Study and properties of neural bi-directional interfaces, fabricated by cell engulfment of boron-doped nanodiamond nanostructures

Abstract

In this work, nanocrystalline diamond (NCD) was investigated as a novel paradigm of biocompatible implantable materials and advanced neuroelectric devices were constructed to be used for active interfacing to neural cells. The primary objective of this project was aimed at developing a device with a full diamond interface, including 3D microstructures made from conducting diamond, for neuronal interfacing. It is expected that a device of this nature will enable long-term parallel recordings with extremely high quality signals. NCD thin films were used as substrates for the growth of neuroblastoma cells and neurons, and shown to be as good as or better than conventional glass surfaces. For proliferating cells (neuroblastoma) it was found that no pre-treatment of the NCD surface was necessary for good growth and adhesion, while for the non-proliferating neurons, a conventional glass surface treatment of polyethylenimine (PEI) or poly-dlysine/laminin was necessary. These NCD films were then incorporated onto multielectrode array (MEA) devices as an insulation layer for the conductive leads, using a combination of insulating diamond as a passivation layer and doped diamond as a planar electrode material for functional MEAs. These devices were shown to have similar characteristics to standard MEAs that are employing a much thicker standard silicon nitride layer. Boron-doped nanocrystalline diamond (BNCD) was introduced as a conductive electrode material to complete a device with a full diamond interface. These devices were successfully used for recordings of primary cortical neurons from mice. Finally, devices with three dimensional electrode geometry were fabricated in order to promote engulfment of the electrode for increased signal quality. Engulfment of these electrodes with NCD was tested by coating an array of gold mushroom-shaped microstructures with a thin layer of BCND. These arrays showed good engulfment characteristics. Finally, a functional MEA with diamond mushroom shaped electrodes was tested in vitro with primary hippocampal rat neurons. Preliminary results showed high quality recordings, characteristic of an attenuated intracellular signal.

In dit project wordt nano-kristallijne diamant (NCD) onderzocht voor toepassingen binnen bio-compatibele implanteerbare materialen, en geavanceerde neuroelektrische apparaten bestemd voor actieve neurale koppelingen. Het primair objectief van het project spitst zich toe op de ontwikkeling van een functionele neurale koppeling gebruikmakende van 3D-microstructuur-geïmpregneerde diamanten. Deze koppelingen worden verwacht langdurige parallelle opnamen te faciliteren met uiterst hoogwaardige signaalkwaliteit. De NCD-gebaseerde dunne films, die gebruikt worden als substraten voor de groei van neuroblastomacellen en neuronen, zijn gelijkaardig en/of beter als de conventionele glasoppervlakken. In tegenstelling tot de oppervlaktebehandeling vereist bij conventionele glasoppervlakken door middel van polyethylenimine (PEI) of poly-d-lysine / laminine voor niet-proliferende cellen, is er geen voorbehandeling vereist voor de goede groei en adhesie van profilerende cellen (neuroblastomen) op NCDgebaseerde substraten. De NCD-gebaseerde films worden opgenomen op een multielektrode-array (MEA) als een isoleerlaag tussen de geleidende connecties, gebruikmakende van isolerend diamant als een passiveringslaag en gedopeerd diamant als een vlakke electrode voor de functionele MEA’s. Deze apparaten zijn vergelijkbaar in performantie als standaard MEA’s die gebruikelijk bestaan uit dikkere siliciumnitride-lagen. Aansluitend wordt boriumgedopeerde nano-kristallijne diamant (BNCD) geïntroduceerd als een geleidend elektrodemateriaal ter vervollediging van de diamanten koppeling. Deze apparaten worden met succes gebruikt voor de opname van primaire corticale neuronen van muizen. Om de elektrodeverzakking te stimuleren, en als gevolg, de signaalkwaliteit te versterken, worden apparaten met een driedimensionale elektrodegeometrie gefabriceerd. Hierbij wordt de elektrodeverzakking van de NCD beoordeeld door een matrix van gouden paddestoelvormige microstructuren te bedekken met een dunne laag van BCND. Deze matrices vertonen goede verzakkingseigenschappen. Tenslotten worden functionele MEA met diamanten paddestoelvormige elektroden in vitro getest met primaire hippocampale rattenneuronen. Preliminaire resultaten tonen opnamen van hoge kwaliteit die kenmerkend zijn voor een verzwakt intracellulair signaal.