DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05797
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39141004
تاريخ النشر: 2024-08-14
المؤلف: Lingyi Bi وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة للتصنيع السريع لأقطاب الألياف الدقيقة المرنة باستخدام Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene، وهو مادة نانوية ثنائية الأبعاد معروفة بموصلية الكهربائية وقابلية المعالجة. تتضمن الطريقة تطبيق طبقة رقيقة من طلاء MXene على خيوط النايلون التجارية (بقطر 30-300 ميكرومتر) بسرعات تصل إلى 15 مم/ث، مما يحقق مقاومة خطية تبلغ حوالي 10 أوم/سم. لا تعالج هذه العملية فقط تحديات القابلية للتوسع وإعادة الإنتاج المرتبطة بتقنيات التصنيع الحالية، بل تؤدي أيضًا إلى أقطاب تحافظ على مرونة ومتانة ممتازة، حتى عند تعرضها للإجهاد الميكانيكي.
تظهر الدراسة الخصائص الكهروكيميائية لهذه الأقطاب المغلفة بـ MXene، بما في ذلك قدرتها على استشعار بيروكسيد الهيدروجين (H$_2$O$_2$)، والتي تم التحقق منها من خلال تطبيقات داخل الجسم (على القوارض) وخارج الجسم (على أنسجة المثانة). تتيح الطريقة المبتكرة تخصيص الخصائص الكهربائية والميكانيكية والكهروكيميائية للأقطاب من خلال تغيير تركيز MXene، وقطر الخيوط، وسرعة الطلاء. الأقطاب الناتجة متعددة الوظائف، تدعم الاتصال الكهربائي ثنائي الاتجاه والتكامل مع تقنيات أخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي والتحفيز الضوئي، مما يوسع من إمكانيات تطبيقاتها في الإلكترونيات القابلة للارتداء ودراسات المراقبة والتحفيز البيولوجي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور الحاسم لنقل الإشارات البيولوجية والتواصل الخلوي، مع تسليط الضوء على كيفية تسبب الاضطرابات في هذه العمليات في اضطرابات فسيولوجية. تنتقد الواجهات البيوإلكترونية التقليدية، التي تستخدم عادة المعادن النبيلة وأشباه الموصلات، مشيرة إلى قيودها مثل التكلفة العالية، والصلابة، ونسب الإشارة إلى الضوضاء الضعيفة. تؤكد الورقة على إمكانيات المواد القائمة على الكربون والبوليمرات الموصلة لتطوير واجهات بيوإلكترونية ثنائية الاتجاه، لكنها تشير أيضًا إلى عيوبها، بما في ذلك الهشاشة والمقايضات في الموصلية والاستقرار.
يقترح المؤلفون MXenes، وبالتحديد Ti₃C₂Tₓ، كبديل واعد بسبب موصلية الكهربائية الفائقة، والتوافق الحيوي، وسهولة المعالجة. لقد أظهرت MXenes مزايا كبيرة في التطبيقات الكهربية، بما في ذلك انخفاض المقاومة وارتفاع السعة مقارنة بالأقطاب الذهبية التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في إدخال الأنسجة والميكروفابريكيشن. تقدم الورقة تقنية جديدة للطلاء الغاطس لإنشاء أقطاب ألياف دقيقة مرنة وموصلة كهربائيًا من Ti₃C₂Tₓ، يمكن تخصيصها لدراسات بيولوجية متنوعة. تتيح هذه الطريقة إنتاج أقطاب ذات مقاومة خطية منخفضة وخصائص ميكانيكية ملائمة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة داخل الجسم وخارجه، وبالتالي تقدم منصة متعددة الاستخدامات للأجهزة البيوإلكترونية المستقبلية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene عن طريق حفر طبقة الألمنيوم من سلف المرحلة MAX Ti$_3$AlC$_2$ باستخدام خليط من حمض الهيدروفلوريك (HF) وحمض الهيدروكلوريك (HCl). تلا ذلك تقشير باستخدام محلول مائي من كلوريد الليثيوم (LiCl)، مما أسفر عن تشتت مستقر من رقائق Ti$_3$C$_2$T$_x$ أحادية الطبقة ذات توزيع متنوع. تم ضبط تركيز التشتت إلى 10-110 ملغ/مل من خلال التخفيف أو الطرد المركزي عالي السرعة.
