид тантала и тантала и недавно исследованные УНТ. Таким образом, емкостная природа электродов из УНТ является еще одним важным преимуществом.

Углеродные нанотрубки для регистрации и стимуляции нейрональной активности

Как мы обсуждали выше, УНТ обладают несколькими фундаментальными свойствами, которые делают их идеально подходящими для взаимодействия с нейронами. Они поддерживают пролиферацию нейронов, они проводят и образуют емкостные электрохимические электроды с чрезвычайно высокой удельной площадью.Соответственно, во многих недавних исследованиях УНТ использовались в качестве материала покрытия для нейроэлектродов.

Прямая стимуляция изолированных нейронов в культуре с использованием субстрата, покрытого SWCNT, была недавно продемонстрирована несколькими группами (Gheith et al., 2006; Liopo et al., 2006; Mazzatenta et al., 2007). Гейт и его сотрудники включили положительно заряженные SWCNT и полиакриловую кислоту в многослойные LBL-слои с достаточно высокой электропроводностью, чтобы электрически стимулировать линию модельных нейронных клеток (NG108).Использование пленок SWCNT LBL в качестве субстратов для культивирования не повлияло на ключевые электрофизиологические характеристики клеток NG108, что подтверждает предыдущие наблюдения (Gheith et al., 2006). Электрическое связывание клеток NG108, а также первичных периферических нейронов крысы с немодифицированными, а также с ОУНТ, модифицированными 4-трет-бутилфенилом или 4-бензойной кислотой, нанесенными на пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), оценивали Liopo et al. (2006). Нейроны проявляли токи, активируемые напряжением, при электрическом стимулировании через проводящую пленку ОСУНТ.К той же проблеме впоследствии обратились Маццатента и его коллеги, которые использовали электрофизиологические измерения и компьютерное моделирование, чтобы понять природу электрического взаимодействия между нейронами и чистыми ОСУНТ (Mazzatenta et al., 2007). Авторы культивировали нейроны гиппокампа крысы на покровных стеклах, покрытых первозданной пленкой SWCNT. СЭМ выявила контакты между нейрональными мембранами и ОСНТ. Электрические записи с использованием патч-зажима показали, что нейроны, выращенные на субстратах SWCNT, проявляют спонтанную электрическую активность.Стимуляция культивированных нейронов достигалась путем подачи тока через субстрат нанотрубок. Наконец, была предложена математическая модель, описывающая электрическую связь между SWCNT и нейронами (Mazzatenta et al., 2007).

Некоторые исследования показали, что УНТ повышают электрическую активность нейронов (Lovat et al., 2005; Cellot et al., 2009). Lovat с сотр. Функционализировали УНТ пирролидиновыми группами. Эта функционализация удаляла примеси и улучшала растворимость УНТ в органических растворителях.Затем покровные стекла покрывали каплей раствора. Испарение растворителя и термообработка привели к дефункционализации, в результате чего на стекле остались очищенные МУНТ. Нейроны, выращенные на пленках MWCNT, показали шестикратное увеличение частоты спонтанных постсинаптических токов и генерации потенциала спонтанного действия по сравнению с таковыми, выращенными на необработанном стекле. Авторы предположили, что высокая проводимость подложки УНТ могла влиять на потенциал-зависимые мембранные процессы, приводя к повышенной активности (Lovat et al., 2005). Целлот и его сотрудники предположили, что УНТ улучшают электрическую связь между нейронами за счет образования плотных контактов с клеточными мембранами. Они использовали тонкие пленки УНТ, сформированные путем нанесения раствора на стекло с последующей термообработкой. Нейроны гиппокампа крыс были засеяны на пленки и показали усиление синаптического возбуждения (Cellot et al., 2009), усиленное формирование синапсов, а также изменения синаптической динамики (Cellot et al., 2011).

Покрытия из композитных УНТ улучшают регистрацию и стимуляцию нейронов in vitro, и in vivo, за счет уменьшения импеданса и увеличения переноса заряда.Кифер и его сотрудники успешно покрыли электроды MWCNT, используя различные схемы осаждения (Keefer et al., 2008). Промышленные заостренные проволочные электроды из вольфрама и нержавеющей стали были покрыты УНТ с использованием ковалентного присоединения покрытия УНТ, электроосаждения покрытия УНТ-золота или электроосаждения УНТ в сочетании с CP (PPy). Различные покрытия CNT приводили к более низкому импедансу и более высокой способности переноса заряда по сравнению с неизолированными металлическими электродами. In vivo Качество записи острых электродов, покрытых УНТ, было проверено в моторной коре головного мозга анестезированных крыс и в зрительной коре головного мозга обезьян.По сравнению с неизолированными металлическими электродами, электроды, покрытые УНТ, имели меньший шум и улучшали обнаружение спонтанной активности (Keefer et al., 2008). Баранаускас и его коллеги протестировали платиновые / вольфрамовые микроэлектроды с покрытием PPy-CNT. Покрытие PPy-CNT значительно снизило импеданс микроэлектрода и вызвало значительное улучшение отношения сигнал / шум, в среднем до четырех раз. In vivo сигналов было зарегистрировано из коры головного мозга крысы (Baranauskas et al., 2011). Другие композитные покрытия CPs-CNT, включая PPy-CNT (Lu et al., 2010; Chen et al., 2011a) и PEDOT-CNT (Luo et al., 2011). Эти покрытия также показали улучшенные электрохимические свойства и были признаны биологически совместимыми. Устройства не использовались для записи или стимуляции. Покрытия PPy-CNT значительно улучшают электрохимические характеристики испытательных электродов, и дальнейшее исследование долговечности этих покрытий при длительной стимуляции и записи может быть важным для раскрытия их полного потенциала.

В совокупности рассмотренные выше исследования показывают, что УНТ могут обеспечить превосходное средство для электрического взаимодействия между устройствами и нейроном.Теперь мы обсудим использование электродов из УНТ как для электрических записей, так и для стимуляции нейронов в форме МЭБ.

