Printable devices for neurotechnology

Printable electronics for neurotechnology is a rapidly emerging field that leverages various printing techniques to fabricate electronic devices, offering advantages in rapid prototyping, scalability, and cost-effectiveness. These devices have promising applications in neurobiology, enabling the recording of neuronal signals and controlled drug delivery. This review provides an overview of printing techniques, materials used in neural device fabrication, and their applications. The printing techniques discussed include inkjet, screen printing, flexographic printing, 3D printing, and more. Each method has its unique advantages and challenges, ranging from precise printing and high resolution to material compatibility and scalability. Selecting the right materials for printable devices is crucial, considering factors like biocompatibility, flexibility, electrical properties, and durability. Conductive materials such as metallic nanoparticles and conducting polymers are commonly used in neurotechnology. Dielectric materials, like polyimide and polycaprolactone, play a vital role in device fabrication. Applications of printable devices in neurotechnology encompass various neuroprobes, electrocorticography arrays, and microelectrode arrays. These devices offer flexibility, biocompatibility, and scalability, making them cost-effective and suitable for preclinical research. However, several challenges need to be addressed, including biocompatibility, precision, electrical performance, long-term stability, and regulatory hurdles. This review highlights the potential of printable electronics in advancing our understanding of the brain and treating neurological disorders while emphasizing the importance of overcoming these challenges

Alternative Electrode Materials for Prototyping Cell Model-Specific Microelectrode Arrays