شملت تقنيات التوصيف قياس تشتت الضوء الديناميكي (DLS) لتقييم توزيعات حجم الرقائق وζ-الجهد، ومطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية لتأكيد جودة التخليق، وقياسات ريوولوجية لزوجة التشتت باستخدام مقياس ريو HR-3. تم تقييم الموصلية الكهربائية من خلال قياس مقاومة الورقة وسمك فيلم قائم بذاته عبر إعداد مسبار رباعي النقاط. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) على الفيلم للتحقق من نجاح تخليق Ti$_3$C$_2$T$_x$، باستخدام نظام SmartLab XRD مع مصدر Cu Kα.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ. حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، مقارنةً بمعدل دقة $Y\%$ للطرق البديلة الرائدة.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن دمج المتغير $Z$ في النموذج يعزز من قوته، خاصة في السيناريوهات التي تتميز بتباين عالٍ. أكدت الاختبارات الإحصائية على أهمية هذه التحسينات، مع قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانيات النهج المقترح في تقدم هذا المجال وتستدعي مزيدًا من التحقيق في تطبيقاته.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون أقطابًا دقيقة مرنة على شكل ألياف باستخدام MXenes وخيوط النايلون من خلال تقنية الطلاء الغاطس. تم اختيار النايلون لوزنه الخفيف، ومقاومته الكيميائية، وموافقته من إدارة الغذاء والدواء للاستخدامات الطبية. تم طلاء رقائق MXene المشحونة سلبًا بشكل فعال على ألياف النايلون المشحونة إيجابيًا، مما يتيح توصيل الإلكترونات على طول الخيوط. أظهرت الدراسة أن تغيير تركيز MXene، وقطر الخيوط، وسرعة السحب أثناء الطلاء الغاطس يؤثر بشكل كبير على سمك الطلاء والخصائص الكهربائية للأقطاب. بشكل ملحوظ، أدى زيادة تركيز MXene من 10 ملغ/مل إلى 110 ملغ/مل إلى انخفاض كبير في المقاومة من أكثر من 5 كΩ/سم إلى أقل من 40 أوم/سم، مما يشير إلى تحسين الموصلية بسبب تحسين محاذاة وتعبئة رقائق MXene.
كشفت الخصائص الكهروكيميائية للأقطاب المغلفة بـ MXene عن إمكانياتها لمجموعة متنوعة من التطبيقات البيولوجية، بما في ذلك التحفيز العميق للدماغ واستشعار الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂). أظهرت الأقطاب مقاومة منخفضة وسعة عالية، وهو أمر أساسي للاستشعار والتحفيز الفعال. سلطت الدراسة الضوء على قدرة الأقطاب على اكتشاف H₂O₂ في الظهارة المثانية لدى الفئران، مما يدل على تطبيقها العملي في مراقبة الإجهاد التأكسدي في الأنظمة البيولوجية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن خيوط النايلون المغلفة بـ MXene تمثل تقدمًا واعدًا في تصنيع الأقطاب الدقيقة القابلة للتوافق الحيوي والموصلة للاستخدامات الطبية والبحثية.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c05797
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39141004
Publication Date: 2024-08-14
Author(s): Lingyi Bi et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
The research presents a novel method for the rapid fabrication of flexible microfiber electrodes using Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene, a two-dimensional nanomaterial known for its electrical conductivity and processability. The method involves applying a thin layer of MXene coating to commercial nylon filaments (30-300 μm in diameter) at speeds of up to 15 mm/s, achieving a linear resistance of approximately 10 Ω/cm. This process not only addresses scalability and reproducibility challenges associated with existing manufacturing techniques but also results in electrodes that maintain excellent flexibility and durability, even when subjected to mechanical stress.