MEA из углеродных нанотрубок для регистрации и стимуляции нейронов

Важным достижением в использовании CNT в нейроприложениях является разработка и изготовление CNT MEAs (Gabay et al., 2007). Такие МЭБ были получены путем синтеза островков УНТ высокой плотности. Были использованы структуры как MWCNT, так и SWCNT. УНТ либо наносили в виде покрытия поверх металлических электродов (Keefer et al., 2008; Габриэль и др., 2009; Fuchsberger et al., 2011) или выращены непосредственно из подложки с рисунком катализатора (Wang et al., 2006; Gabay et al., 2007; Yu et al., 2007).

MWCNT-покрытых золотом МЭА оксида индия-олова были использованы для регистрации и стимуляции кортикальных культур мышей Кифером и его сотрудниками. Было обнаружено, что электроды с покрытием из УНТ подходят для записи и повышения эффективности стимуляции (Keefer et al., 2008). Также использовались нетронутые покрытия УНТ. Габриэль и др. покрытые стандартные платиновые МЭБ ОСУНТ, которые наносились непосредственно на электроды путем нанесения капельного покрытия и сушки.Покрытие CNT привело к улучшенным электрическим свойствам, уменьшению импеданса и увеличению емкости. Исследователи успешно выполнили внеклеточные записи из ганглиозных клеток изолированной сетчатки кролика (Gabriel et al., 2009). Fuchsberger и его сотрудники предложили нанесение слоев MWCNT на массивы микроэлектродов TiN с помощью техники микроконтактной печати с использованием штампов PDMS. МЭА с покрытием применяли для электрохимического обнаружения дофамина и электрофизиологических измерений культур нейронов гиппокампа крыс.Было обнаружено, что микроэлектроды с покрытием из MWCNT обладают записывающими свойствами, превосходящими характеристики коммерческих микроэлектродов из TiN (Fuchsberger et al., 2011). Методы нанесения капельного покрытия и микроконтактной печати довольно просты. Однако пленка может иметь слабую адгезию к поверхности по сравнению с ковалентными или электрохимическими методами, поэтому важна тщательная проверка адгезии покрытия.

МЭБ УНТ, основанных на подходах к производству сверху вниз. Превосходные электрические свойства микроэлектродов из УНТ были представлены Габаем и его сотрудниками.Мы изготовили МЭБ УНТ путем синтеза островков МУНТ высокой плотности на подложке из диоксида кремния. Трехмерный характер электродов из УНТ способствует очень большой площади поверхности и, следовательно, высокой удельной емкости электрода (было подтверждено поведение без Фрадея) и низкой частотной зависимости импеданса электрода. Регистрировалась спонтанная активность нейронов в культуре крыс (Gabay et al., 2005a, b, 2007). Прямое электрическое взаимодействие между первичными микроэлектродами CNT и культивированными нейронами крыс было также продемонстрировано Shein et al.(2009). Каждый электрод регистрировал активность кластера из нескольких нейронов; эта активность характеризовалась всплесками (см. рисунок 5). Те же CNT MEAs в дальнейшем использовались для изучения электрической активности нейронных сетей (Shein Idelson et al., 2010), а также для взаимодействия с сетчаткой мышей (Shoval et al., 2009). Тесты сетчатки показали, что SNR электрода из УНТ со временем улучшается, что свидетельствует о постепенном (в течение 2 дней) улучшении сцепления ткани с электродом. Недавние тесты на стимуляцию, проведенные той же группой, показали аналогичное улучшение порога стимуляции (Eleftheriou et al., 2012).

Рис. 5. Спонтанная электрическая активность нейрональных кластеров на CNT MEA. (A) Следы напряжения спонтанной электрической активности, записанные с электрода УНТ. (B) Растровый график спонтанной пиковой активности в нескольких электродах УНТ. Модели активности характеризуются всплесками событий; короткие временные окна (несколько сотен миллисекунд) быстрого коллективного возбуждения нейронов, за которыми следуют длинные интервалы (секунды) спорадического возбуждения.Подробнее см. Shein et al. (2009).

Ван и его сотрудники представили прототип вертикально ориентированных столбов из MWCNT в виде микроэлектродов на кварцевой подложке (Wang et al., 2006). Нанотрубки были функционализированы PEG для создания гидрофильной поверхности. Полученные гидрофильные микроэлектроды из УНТ обеспечивают высокий предел инжекции заряда без реакций Фарадика. In vitro Затем была достигнута электрическая стимуляция нейронов гиппокампа эмбриона крысы, которая была обнаружена путем наблюдения за изменением внутриклеточного уровня кальция с использованием индикатора кальция (Wang et al., 2006). VACNF MEA был изготовлен и испытан для потенциальных электрофизиологических применений Yu et al. (2007). Сообщалось о внеклеточной стимуляции и регистрации как спонтанной, так и вызванной активности в органотипических срезах гиппокампа. de Asis и соавторы систематически сравнивали VACNF MEA, покрытый PPy, с электродами из вольфрамовой проволоки, планарным платиновым MEA и свежевыращенным VACNF MEA для регистрации вызванных сигналов от острых срезов гиппокампа (de Asis et al., 2009). Недавно Су и его сотрудники синтезировали УНТ на конусообразном кремниевом наконечнике методом каталитического термического химического осаждения из паровой фазы.Обработка кислородной плазмой использовалась для модификации поверхности УНТ, чтобы изменить характеристики поверхности УНТ с гидрофобных на гидрофильные, чтобы улучшить смачиваемость и электрические свойства УНТ. Электрохимические характеристики трехмерных УНТ-зондов, обработанных кислородной плазмой, показали более низкий импеданс и более высокую емкость по сравнению с голым кремниевым наконечником. Кроме того, обработанные кислородом зонды CNT использовались для регистрации сигналов нервного шнура раков (Su et al., 2010).

Разработка CNT MEAs имеет несколько важных преимуществ по сравнению с кремниевыми зондами, обычно используемыми в современных нейробиологических исследованиях и клинических приложениях.Кремниевые зонды обычно состоят из кремниевой основы, нитрида кремния и изоляционного слоя из диоксида кремния. Электроды обычно покрыты иридием, золотом или платиной. Первые проекты включают массив Мичигана (Wise et al., 1970; Wise and Angell, 1975) и массив Юты (Campbell et al., 1991). Зонд Michigan включает в себя несколько участков микроэлектродов, нанесенных на каждый стержень конструкции, а матрица Utah представляет собой трехмерную электродную решетку, состоящую из множества заостренных силиконовых игл.Однако основным недостатком этих устройств является материал электродов, который является металлическим и, следовательно, фарадеевским (по сравнению с емкостными электродами из УНТ) и не имеет сродства к нейронным клеткам по сравнению с предпочтительной адгезией нейронов к шероховатой поверхности УНТ.