Mikroelektrodimatriisi (MEA, microelectrode array) on biologien käyttämä väline solujen sähköisen toiminnan mittaamiseen in vitro olosuhteissa. Pelkkien satunnaisten soluryppäiden ja yksikerroksisten soluviljelmien tutkimisen rinnalla yleistymässä ovat biologiset tutkimuskysymykset, joissa tutkitaan ohjatusti muodostettuja soluverkkoja tai yksittäisiä soluja. Nämä aiheet asettavat sellaisia erityisvaatimuksia elektrodien koolle ja sijainnille MEA-levyllä, sekä ylipäätään MEA-levyn suorituskyvylle, että kaupasta saatavat vakiomalliset MEA-levyt eivät yleensä niitä täytä. Räätälöidyille MEA-levyille onkin tarvetta monella sovellusalueella perussolubiologiasta ja tautimallien kehittämisestä myrkyllisyystutkimuksiin ja lääketestaukseen. Tässä väitöstyössä on valmistettu mikroelektrodeja, joiden materiaalina on käytetty titaania, atomikerroskasvatettua (atomic layer deposition, ALD) iridiumoksidia (IrOx) sekä ionisuihkuavusteiselle elektronisuihkuhöyrystyksellä (ion beam assisten e-beam deposition, IBAD) tuotettua titaaninitridiä (TiN). Elektrodit on karakterisoitu mm. niiden impedanssin, kohinatason ja pinnan morfologian osalta. Lisäksi bioyhteensopivuus ja toimivuus on varmistettu kokeilla, joissa on käytetty ihmisperäisistä kantasoluista johdettuja hermo- ja sydänsoluja. Näiden tutkimusten tarkoituksena on tarjota MEA-valmistukseen lisää vaihtoehtoja, mistä valita eri sovelluksiin parhaiten sopivat ja käytettävissä olevat resurssit parhaiten huomioivat elektrodimateriaalit. Titaanin käyttöä puhtaasti metallimuodossa on mikroelektrodimateriaalina yleisesti vältetty sen johtavuusominaisuuksia häiritsevän hapettumistaipumuksen vuoksi. Valmistukseen kuluva aika ja kustannukset voivat kuitenkin olla räätälöityjen MEA-prototyyppien kehittämisessä olennaisempia tekijöitä kuin prototyypin huippuunsa viritetty suorituskyky, jota usein arvioidaan 1 kHz taajuudella mitatun impedanssin avulla. Kuten odotettua, titaanielektrodien impedanssi oli huomattavan korkea (>1700 kΩ), mutta silti solumittauksissa sekä hermo- että sydänsolujen tuottamat kenttäpotentiaalisignaalit olivat erotettavissa kohinasta. Titaanin etuihin elektrodimateriaalina kuuluvat yleisimpiin vaihtoehtoihin verrattuna vähäisempien ja yksinkertaisempien prosessivaiheiden tarve sekä noin sata kertaa pienemmät raaka-aine kustannukset kultaan ja platinaan verrattuna. IrOx ja TiN ovat yleisesti käytettyjä elektrodien pinnoitusmateriaaleja, joiden tarkoitus on laskea esimerkiksi titaanista tehtyjen elektrodien impedanssia ja kohinatasoa. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta tehdä pinnoitukset vaihtoehtoisilla, MEA sovelluksissa uusilla menetelmillä, ALD:llä ja IBAD:lla. Vaikka näillä menetelmillä pinnoitettujen 30 μm elektrodien impedanssit (450 kΩ ALD IrOx:lle ja ~90 kΩ IBAD TiN:lle) eivät aivan laskeneetkaan yleisesti käytettyjen sputteroidun TiN:n (30-50 kΩ) ja huokoisen platinan eli Pt black:n (20-30 kΩ) tasolle, niin solumittauksissa etenkään IBAD TiN elektrodien ja sputteroitujen TiN elektrodien välillä ei ollut käytännössä lainkaan havaittavaa eroa kohinatasossa ja signaalipiikkien korkeuksissa. Täten IBAD TiN onkin täysin varteenotettava materiaalivaihtoehto niille, jotka suosivat TiN elektrodeja, mutta joilla ei ole sputteriointiin sopivaa laitetta käytettävissä. ALD:n ja IrOx:n yleiset ominaisuudet sen sijaan puoltavat ALD IrOx:n sopimista erityisesti geometrialtaan haastaviin tapauksiin tai sovelluksiin, joissa elektrodeilta vaaditaan erinomaisia stimulointiominaisuuksia. Lopuksi tässä väitöstyössä kehitettiin esimerkkinä räätälöidyn MEA-levyn vaativasta sovelluksesta yksittäisten sydänsolujen mittaamiseen soveltuva MEA-levy. Tällainen MEA-levy tarjoaa yleisesti käytetylle, mutta työläälle patch-clamp menetelmälle ainutlaatuisen soluja vahingoittamattoman vaihtoehdon yksittäisten solujen tutkimiseksi, sekä mahdollistaa yksittäisen solun ominaisuuksien havainnoinnin paremmin, kuin usein varsin heterogeenisen soluviljelmän tutkiminen vakiomallisella MEA-levyllä. Ratkaisuna tähän oli elektrodien sijoittaminen lähelle solualueen ulkokehää sekä elektrodien halkaisijan kasvattaminen 80 μm:iin tavanomaisesta 30 μm:stä, mikä helpotti solujen asettamista elektrodeille ja mahdollisti solujen sähköisen sykesignaalin mittaamisen. Indiumtinaoksidi (ITO) elektrodien läpinäkyvyys mahdollisti lisäksi mekaanisen sykinnän analysoimisen kuvaan perustuvan mittaamisen avulla.A microelectrode array, MEA, is a tool used by biologists for measuring the electrical activity of cells in vitro. Instead of only studying random cell clusters and monolayers, an increasing number of biological research questions are aimed at studying well- defined cell networks or single cells. This places special demands on the location, size, and overall performance of the MEA electrodes, which the standard, commercially available layouts cannot usually meet. Therefore, custom-designed MEAs are needed for a wide range of applications from basic cell biology and disease model development to toxicity testing and drug screening. This thesis focuses on the fabrication of microelectrodes made of titanium, atomic layer deposited (ALD) iridium oxide (IrOx), and ion beam-assisted e-beam deposited (IBAD) titanium nitride (TiN). These MEAs are characterized, for example, in terms of their impedance, noise level, and surface morphology, and their biocompatibility and functionality are verified by simple experiments with human stem cell-derived neuronal cells and cardiomyocytes. The aim of these studies is to offer more alternatives for MEA fabrication, enabling researchers and practitioners to choose the electrode material that best fits their application from their available resources. Pure titanium is commonly disregarded as an electrode material because of its oxidation tendency, which destabilizes the electrical performance. However, when prototyping customised MEAs, the time and cost of fabricating the subsequent iterations of the prototype can be more decisive factors than the device’s ultimate electrical performance, which is typically evaluated by the impedance value at 1 kHz. As might be expected, although titanium electrodes underperformed in terms of impedance (>1700 kΩ), when used in the cell experiments, the field potentials from both neuronal cells and cardiomyocytes were still easily distinguishable from the noise. There are a number of benefits to using titanium as an electrode material. Besides the fact that it is about hundred times cheaper than other commonly-used materials, such as gold or platinum, it usually requires fewer and often simpler process steps than the most common alternatives. IrOx and TiN are common electrode coatings which, when applied on top of e.g. a titanium electrode, can lower the impedance and the noise level of the electrode. In this study, two alternative deposition methods, ALD and IBAD, were used for IrOx and TiN in MEA applications. Even if the impedance of these 30 μm electrodes (450 kΩ for ALD IrOx and ~90 kΩ for IBAD TiN) did not quite reach the impedance levels of the industry standards, i.e. sputtered TiN (30-50 kΩ) and Pt black (20-30 kΩ), in cell experiments the IBAD TiN electrodes in particular showed no tangible differences in peak amplitudes and noise levels compared with sputtered TiN electrodes. This makes IBAD TiN an attractive alternative material for those who prefer to use TiN electrodes, but do not have access to a sputter coater, for example. ALD IrOx, on the other hand, relies on the potential of the general properties of ALD and IrOx (yet unverified) to provide exceptional performance in designs requiring excellent step coverage or stimulation capability. Finally, as an application example of a custom-designed MEA, a version capable of measuring cardiomyocytes at the single-cell level was developed. The benefit of such an MEA is to offer a unique noninvasive method to study single cells without destroying them with the time-consuming patch clamp method, and without losing cell-specific information, which often occurs if the cell clusters studied with standard MEAs are too heterogenous. This was achieved with a number of innovations. For example, the electrodes were placed near the perimeter of the cell culturing area and had a larger diameter (80 μm) than the usual 30 μm electrodes. This simplified the plating of the cells to the electrodes and enabled the beating of the cells to be electrically recorded. It is also possible to combine that with image-based analysis of mechanical beating through transparent indium tin oxide (ITO) electrodes