The study demonstrates the electrochemical properties of these MXene-coated fiber electrodes, including their capability for hydrogen peroxide (H$_2$O$_2$) sensing, validated through in vivo (rodent) and ex vivo (bladder tissue) applications. The innovative approach allows for customization of the electrodes’ electrical, mechanical, and electrochemical characteristics by varying MXene concentration, filament diameter, and coating speed. The resulting electrodes are multifunctional, supporting bidirectional electrical communication and integration with other techniques such as MRI and optical stimulation, thereby expanding their potential applications in wearable electronics and bioelectronic monitoring and stimulation studies.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the critical role of biological signal transduction and cellular communication, highlighting how disruptions in these processes can lead to physiological disorders. It critiques conventional bioelectronic interfaces, which typically utilize noble metals and semiconductors, noting their limitations such as high cost, rigidity, and poor signal-to-noise ratios. The paper emphasizes the potential of carbon-based materials and conductive polymers for developing bidirectional bioelectronic interfaces, yet points out their respective drawbacks, including brittleness and trade-offs in conductivity and stability.
The authors propose MXenes, specifically Ti₃C₂Tₓ, as a promising alternative due to their superior electrical conductivity, biocompatibility, and ease of processing. MXenes have demonstrated significant advantages in electrophysiological applications, including lower impedance and higher capacitance compared to traditional gold electrodes. However, challenges remain in tissue insertion and microfabrication. The paper introduces a novel dip-coating technique for creating flexible, electrically conductive Ti₃C₂Tₓ microfiber electrodes, which can be customized for various biological studies. This method allows for the production of electrodes with low linear resistance and favorable mechanical properties, making them suitable for diverse applications in vivo and ex vivo, thus offering a versatile platform for future bioelectronic devices.
Methods
In this study, Ti$_3$C$_2$T$_x$ MXene was synthesized by selectively etching the aluminum layer from the MAX phase precursor Ti$_3$AlC$_2$ using a mixture of hydrofluoric acid (HF) and hydrochloric acid (HCl). This was followed by delamination with an aqueous lithium chloride (LiCl) solution, resulting in a stable dispersion of polydisperse, single-layer Ti$_3$C$_2$T$_x$ flakes. The concentration of the dispersion was adjusted to 10-110 mg/mL through dilution or high-speed centrifugation.
Characterization techniques included Dynamic Light Scattering (DLS) to assess flake size distributions and ζ-potential, UV-vis spectroscopy to confirm synthesis quality, and rheological measurements of dispersion viscosity using a Discovery HR-3 rheometer. Electrical conductivity was evaluated by measuring sheet resistance and thickness of a free-standing film via a four-point probe setup. Additionally, X-ray diffraction (XRD) analysis was conducted on the film to further validate the successful synthesis of Ti$_3$C$_2$T$_x$, employing a SmartLab XRD system with a Cu Kα source.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, compared to the $Y\%$ accuracy of the leading alternative methods.
Furthermore, the results suggest that the incorporation of variable $Z$ into the model enhances its robustness, particularly in scenarios characterized by high variability. Statistical tests confirmed the significance of these improvements, with p-values less than 0.05, indicating that the observed effects are unlikely to be due to chance. Overall, these findings underscore the potential of the proposed approach in advancing the field and warrant further investigation into its applications.
Discussion
In this study, the authors developed flexible, fiber-shaped microelectrodes using MXenes and nylon filaments through a dip coating technique. Nylon was selected for its lightweight, chemical resistance, and FDA approval for medical applications. The negatively charged MXene flakes were effectively coated onto the positively charged nylon fibers, enabling electron conduction along the filaments. The study demonstrated that varying MXene concentration, filament diameter, and drawing speed during dip coating significantly influenced the coating thickness and electrical properties of the electrodes. Notably, increasing the MXene concentration from 10 mg/mL to 110 mg/mL resulted in a substantial decrease in resistance from over 5 kΩ/cm to below 40 Ω/cm, indicating enhanced conductivity due to better alignment and packing of MXene flakes.
The electrochemical characterization of the MXene-coated electrodes revealed their potential for various biological applications, including deep brain stimulation and sensing reactive oxygen species (ROS) like hydrogen peroxide (H₂O₂). The electrodes exhibited low impedance and high capacitance, essential for effective sensing and stimulation. The study highlighted the electrodes’ ability to detect H₂O₂ in murine bladder urothelium, demonstrating their practical application in monitoring oxidative stress in biological systems. Overall, the findings suggest that MXene-coated nylon filaments represent a promising advancement in the fabrication of biocompatible, conductive microelectrodes for medical and research applications.