Гибкая CNT MEA для регистрации и стимуляции нейрональной активности

Типичные электроды МЭМС, несмотря на их многочисленные преимущества, являются жесткими и поэтому плохо подходят для долгосрочных применений в нейронах in vivo .Соответственно, растет интерес к разработке гибких МПС. В частности, внимание привлекла комбинация гибких подложек и электродов из УНТ для нейронных приложений.

Лин и его сотрудники были первыми, кто изготовил и реализовал гибкую электродную матрицу на основе УНТ для записи нейронов. Массив электродов из УНТ был выращен и нанесен рисунок на кремниевой подложке, а затем перенесен на гибкую пленку из парилена-С. Четырехэтапный процесс включал: рост УНТ, связывание полимера, перенос гибкой пленки и частичную изоляцию.Полученные вертикально ориентированные УНТ были частично внедрены в полимерную пленку. Запись электрофизиологического ответа нервного шнура рака выполнялась с помощью двух серебряных проволок с тефлоновым покрытием, используемых в качестве стимулирующего и контрольного электрода. Отношение сигнал / шум гибкого электрода из УНТ составляло 257 (Lin et al., 2009).

Также был продемонстрирован прямой рост УНТ на гибких полиимидных подложках с помощью катализатора CVD (Hsu et al., 2010). Длину MWCNT контролировали и увеличивали приблизительно линейно со временем роста, что приводило к уменьшению импеданса и увеличению емкости.Воздействие УФ-озона улучшило межфазные свойства между электродами УНТ и электролитом за счет увеличения смачиваемости поверхности (изменения ее с супергидрофобной на гидрофильную). Обработка УФ-озоном дала снижение импеданса в 50 раз. Кроме того, было обнаружено, что гибкие электроды из УНТ проявляют резистивные характеристики, в отличие от результатов, описанных выше (Nguyen-Vu et al., 2006), которые предполагают, что емкостная проводимость доминирует. Исследование культур нейрональных клеток показало хорошую биосовместимость.Наконец, были получены записи вызванного потенциала действия латеральных гигантских нейронов в брюшных ганглиях раков. SNR было около 150, такое же хорошее, как у аспирационной пипетки, и лучше, чем у золотых электродов (SNR 122 и 36 соответственно). В последующем исследовании был представлен гибкий CNT MEA, интегрированный с чипом, содержащим 16 записывающих усилителей (Chen et al., 2011b). УНТ снова выращивали непосредственно на гибкой полиимидной подложке. Микроэлектрод из УНТ имел в десять раз более низкий импеданс электрода и в шесть раз большую емкость, что приводило к лучшей способности инжекции заряда по сравнению с золотым микроэлектродом того же размера.Тесты с культивированными нейронами подтвердили биосовместимость устройства. In vitro. спонтанных спайков были зарегистрированы от каудального фоторецептора из хвоста нейрона рака с SNR 6,2. Гибкий CNT MEA также применялся для записи электрокортикографии (ЭКоГ) моторной коры головного мозга крыс.

Наша группа недавно разработала новый гибкий электрод, полностью состоящий из УНТ, который подходит для регистрации и стимуляции нейрональной ткани. Гибкие устройства были реализованы путем переноса пленок MWCNT высокой плотности на гибкую пленку PDMS (Hanein, 2010).Преднамеренно плохая адгезия между пленкой УНТ и подложкой позволила перенести УНТ на подложку PDMS (рис. 6А). Эта плохая адгезия является результатом прямого роста УНТ на SiO ₂ . Технология проста, а получаемые стимулирующие электроды почти чисто емкостные. Электроды обладают емкостью 2 мФ / см ² , которая аналогична емкости электродов из TiN и исходных MWCNT, изготовленных на жесткой кремниевой подложке, с плотностью 2 и 10 мФ / см ² соответственно (Gabay et al., 2007). Недавние тесты на регистрацию и стимуляцию сетчатки цыплят (рис. 6В) подтверждают пригодность устройства для высокоэффективной нейрональной стимуляции (Дэвид-Пур и др., Представлены).

Рис. 6. (A) Гибкий МЭБ на основе CNT. Вставка: гибкий МЭБ на основе УНТ, разработанный для in vivo приложений. ( B ) Вызванная электрическая активность, зарегистрированная в сетчатке эмбрионального цыпленка (день 14) с помощью УНТ-электрода (один из шестнадцати электродов диаметром 50 мкм в матрице) с использованием первого двухфазного анодного импульса 20 нКл.Сетчатку уплощали на гибкой МЭА CNT слоем ганглиозных клеток сетчатки вниз. Большой сигнал при t = 0 (отмечен стрелкой) является артефактом стимуляции. Спонтанная активность до стимуляции отмечена звездочками.

В Таблице 2 обобщены основные результаты, связанные с электрической записью и стимуляцией нейронов на основе CNT. Общая картина, которая возникает из этих данных, заключается в том, что УНТ использовались для нейронного электрического интерфейса в трех основных схемах: подложки с покрытием УНТ, покрытые УНТ заостренные проволочные металлические электроды и МЭБ УНТ.Субстраты CNT использовали в качестве субстрата для роста in vitro для нейронов, и электрическую активность регистрировали с использованием метода внутриклеточного зажима. Также была продемонстрирована электрическая стимуляция через поверхность, покрытую УНТ. Заостренные проволочные электроды, покрытые CNT, использовали как для in vitro, и in vivo, так и для регистрации внеклеточных нейронов и стимуляции . Схема CNT MEA позволяет in vitro структурировать рост нейронов в сочетании с внеклеточной записью и стимуляцией.Последней и самой последней схемой является разработка гибких МЭБ CNT, которая представляет собой важный шаг к применению имплантируемых нейропротезов.