All Titanium Microelectrode Array for Field Potential Measurements from Neurons and Cardiomyocytes: A Feasibility Study

Abstract: In this paper, we describe our all-titanium microelectrode array (tMEA) fabrication process and show that uncoated titanium microelectrodes are fully applicable to measuring field potentials (FPs) from neurons and cardiomyocytes. Many novel research questions require custom designed microelectrode configurations different from the few commercially available ones. As several different configurations may be needed especially in a prototyping phase, considerable time and cost savings in MEA fabrication can be achieved by omitting the additional low impedance microelectrode coating, usually made of titanium nitride (TiN) or platinum black, and have a simplified and easily processable MEA structure instead. Noise, impedance, and atomic force microscopy (AFM) characterization were performed to our uncoated titanium microelectrodes and commercial TiN coated microelectrodes and were supplemented by FP measurements from neurons and cardiomyocytes on both platforms. Despite the increased noise levels compared to commercial MEAs our tMEAs produced good FP measurements from neurons and cardiomyocytes. Thus, tMEAs offer a cost effective platform to develop custom designed electrode configurations and more complex monitoring environments. Keywords: microelectrode array (MEA); measurement noise; impedance; stem cell; field potential measurement; titaniu

Bursti-tunnistusmenetelmät ihmisperäisistä monikykyisistä kantasoluista erilaistetuille hermosoluverkostoille

A burst is a set of subsequent action potentials that are fired at a high frequency. Although bursts are a fundamental part of electrical activity of neuronal networks in vitro, no standardized method exists for burst detection. Visual identification of bursts is a widely accepted method, but it is not objective nor time-efficient. Therefore, various algorithms have been developed for burst detection. Burst detection algorithms are typically developed and verified only on one specific type of data. This can be problematic because the bursting activity is highly variable between different cell types. Consequently, the applicability of the algorithms is restricted to a narrow range of activity types. Especially applicability to human neuronal networks is questionable because the algorithms are often developed on rodent neuronal networks, which display distinct activity patterns in comparison to human networks. The aim of this thesis was to produce a test data set, which would well represent bursting and non-bursting activity observed in human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neuronal networks, and to identify a single algorithm with optimal parameters that would successfully detect the bursts in this test data set. As rodent neuronal networks are also widely used in neuroscience, the algorithm was desired to function also on activity derived from rodent cultures. To achieve these goals, hESCs were differentiated into functional neuronal networks and cultured on microelectrode array (MEA). Primary rat cortical neurons were similarly cultured on MEA. Electrical activity of the developing networks was recorded twice a week until synchronized bursting emerged. At this point, pharmacological assays were performed in order to record modulated activity. On the MEA recordings, distinct activity patterns were identified, and short recordings representative of the distinct patterns were included to the test data set. The performance of four contemporary burst detection algorithms was evaluated on the test data set. The evaluation was based on visual identification of bursts from the raw MEA signal. For each algorithm, a performance score was determined and sensitivity and specificity were computed. The evaluation was performed in two runs using either 3 or 5 as minimum number of spikes required for a burst. Other algorithm parameters were set to default values suggested by the original authors. The optimization possibilities were not encouraging for other algorithms but logISI, which also provided the highest performance and the most balanced sensitivity and specificity values. Parameters of logISI were optimized for the test data set, which significantly improved its performance. As a result, logISI displayed good or excellent performance on the test data obtained from human and rat neuronal networks during spontaneous and pharmacologically modulated activity. Based on these results, logISI could have the potential to become a standard burst detection algorithm in the field.Bursti (engl. burst) on peräkkäisten korkealla taajuudella esiintyvien toimintapotentiaalien ryhmä. Vaikka burstit ovat olennainen osa maljalla kasvatettujen hermosoluverkostojen sähköistä aktiivisuutta, ei niiden tunnistukseen ole standardimenetelmää. Visuaalinen bursti-tunnistus on laajasti hyväksytty menetelmä, mutta se ei ole objektiivinen eikä ajallisesti tehokas. Tästä syystä bursti-tunnistukseen on kehitetty useita algoritmeja. Tyypillisesti nämä algoritmit on kehitetty ja niiden toiminta on varmennettu vain tietyn tyyppisellä datalla. Tämä voi olla ongelmallista, koska bursti-aktiivisuus eri solutyyppien välillä on vaihtelevaa. Näin ollen algoritmien soveltaminen on rajoitettu vain pieneen osaan aktiivisuustyyppejä. Erityisesti algoritmien soveltaminen ihmisperäisiin hermosoluverkostoihin on kyseenalaista, sillä algoritmit on usein kehitetty jyrsijäperäisillä hermosoluverkostoilla, joiden aktiivisuustyypit eroavat ihmisperäisisten hermosoluverkostojen aktiivisuustyypeistä. Tämän työn tavoitteena oli kerätä testiaineisto, joka sisältäisi monikykyisistä ihmisen kantasoluista erilaistetuissa hermosoluverkostoissa havaittavat burstaavat ja ei-burstaavat aktiviisuustyypit, sekä löytää tällä testiaineistolla toimiva algoritmi ja optimaaliset arvot sen muuttujille. Koska jyrsijäperäiset hermosoluverkostot ovat neurotieteissä paljon käytettyjä, valitun algoritmin haluttiin toimivan myös niistä peräisin olevalla aineistolla. Tavoitteen saavuttamiseksi ihmisperäisistä alkion kantasoluista erilaistettiin toiminnallisia hermosoluverkostoja, joita viljeltiin mikroelektrodihilan (engl. microelectrode array, MEA) päällä. Rotan eristettyjä aivokuoren hermosoluja viljeltiin samoin MEA:lla. Hermosoluverkostojen sähköistä aktiivisuutta mitattiin niiden kehityksen aikana kahdesti viikossa, kunnes havaittiin synkronista bursti-aktiivisuutta. Synkronisen bursti-aktiivisuuden ilmaannuttua suoritettiin farmakologiset testit ja mitattiin näin muunneltua aktiivisuutta. Saaduista MEA-mittauksista etsittiin erilaisia aktiivisuustyyppejä, joista muodostettiin testiaineisto. Neljän nykyaikaisen algoritmin toimintaa arvioitiin tässä testiaineistossa. Arviointi tehtiin vertailemalla algoritmien tuloksia raakasignaalista tehdyn visuaalisen bursti-tunnistuksen tuloksiin. Jokaisen algoritmin suoritus pisteytettiin ja niiden herkkyys ja tarkkuus laskettiin. Suoritusta arvioitiin kahdesti siten, että burstin vähimmäispiikkimäärä asetettiin ensin kolmeen ja sitten viiteen. Muiden muuttujien arvot asetettiin algoritmien kehittäjien alkuperäisten suositusten mukaisesti. Optimointi- mahdollisuudet olivat lupaavat vain logISI-algoritmille, joka myös suoriutui parhaiten ja jonka herkkyys ja tarkkuus olivat parhaassa tasapainossa. LogISI:n muuttujat optimoitiin testiaineistolle, mikä huomattavasti paransi sen suoritusta kyseisessä aineistossa. Optimoidulla logISI:llä saatiin joko hyvä tai erinomainen tulos koko testiaineistolla, joka oli saatu mittaamalla spontaania ja farmakologisesti muunneltua aktiivisuutta sekä ihmisperäisistä kantasoluista erilaistetuista että rotan aivokuoresta eristetyistä hermosolu-verkostoista. Näiden tulosten perusteella logISI on potentiaalinen vaihtoehto bursti-tunnistuksen standardimetodiksi

Developing microelectrode and microfluidic devices for studying neuronal development

In this thesis technologies are developed to make integrated devices to study neural activity in vitro: microelectrode arrays (MEAs), microfluidic modules and human neural stem cells (hNSCs). My aim was to develop novel in vitro models for neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis (MS). As MS is a chronic neuroinflammatory disease that results in loss of myelin it evokes changes in neuronal conduction velocity in the central nervous system (CNS). Therefore, developing a system that could electrically follow the progress of myelination through immunocytochemistry and via conduction velocity would be of great value in MS research. As a step towards this goal, I developed and fabricated functional custom MEAs on which the electrical activity of human dopaminergic neurons (differentiated from hNSCs) and mouse spinal cord cells was recorded. Microfluidic microchannels measuring 5 μm wide were successful in separating the cell bodies of human cerebral cortical neurons (hCCNs) from the axons in two different compartments. Mouse spinal cord cultures were electrically active from 2 days in vitro (DIV) and remained active up until 52 DIV. Nominal conduction velocity (NCV) measurements were recorded from these cultures on commercial MEAs from 6 to 24 DIV. NCV increased from 0.03 m/s at 2 DIV to 15.00 m/s at 24 DIV indicating increasing myelination. Combining this data with molecular methodologies promises new approaches in developing more human-relevant models for MS research and will provide a deeper understanding of the process of myelination and possible new treatments that may one day cure MS