Таблица 2. Технологии нейронного электрического сопряжения CNT .

Выводы и перспективы

В этом обзоре мы исследовали различные свойства, которые делают УНТ уникальными для взаимодействия с нейронами. Мы также показали, что интенсивные исследования в течение последних 10 лет изучали УНТ для взаимодействия с нейронами, от поверхностных свойств, влияющих на адгезию и пролиферацию клеток, до разработки MEA на основе УНТ и гибких электродных матриц для in vivo приложений.Это интенсивное исследование было мотивировано необходимостью найти методы лечения нервных расстройств, требующих использования электрической стимуляции, а также необходимостью ответить на базовые вопросы нейробиологии. В частности, такие платформы на основе CNT могут принести большую пользу при изучении инженерных нейронных цепей. Изучение нейронных цепей направлено на восстановление поврежденных нервных тканей. Природные схемы не подвержены манипуляциям и имеют очень сложную структуру, поэтому их очень сложно изучать.Тем не менее, спроектированные нейронные сети in vitro позволяют осуществлять мониторинг и систематическое исследование и обеспечивают уникальную платформу для изучения паттернов активности, взаимосвязи морфологии и активности, а также методов повреждения и восстановления сети. Все эти приложения могут получить большую выгоду от эффективного нейронального каркаса, способного регистрировать и стимулировать электрическую активность нейронов.

Сложные требования в области нейронного протезирования, а именно уменьшение размера электродов при сохранении эффективной электрохимической функции, а также снижение иммунного ответа на имплантированное устройство (связанное как с размером, так и с жесткостью имплантированного устройства), являются очень низкими. выполнено из широко используемых материалов.Таким образом, разработка эффективной нейропротезной платформы будет очень полезна при реализации электродов из УНТ на гибкой подложке.

Новые применения УНТ в области нейробиологии должны учитывать соображения цитотоксичности. Потенциальная токсичность УНТ была всесторонне изучена, и пока получены неоднозначные результаты (Шведова и др., 2003, 2009, 2010; Дюмортье и др., 2006; Фирме, Бандару, 2010; Чжао, Лю, 2012). Лучшее понимание взаимодействия между УНТ и биологической средой необходимо для содействия эффективной разработке как безопасных, так и эффективных нейронных технологий на основе УНТ.Требуются дальнейшие испытания коррозионной стойкости электродов из УНТ, а также их прочности. Другим важным шагом является дальнейшее изучение природы электрического взаимодействия нейронов с УНТ. Кроме того, необходимо провести комплексные долгосрочные исследования по регистрации и стимуляции на животных моделях с последующими клиническими испытаниями и одобрением административных органов, таких как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), чтобы обеспечить рутинное использование CNT MEA в неврологии. Здесь представлен обширный обзор литературы, а также недавние исследования с использованием УНТ, встроенных в полимерную основу; показать, что УНТ при правильном обращении безопасны в качестве имплантируемого покрытия.

В настоящее время существует несколько очень многообещающих направлений в исследовании нейропротезных устройств на основе УНТ. Во-первых, это интеграция покрытий для элюирования лекарств. Эти покрытия позволят уменьшить воспаление, вызванное введением нейронального имплантата в ткань, и улучшат выживаемость нейронов, контактирующих с устройством. Растет интерес к изучению таких покрытий (Zhong and Bellamkonda, 2005; Wadhwa et al., 2006; He et al., 2007), такие исследования также будут полезны при рассмотрении разработки покрытия, которое не ухудшит электрическая активность устройства.Во-вторых, это исследование в направлении реализации гибких MEA на основе CNT, как подробно описано в тексте выше. Некоторые совсем недавние работы, выполненные в этой области нашей группой, и другие, выявили большой потенциал таких устройств. Наконец, сочетание светочувствительной функции с улучшенными нейронными интерфейсами CNT будет очень полезным для разработки новых имплантатов сетчатки.

В заключение, улучшенные электрохимические свойства УНТ, их гибкая и простая процедура микропроизводства, а также их биосовместимость и долговечность позволяют предположить, что электроды УНТ являются многообещающей платформой для нейронных приложений с высоким разрешением.Сходство поверхности УНТ с наноструктурными особенностями естественной нервной ткани делает УНТ подходящей платформой для тканевой инженерии и регенерации (Tran et al., 2010; Voge and Stegemann, 2011). Кроме того, высокая электрическая проводимость УНТ позволяет осуществлять прямое электрическое взаимодействие с нейронами (Shein-Idelson et al., 2011). Очевидно, что CNT обладают огромным потенциалом в развитии нейронных интерфейсов, и дальнейшие исследования позволят использовать технологию на основе CNT для расширения понимания нервной системы и реализации терапевтических подходов.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы благодарят за многочисленные полезные обсуждения с Моше Давид-Пуром, Гиорой Бейт-Яаков и доктором Дорит Раз-Праг. Они также подтверждают поддержку гранта Министерства науки и технологий Израиля, Израильского научного фонда и Европейского исследовательского совета, финансируемого в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества (FP7 / 2007–2013) / грантового соглашения ERC FUNMANIA-306707.

Список литературы

Абидиан М. Р., Кори, Дж. М., Кипке, Д. Р. и Мартин, Д. К. (2010). Нанотрубки из проводящего полимера улучшают электрические свойства, механическую адгезию, нервную связь и рост нейритов нервных электродов. Малый 6, 421–429.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Абидиан М. Р. и Мартин Д. К. (2008). Экспериментальная и теоретическая характеристика имплантируемых нейронных микроэлектродов, модифицированных проводящими полимерными нанотрубками. Биоматериалы 29, 1273–1283.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Анава, С., Гринбаум, А., Бен Джейкоб, Э., Ханейн, Ю. и Аяли, А. (2009). Регулирующая роль механического напряжения нейритов в развитии сети. Biophys. J . 96, 1661–1670.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Asplund, M., Thaning, E., Lundberg, J., Sandberg-Nordqvist, A.C., Kostyszyn, B., Inganas, O., et al.(2009). Оценка токсичности ПЭДОТ / биомолекулярных композитов, предназначенных для электродов нейронной связи. Biomed. Материал . 4, 1–12.

Баранаускас, Г., Маджолини, Э., Кастаньола, Э., Ансальдо, А., Маццони, А., Ангоци, Г. Н. и др. (2011). Композитное покрытие нейронных микроэлектродов из углеродных нанотрубок предпочтительно улучшает многоблочное отношение сигнал / шум. J. Neural Eng . 8, 1–12.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Бард, А.Дж. И Фолкнер Л. Р. (2000). Основы и приложения электрохимических методов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Вили.

Бекьярова, Э., Ни, Ю. К., Маларки, Э. Б., Монтана, В., МакВильямс, Дж. Л., Хаддон, Р. К., и др. (2005). Применение углеродных нанотрубок в биотехнологии и биомедицине. J. Biomed. Нанотехнологии . 1, 3–17.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Бен-Якоб, Э., и Ханейн, Ю. (2008). Микроэлектроды из углеродных нанотрубок для взаимодействия нейронов. J. Mater. Chem . 18, 5181–5186.

Биран Р., Мартин Д. К. и Треско П. А. (2005). Потеря нейронных клеток сопровождает реакцию ткани мозга на хронически имплантированные кремниевые микроэлектродные матрицы. Exp. Neurol . 195, 115–126.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Боттини М., Брукнер С., Ника К., Боттини Н., Беллуччи С., Магрини А. и др. (2006). Многослойные углеродные нанотрубки вызывают апоптоз Т-лимфоцитов. Toxicol. Lett . 160, 121–126.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Кэмпбелл, П. К., Джонс, К. Э., Хубер, Р. Дж., Хорч, К. В., и Норманн, Р. А. (1991). Трехмерная нейронная поверхность на основе кремния — процессы изготовления внутрикортикальной электродной матрицы. IEEE Trans. Биомед. Eng . 38, 758–768.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Карреро-Санчес, Дж. К., Элиас, А. Л., Mancilla, R., Arrellin, G., Terrones, H., Laclette, J.P., et al. (2006). Биосовместимость и токсикологические исследования углеродных нанотрубок, легированных азотом. Nano Lett . 6, 1609–1616.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Cellot, G., Cilia, E., Cipollone, S., Rancic, V., Sucapane, A., Giordani, S., et al. (2009). Углеродные нанотрубки могут улучшить работу нейронов за счет использования электрических коротких путей. Нат. Нанотехнологии . 4, 126–133.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Селлот, Г., Тома, Ф. М., Варлей, З. К., Лайшрам, Дж., Виллари, А., Кинтана, М. и др. (2011). Каркасы из углеродных нанотрубок настраивают синаптическую силу в культивируемых нервных цепях: новые рубежи во взаимодействиях наноматериалов и тканей. Дж. Neurosci . 31, 12945–12953.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Шарлье, Дж. К., Блазе, X., и Рош, С. (2007). Электронные и транспортные свойства нанотрубок. Ред. Мод. Phys . 79, 677–732.

Чен, Х. Л., Го, Л. Х., Ферхан, А. Р. и Ким, Д. Х. (2011a). Многослойные углеродные нанотрубки с полипиррольным покрытием для улучшения функциональной стабильности и электрических свойств нервных электродов. J. Phys. Chem. С 115, 5492–5499.

Chen, Y.C., Hsu, H.L., Lee, Y.T., Su, H.C., Yen, S.J., Chen, C.H., et al. (2011b). Активная гибкая матрица микроэлектродов из углеродных нанотрубок для записи электрокортикограмм. Дж.Neural Eng . 8, 1–7.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Чирачи, С., Даг, С., Йилдирим, Т., Гулсерен, О., и Сенгер, Р. Т. (2004). Функционализированные углеродные нанотрубки и приложения для устройств. J. Phys. Конденс. Дело 16, R901 – R960.

Кларк, Г. М. (2006). Многоканальный кохлеарный имплант: интерфейс между звуком и центральной нервной системой для слуха, речи и языка у глухих — с личной точки зрения. Фил. Пер. R. Soc. B 361, 791–810.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Кромптон, К. Э., Гоуд, Дж. Д., Белламконда, Р. В., Генгенбах, Т. Р., Финкельштейн, Д. И., Хорн, М. К. и др. (2007). Термореактивный хитозановый гидрогель, функционализированный полилизином, для инженерии нервной ткани. Биоматериалы 28, 441–449.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

де Асис, Э. Д., Нгуен-Ву, Т.Д. Б., Арумугам П. У., Чен Х., Касселл А. М., Эндрюс Р. Дж. И др. (2009). Высокоэффективная электрическая стимуляция срезов гиппокампа с помощью вертикально выровненного массива микрографов из углеродных нановолокон. Biomed. Микроустройства 11, 801–808.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Dumortier, H., Lacotte, S., Pastorin, G., Marega, R., Wu, W., Bonifazi, D., et al. (2006). Функционализированные углеродные нанотрубки нецитотоксичны и сохраняют функциональность первичных иммунных клеток. Nano Lett . 6, 1522–1528.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Элефтериу, К. Г., Циммерманн, Дж., Кьельдсен, Х., Давид-Пур, М., Ханейн, Ю. и Сернагор, Э. (2012). «На пути к разработке технологии имплантации сетчатки на основе углеродных нанотрубок: электрофизиологические и ультраструктурные доказательства связи на гибридном интерфейсе», в материалах Труды 8-го Международного совещания MEA по интегрированному микроэлектроду с субстратом Arrys (Ройтлинген, Германия).

Фан, Ю. В., Цуй, Ф. З., Хоу, С. П., Сюй, К. Ю., Чен, Л. Н., и Ли, И. С. (2002). Культура нервных клеток на кремниевых пластинах с наномасштабной топографией поверхности. J. Neurosci. Методы 120, 17–23.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Fuchsberger, K., Le Goff, A., Gambazzi, L., Toma, F. M., Goldoni, A., Giugliano, M., et al. (2011). Многослойные массивы микроэлектродов с функционализированными углеродными нанотрубками, изготовленные методом микроконтактной печати: платформа для изучения химической и электрической нейронной передачи сигналов. Малый 7, 524–530.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Габай Т., Бен-Давид М., Калифа И., Соркин Р., Абрамс З. Р., Бен-Джейкоб Э. и др. (2007). Электрохимические и биологические свойства многоэлектродных решеток на основе углеродных нанотрубок. Нанотехнологии 18, 1–6.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Габай Т., Якобс Э., Бен-Джейкоб Э. и Ханейн Ю. (2005a). Инженерная самоорганизация нейронных сетей с использованием кластеров углеродных нанотрубок. Physica A 350, 611–621.

Габай, Т., Калифа, И., Эзра, Л., Якобс, Э., Бен-Джейкоб, Э., и Ханейн, Ю. (2005b). «Нейрочип на основе углеродных нанотрубок для проектирования, записи и стимуляции культивируемых сетей», в 13-я международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным элементам и микросистемам, (Сеул, Корея), 1226–1229.

Габриэль Г., Гомес Р., Бонгард М., Бенито Н., Фернандес Э. и Вилья Р. (2009). Легко изготавливаемые однослойные поверхностные микроэлектроды из углеродных нанотрубок для нейронных применений. Biosens. Биоэлектрон . 24, 1942–1948.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Гальван-Гарсия, П., Кифер, Э. В., Янг, Ф., Чжан, М., Фанг, С., Захидов, А. А. и др. (2007). Надежная миграция клеток и рост нейронов на нетронутых углеродных нанотрубках и нитях. J. Biomater. Sci. Polym. Эд . 18, 1245–1261.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Джордж, М.С., Нахас, З., Боркардт, Дж.J., Anderson, B., Foust, M. J., Burns, C., et al. (2007). Стимуляция мозга для лечения психических расстройств. Curr. Мнение. Психиатрия 20, 250–254.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Джордж П. М., Ликман А. В., ЛаВан Д. А., Хегде А., Леунг Ю., Авасаре Р. и др. (2005). Изготовление и биосовместимость полипиррольных имплантатов, пригодных для нервного протезирования. Биоматериалы 26, 3511–3519.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Гейт, М.К., Паппас, Т. К., Лиопо, А. В., Синани, В. А., Шим, Б. С., Мотамеди, М. и др. (2006). Стимуляция нервных клеток латеральными послойными пленками однослойных токов в проводящих углеродных нанотрубках. Adv. Материал . 18, 2975–2979.

Гейт, М. К., Синани, В. А., Викстед, Дж. П., Мэттс, Р. Л., и Котов, Н. А. (2005). Однослойные полиэлектролитные однослойные углеродные нанотрубки и автономные пленки как биосовместимая платформа для нейропротезных имплантатов. Adv.Материал . 17, 2663–2670.

Гринбаум, А., Анава, С., Аяли, А., Шейн, М., Давид-Пур, М., Бен-Джейкоб, Э. и др. (2009). Однозначный интерфейс нейрон-электрод. J. Neurosci. Методы 182, 219–224.

Хадж Хассан, М., Чодаварапу, В., и Мусаллам, С. (2008). NeuroMEMS: микротехнологии нейронных зондов. Датчики 8, 6704–6726.

Ханейн Ю. (2010). Интеграция углеродных нанотрубок в устройства MEMS. Phys. Статус Solidi B 247, 2635–2640.

Харрис, П. Дж. Ф. (2009). Наука об углеродных нанотрубках . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Хе В., Макконнелл Г. К., Шнайдер Т. М. и Белламконда Р. В. (2007). Новая противовоспалительная поверхность для нервных электродов. Adv. Материал . 19, 3529–3533.

Хеллер, Д. А., Гарга, В., Келлехер, К. Дж., Ли, Т. К., Махбубани, С., Сигворт, Л. А. и др. (2005). Узорчатые сети нейронов гиппокампа мыши на покрытых пептидами золотых поверхностях. Биоматериалы 26, 883–889.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Хоффман-Ким, Д., Митчел, Дж. А., и Белламконда, Р. В. (2010). «Топография, реакция клеток и регенерация нервов», в Ежегодном обзоре биомедицинской инженерии , том 12, редакторы М. Л. Ярмуш, Дж. С. Дункан и М. Л. Грей (Пало-Альто, Калифорния: Ежегодные обзоры), 203–231.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Сюй, Х. Л., Тэн, И.J., Chen, Y.C., Hsu, W. L., Lee, Y. T., Yen, S. J., et al. (2010). Гибкие электроды из углеродных нанотрубок, модифицированных УФ-озоном, для записи нейронов. Adv. Материал . 22, 2177–2181.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Ху, Х., Ни, Ю. К., Мандал, С. К., Монтана, В., Чжао, Н., Хаддон, Р. К., и др. (2005). Однослойные углеродные нанотрубки, функционализированные полиэтиленимином, в качестве субстрата для роста нейронов. J. Phys. Chem. B 109, 4285–4289.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Ху, Х., Ни, Ю. К., Монтана, В., Хэддон, Р. К., и Парпура, В. (2004). Химически функционализированные углеродные нанотрубки как субстраты для роста нейронов. Nano Lett . 4, 507–511.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Кифер, Э. У., Боттерман, Б. Р., Ромеро, М. И., Росси, А. Ф., и Гросс, Г. У. (2008). Покрытие углеродных нанотрубок улучшает запись нейронов. Нат.Нанотехнологии . 3, 434–439.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Лан, Ю. К., Ван, Ю., и Рен, З. Ф. (2011). Физика и применение ориентированных углеродных нанотрубок. Adv. Phys . 60, 553–678.

Лакстон, А. В., Тан-Вай, Д. Ф., МакЭндрюс, М. П., Цумстег, Д., Веннберг, Р., Керен, Р., и др. (2010). Фаза I испытания глубокой стимуляции цепей памяти мозга при болезни Альцгеймера. Ann. Neurol . 68, 521–534.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Ли, В., и Парпура, В. (2009). «Углеродные нанотрубки как субстраты / каркасы для роста нервных клеток», в Nanoneuroscience and Nanoneuropharmacology , под ред. Х. С. Шарма (Амстердам: Elsevier Science BV), 111–125.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Лиопо А. В., Стюарт М. П., Хадсон Дж., Тур Дж. М. и Паппас Т. К. (2006). Биосовместимость нативных и функционализированных однослойных углеродных нанотрубок для нейронального интерфейса. J, Nanosci. Нанотехнологии .6, 1365–1374.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст

Ловат В., Пантаротто Д., Лагостена Л., Качкари Б., Грандольфо М., Риги М. и др. (2005). Подложки из углеродных нанотрубок усиливают передачу электрических сигналов нейронов. Nano Lett . 5, 1107–1110.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Лу, Ф. С., Гу, Л. Р., Мезиани, М. Дж., Ван, X., Луо, П. Г., Века, Л. М. и др. (2009). Достижения в области биологических применений углеродных нанотрубок. Adv. Материал . 21, 139–152.

Лу, Ю., Ли, Т., Чжао, X. К., Ли, М., Цао, Ю. Л., Ян, Х. Х. и др. (2010). Электроосажденные электроды из композитных пленок полипиррол / углеродные нанотрубки для нейронных интерфейсов. Биоматериалы 31, 5169–5181.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Луо, X. Л., Уивер, К. Л., Чжоу, Д. Д., Гринберг, Р., и Цуй, X. Y. Т. (2011). Высокостабильный поли (3,4-этилендиокситиофен), легированный углеродными нанотрубками, для хронической нервной стимуляции. Биоматериалы 32, 5551–5557.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Маларки, Э. Б., Фишер, К. А., Бекьярова, Э., Лю, В., Хаддон, Р. К., и Парпура, В. (2009). Проводящие однослойные подложки из углеродных нанотрубок модулируют рост нейронов. Nano Lett . 9, 264–268.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Марчиньяк, С., Криспин, X., Увдал, К., Трзцински, М., Биргерсон, Дж., Грюнендал, Д., и другие. (2004). Светоиндуцированное повреждение поли (3,4-этилендиокситиофена) и его производных изучено методом фотоэлектронной спектроскопии. Synth. Встретил . 141, 67–73.

Мацумото, К., Сато, К., Нака, Ю., Китадзава, А., Уитби, Р. Л. Д., и Симидзу, Н. (2007). Нейритные выросты нейронов с углеродными нанотрубками, покрытыми нейротрофином. J. Biosci. Bioeng . 103, 216–220.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Маццатента, А., Джульяно, М., Кампиделли, С., Гамбацци, Л., Бусинаро, Л., Маркрам, Х. и др. (2007). Взаимодействие нейронов с углеродными нанотрубками: передача электрического сигнала и синаптическая стимуляция в культурных цепях мозга. Дж. Neurosci . 27, 6931–6936.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

МакКоннелл, Г. К., Рис, Х. Д., Леви, А. И., Гутекунст, К. А., Гросс, Р. Э., и Белламконда, Р. В. (2009). Имплантированные нервные электроды вызывают хроническое локальное воспаление, которое коррелирует с местной нейродегенерацией. J. Neural Eng . 6, 1–12.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

МакКрири, Д. Б., Агнью, В. Ф., Юэн, Т. Г. Х. и Буллара, Л. (1990). Плотность заряда и заряд на фазу как кофакторы нервного повреждения, вызванного электростимуляцией. IEEE Trans. Биомед. Eng . 37, 996–1001.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст

Маккрири, Д. Б., Агнью, В. Ф., Юэн, Т. Г. Х. и Буллара, Л. А. (1988). Сравнение нервных повреждений, вызванных электростимуляцией с фарадеевскими и конденсаторными электродами. Ann. Биомед. Eng . 16, 463–481.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст

Musial, P. G., Baker, S. N., Gerstein, G. L., King, E. A., and Keating, J. G. (2002). Улучшение отношения сигнал / шум при многоэлектродной записи. J. Neurosci. Методы 115, 29–43.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Нгуен-Ву, Т. Д. Б., Чен, Х., Касселл, А. М., Эндрюс, Р., Мейяппан, М., и Ли, Дж. (2006). Вертикально выровненные массивы углеродных нановолокон: шаг вперед к электронно-нейронным интерфейсам. Малый 2, 89–94.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Нгуен-Ву, Т. Д. Б., Чен, Х., Касселл, А. М., Эндрюс, Р. Дж., Мейяппан, М., и Ли, Дж. (2007). Вертикально ориентированная архитектура из углеродных нановолокон как многофункциональный трехмерный нейронный электрический интерфейс. IEEE Trans. Биомед. Eng . 54, 1121–1128.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Нуньес, А., Аль-Джамал, К., Накадзима, Т., Хариз, М., и Костарелос, К. (2012). Применение углеродных нанотрубок в неврологии: клинические перспективы и токсикологические риски. Arch. Токсикол . 86, 1009–1020.

Pubmed Аннотация | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст

Роуч П., Паркер Т., Гадегаард Н. и Александр М. Р. (2010). Поверхностные стратегии контроля адгезии нейрональных клеток: обзор. Surf. Sci. Репутация . 65, 145–173.

Роббли, Л. С., и Роуз, Т. Л. (1990). «Электрохимические рекомендации по выбору протоколов и электродных материалов для нервной стимуляции», в Neural Prostheses: Fundamental Studies , eds W.Ф. Агнью и Д. Б. Маккрири (Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл), 25–66.

Родригес, Н. М. (1993). Обзор каталитически выращенных углеродных нановолокон. J. Mater. Рез . 8, 3233–3250.

Руардиж, Т. Г., Гедблоед, М. Х. и Руттен, В. Л. С. (2000). Адгезия и формирование паттерна нейронов коры на поверхностях, покрытых полиэтиленимином и фторуглеродом. IEEE Trans. Биомед. Eng . 47, 1593–1599.

Pubmed Аннотация |

Различные типы программного обеспечения с примерами

Каждый день мы сталкиваемся с различными типами компьютерного программного обеспечения, которое помогает нам в решении наших задач и повышает нашу эффективность.От MS Windows, которая приветствует нас, когда мы включаем систему, до веб-браузера, который используется для серфинга в Интернете, или игр, в которые мы играем на нашем компьютере, до счетчика сжигания калорий на нашем смартфоне — все это примеры программного обеспечения. В этом мире технологий мы даже сталкиваемся с различными тенденциями в разработке программного обеспечения, которые помогают нашему бизнесу расти, мы окружены всем этим программным обеспечением, которое призвано облегчить нашу жизнь. По определению, Программное обеспечение (также сокращенно SW или S / W) — это совокупность данных, программ, процедур, инструкций и документации, которые выполняют различные предопределенные задачи в компьютерной системе.Они позволяют пользователям взаимодействовать с компьютером

В области разработки программного обеспечения и информатики программное обеспечение — это не что иное, как информация, обрабатываемая компьютерной системой и программами. Программное обеспечение включает библиотеки, программы и соответствующие неисполняемые данные, такие как цифровые носители и онлайн-документацию. Компьютерное оборудование и программное обеспечение нуждаются друг в друге, и ни одно из них не может быть эффективно использовано само по себе. Объединение аппаратного и программного обеспечения обеспечивает контроль и гибкость современных вычислительных систем.Без программного обеспечения компьютеры были бы бесполезны. Например, без помощи программного обеспечения веб-браузера вы не сможете выходить в Интернет. Точно так же без операционной системы ни одно приложение не может работать на вашем компьютере.

Сегодня нам доступно множество высокотехнологичных технологий и программного обеспечения, которые определяют наш образ жизни и удовлетворяют наши постоянно меняющиеся и растущие потребности. Бесконечное количество типов программного обеспечения может ошеломить любого, особенно если человек не понимает досконально различные типы программного обеспечения и их пользователей.

Различные типы программного обеспечения

Обычно существует две основных классификации программного обеспечения, а именно системное программное обеспечение и прикладное программное обеспечение.

1. Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение помогает пользователю и оборудованию функционировать и взаимодействовать друг с другом. По сути, это программное обеспечение для управления поведением компьютерного оборудования с целью обеспечения основных функций, необходимых пользователю. Проще говоря, мы можем сказать, что системное программное обеспечение является промежуточным звеном или промежуточным слоем между пользователем и оборудованием.Это компьютерное программное обеспечение санкционирует платформу или среду для работы другого программного обеспечения. Это причина, по которой системное программное обеспечение очень важно для управления всей компьютерной системой. Когда вы впервые включаете компьютер, именно системное программное обеспечение инициализируется и загружается в память системы. Системное программное обеспечение работает в фоновом режиме и не используется конечными пользователями. По этой причине системное программное обеспечение также называют «программным обеспечением низкого уровня».

Вот некоторые общие примеры системного программного обеспечения:

• Операционная система: Это наиболее яркий пример системного программного обеспечения.Это набор программного обеспечения, которое обрабатывает ресурсы и предоставляет общие услуги для других приложений, которые работают над ними. Хотя все операционные системы отличаются друг от друга, большинство из них предоставляет графический интерфейс пользователя, с помощью которого пользователь может управлять файлами и папками и выполнять другие задачи. Каждое устройство, будь то настольный компьютер, ноутбук или мобильный телефон, требует наличия операционной системы для обеспечения его основных функций. Поскольку ОС по существу определяет, как пользователь взаимодействует с системой, многие пользователи предпочитают использовать одну конкретную ОС для своего устройства.Существуют различные типы операционных систем, такие как операционные системы реального времени, встроенные, распределенные, многопользовательские, однопользовательские, Интернет, мобильные и многие другие. Перед выбором операционной системы важно учитывать технические характеристики оборудования. Некоторые примеры операционных систем приведены ниже:

• • Android
  • CentOS
  • iOS
  • Linux
  • Mac OS
  • MS Windows
  • Ubuntu
  • Unix

• Драйверы устройств: Это тип программного обеспечения, которое управляет определенным оборудованием, подключенным к системе.Аппаратные устройства, которым требуется драйвер для подключения к системе, включают дисплеи, звуковые карты, принтеры, мыши и жесткие диски. Кроме того, существует два типа драйверов устройств: драйверы устройств ядра и драйверы устройств пользователя. Вот несколько примеров драйверов устройств:

• • Драйвер BIOS
  • Драйверы дисплея
  • Драйверы для материнских плат
  • Драйверы принтера
  • ROM драйверы
  • Драйвер звуковой карты
  • USB-драйверы
  • USB-драйверы
  • Драйверы VGA
  • Драйверы VGA
  • Драйверы виртуальных устройств

• Прошивка: Прошивка — это постоянное программное обеспечение, встроенное в постоянную память.Это набор инструкций, постоянно хранящихся на аппаратном устройстве. Он предоставляет важную информацию о том, как устройство взаимодействует с другим оборудованием. Микропрограмму можно рассматривать как «полупостоянную», поскольку она остается постоянной, если не обновляется с помощью программы обновления микропрограммы. Вот несколько примеров прошивки:
  • BIOS
  • Периферийные устройства для компьютера
  • Потребительские приложения
  • Встроенные системы
  • UEFI
• Переводчики языков программирования: Это программы-посредники, с помощью которых программное обеспечение переводит код языка высокого уровня в более простой код машинного уровня.Помимо упрощения кода, переводчики также делают следующее:
  • Назначить хранилище данных
  • Включите исходный код, а также сведения о программе
  • Предлагаем диагностические отчеты
  • Исправить системные ошибки во время выполнения
  • Примерами трансляторов языков программирования являются интерпретаторы, компиляторы и ассемблеры.
• Служебная программа: Служебная программа предназначена для помощи в анализе, оптимизации, настройке и обслуживании компьютерной системы.Он поддерживает компьютерную инфраструктуру. Это программное обеспечение фокусируется на том, как функционирует ОС, а затем, соответственно, оно определяет траекторию своего движения, чтобы сгладить работу системы. Программное обеспечение, такое как антивирусы, инструменты очистки и управления дисками, инструменты сжатия, дефрагментаторы и т. Д., Являются служебными инструментами. Вот несколько примеров служебных инструментов:
• • Антивирус Avast
  • Справочник Opus
  • Антивирус McAfee
  • Пириформ CCleaner
  • Razer Cortex
  • Проводник Windows
  • WinRAR
  • WinZip

2.Прикладное программное обеспечение